TWI639736B - 具有均勻徑向氧變化的矽晶圓 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種在矽晶圓的整個半徑上測定的氧濃度的徑向變化小於7%的矽晶圓。

Description

具有均勻徑向氧變化的矽晶圓
本發明關於一種具有均勻徑向氧變化的矽晶圓。
由於矽晶圓的性質，其尤其適合用作基材晶圓，磊晶層沉積於其上側表面（前側）。具有沉積的磊晶層的矽晶圓也稱為磊晶矽晶圓。
必須保護電子元件置於其中的矽晶圓的區域免受痕量金屬的污染。在磊晶矽晶圓的情況下，該區域通常位於磊晶層中。防止金屬雜質的特別有效的保護藉由BMD（體微缺陷），即在基材晶圓中的氧沉澱而形成，因為它們在金屬雜質較佳積聚處構成了所謂的內部吸氣劑（internal getters）。BMD通常在製備電子元件所必須的一或多個熱處理過程中由核生長。因此，在交付給電子元件的生產商時，需要磊晶矽晶圓的基材晶圓中具有足夠的BMD核，從而可以形成高密度的BMD。
在基材晶圓上的磊晶層沉積在大於1000°C的溫度下進行。在該溫度下，會去除較小的BMD核，這也使在重摻雜的基材晶圓中提供足夠數量的BMD核更加困難。
如果根據柴可斯基（Czochralski，CZ）方法從保持在石英坩堝中的熔體中提拉由其獲得矽晶圓的單晶，則坩堝材料形成摻入單晶和由此獲得的矽晶圓中的氧源。
在根據CZ方法提拉矽單晶的過程中，提拉速度V和結晶邊界處的軸向溫度梯度G的比例V／G的控制尤為重要。
提拉速率V是生長的單晶從熔體中向上升高的速度，並且軸向溫度梯度G表示在晶體的前進方向上，在結晶邊界處的溫度變化。
BMD尤其可以在下述區域中形成：其中空位數目超過間隙矽原子（interstitial silicon atom）數目，因此空位占主導。
點缺陷包括在單晶的生長前沿形成的間隙矽原子（矽自間隙原子）和空位。它們基本上決定了在單晶中稍後形成的徑向和軸向缺陷分佈，並且也影響形成的外部材料分佈。例如，空位有助於氧沉澱。
如果比例V ／G高於臨界值k1，則主要形成空位缺陷，其可以團聚，然後例如可以被看作COP（晶體原生顆粒（crystal originated particles））。取決於檢測方法，有時也將它們稱為LPD（光點缺陷）或LLS（局部光散射體）。
如果比例V／G低於臨界值k2，k2小於k1，則主要形成呈間隙原子（矽自間隙原子）形式的點缺陷，其同樣可以形成團聚體，並且在巨觀上表現為錯位環。間隙原子的團聚體形成局部晶體錯位，由於檢測方法也將其稱為LPIT（大蝕坑）。
最廣義而言，其中不發生空位或間隙原子的團聚的區域稱為中性區或完美區域，即V／G在k1和k2之間。晶體從空位變化到間隙過量的V／G值自然位於k1和k2之間。
然而，狹義而言，進一步區分其中存在仍然自由的非團聚空位的區域和被視為自由間隙原子區域的區域。也稱為v區域（空位）的空位區域的特徵在於，在單晶具有足夠高的氧含量的情況下，在那裡出現了氧誘導的堆積層錯，而i區（間隙）保持完全沒有缺陷。在此狹義情況中，只有i區域因此是真正完美的晶體區域。
空位有助於氧的沉澱。當它們超過約70奈米的尺寸時，氧沉澱物形成氧誘導的堆積層錯（OSF）。因此主要在v區域中遇到OSF。
在結晶邊界處的軸向溫度梯度G以及其徑向分佈取決於來自和到達結晶邊界的熱傳遞。該熱傳遞又基本上受到正在生長的單晶的環境的熱性質，所謂的熱區，以及由一或多個加熱裝置供應的熱的影響。
如果決定在特定的熱區中提拉單晶，則可以藉助考慮了熱平衡的模擬計算來確定結晶邊界處的軸向溫度梯度G的軸向和徑向分佈。
為了也在軸向方向上將比例V／G保持在期望範圍內，必須通過提拉速率V的相應變化來補償軸向溫度梯度G隨時間的變化。通過控制提拉速率V，因此也可以控制比例V／G。
WO 98/45508A1是描述如何通過實驗確定提拉速率V隨時間變化的分佈的出版物之一，從而藉由控制提拉速率V，可以使比例V／G在單晶生長期間幾乎保持不變，並且單晶可以在期望的區域中生長。此外，還描述了用於表徵和區分Pv區域和Pi區域的檢測方法。
US 5968264 A公開了根據柴可斯基方法製備矽單晶的方法，其中在從矽熔體生長矽單晶期間，進行提拉以使在區域中的晶體中有固／液介面，固／液介面的平均垂直位置為+／- 5毫米，排除了寬度為5毫米的邊緣區域。
在一個實施態樣中，係在v或i區域中提拉晶體。
其公開了對矽熔體施加強度不小於2000 Gs（高斯）的水平磁場。向熔體施加磁場導致了較小的溫度梯度G，並使固體／液體介面變平。v或i區域被擴展。此外，可以用磁場控制氧濃度的軸向分佈。
基於與US 5968264 A相同的優先權的US 6159438 A請求保護一種藉助柴可斯基方法拉製的矽單晶，其中在垂直於生長方向的方向上的氧濃度的變化不超過5%。
生長方向上的氧濃度在切割的晶體上進行測定，在晶體的中心和距離邊緣10毫米的邊緣區域中進行測量。然而，實施例和比較實施例，參見第11A和11B圖，彼此的不同之處僅在於在比較實施例中除去了在實施例中存在的固／液介面熱絕緣體，以及在其上設置的環形熱絕緣體。因此，在晶體中心處以及距離邊緣10毫米的邊緣區域中的軸向氧變化的均化方面的影響僅被歸因於這些熱絕緣體的存在。
然而，已經發現，特別在該情況下未考慮的邊緣區域（距離邊緣10毫米）中，氧濃度顯著降低。這可以在根據US 6159438 A的直徑為200毫米的晶體的情況下以及在距離中心為140至150毫米的區域中直徑為300毫米的矽晶體的情況下均看到。
這種在邊緣處的氧濃度的降低對矽晶圓的機械穩定性具有負面影響。此外，在磊晶矽晶圓的情況下，這會導致邊緣區域中具有低的BMD密度。這對用戶可能導致晶格缺陷和覆蓋問題。造成覆蓋缺陷（overlay defect）的原因是由於BMD的低密度而導致的晶格中的應力，因為在這種情況下阻擋晶格中位元錯的BMD效應（所謂的釘紮（pinning））顯得太弱。
本發明的目的係基於此問題。
本發明的目的藉由一種在矽晶圓的整個半徑上測定的氧濃度的徑向變化小於7%的矽晶圓實現。
氧濃度的徑向變化如下確定： （Omax - Omin ／Omin ）* 100%， 其中Omax 表示在矽晶圓的整個半徑上的最大氧濃度，Omin 表示在矽晶圓的整個半徑上的最小氧濃度。
氧濃度的測量利用依據SEMI MF951的FTIR進行。例如，Bruker Equinox55s光譜儀適用於此。使用該儀器，可以測量直徑為100毫米、125毫米、150毫米、200毫米和300毫米的標準SEMI晶圓。然而，它也適用於研究錠塊（ingot piece）。
為了確定邊緣區域中氧的濃度，有利地是研究錠塊而不是標準晶圓。以此方式，還可以研究直徑為450毫米的晶體的邊緣區域中的氧濃度。
矽晶圓顯示出小於7%的氧濃度的徑向變化，矽晶圓的整個半徑均納入考慮。
在一個實施態樣中，矽晶圓的氧濃度的徑向變化小於5%。
較佳地，矽晶圓的氧濃度的徑向變化小於2%。
該矽晶圓的直徑為150 毫米、200 毫米、300 毫米或450 毫米。
在一個實施態樣中，矽晶圓進行了磊晶塗敷。
在一個實施態樣中，在磊晶塗敷之前，對矽晶圓進行熱處理以穩定BMD核。
在另一個實施態樣中，用氮摻雜矽晶圓，並且氮濃度不低於 5 × 1012 原子／立方公分且不高於3.5 × 1013 原子／立方公分。
較佳地，矽晶圓中的氧濃度為5 × 1017 原子／立方公分至6 × 1017 原子／立方公分。
在一個實施態樣中，用硼摻雜矽晶圓。硼的濃度在3.10 × 1018 原子／立方公分至8.43 × 1018 原子／立方公分的範圍。
在另一個實施態樣中，用氮和氫摻雜矽晶圓。氮濃度不低於5 × 1012 原子／立方公分且不高於3.5 × 1013 原子／立方公分。氫濃度不低於3 × 1013 原子／立方公分且不高於8 × 1013 原子／立方公分。
在一個實施態樣中，矽晶圓具有磊晶層，磊晶矽晶圓為p／p+摻雜，並且包括BMD核，通過IR斷層攝影測定，BMD核在矽晶圓半徑上的平均密度不小於1 × 105 ／立方公分且不大於1 × 107 ／立方公分。此外，BMD核的密度沿磊晶矽晶圓的半徑的變化小。從磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD核的密度變化不超過平均值的20%。
在一個實施態樣中，矽晶圓具有磊晶層，該磊晶層為p／p-摻雜，並且在1000°C的溫度下熱處理16小時之後，在矽基材晶圓區域中的BMD密度從磊晶矽晶圓的中心至邊緣不小於1 × 108 ／立方公分，較佳不小於5 × 108 ／立方公分。此外，BMD的密度沿磊晶矽晶圓的半徑的變化小。從磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD密度的變化不超過平均值的20%。
根據本發明的矽晶圓可以根據本發明通過包括以下步驟的方法而製備： a) 在坩堝中提供矽熔體； b) 根據柴可斯基（CZ）方法從熔體提拉矽單晶，將氧氣摻入該單晶中； c) 在提拉矽單晶的過程中，對該熔體施加水平磁場； d) 在提拉單晶的過程中，旋轉正在生長的晶體和坩堝； e) 藉由加工該矽單晶而提供矽晶圓； 其中所施加的水平磁場在坩堝的中央的磁通密度為1900至2600高斯（Gs），並且正在生長的晶體以至少8轉／每分鐘的轉速（rpm）旋轉。
在一個實施態樣中，磁通密度為2000至2400高斯。
在另一個實施態樣中，磁通密度為2150至2350高斯。
以SI單位表示，1高斯= 0.1毫特斯拉（mT）。
較佳地，晶體和坩堝以相同的方式旋轉。
在另一個實施態樣中，以0.3至0.8轉／每分鐘的轉速旋轉坩堝。
在特別較佳的實施態樣中，正在生長的晶體以至少10轉／每分鐘的轉速旋轉。
提供矽晶圓的方法包括將晶體切割成晶圓，隨後對矽晶圓的側面和邊緣進行各種機械和化學-機械加工步驟。
在一個實施方案中，矽晶圓在經拋光之側面上具有磊晶層。
已經發現，只有當磁通密度在上述範圍內並且符合特定的最小速度用於晶體旋轉時，可以實現矽晶圓的均勻徑向氧分佈，這也考慮到矽晶圓的完整邊緣區域。
當施加高的磁通密度，例如2700高斯時，在300毫米晶圓的情況下，例如在距離晶圓中心140至150毫米的區域中，發現邊緣處的氧濃度顯著下降。其效果是在晶圓的整個半徑上氧濃度的徑向變化會大於10%。
當晶體的旋轉速度小於8轉／每分鐘時，同樣在邊緣處發現氧濃度的這種降低。晶體和坩堝本身的已知的旋轉係藉助合適的驅動單元進行。
特別有利的是，儘管磁場降低，但是提拉晶體可以在沒有LPit和COP的情況下進行。迄今為止，均係認為需要高的磁通密度（例如3000高斯）來均化V／G。
藉由使氧濃度的邊緣減小降低，可以在磊晶矽晶圓的邊緣處或在已經進行熱處理的矽晶圓中保持高的BMD密度。
在一個實施態樣中，製備p／p+摻雜的磊晶矽晶圓。為此，在提拉單晶的過程中向單晶中摻入氧和硼，單晶中氧的濃度不小於5 × 1017 原子／立方公分且不大於6×1017 原子／立方公分，並且單晶的電阻率不小於5毫歐姆-公分（mΩcm）且不大於10毫歐姆-公分。
在加強BMD核的產生及其穩定化的條件下對單晶進行提拉和冷卻時，為了穩定BMD核而在磊晶之前對矽基材晶圓進行的熱處理是不必要的。
具體而言，單晶應該在1000°C至800°C的溫度範圍相對緩慢地進行冷卻，在這種情況下，在該溫度範圍內的冷卻速率不小於0.5°C／分鐘且不大於1.2°C／分鐘。
單晶係在以下條件下提拉：在該條件下，將較低濃度的氧和較高濃度的硼摻入到單晶中。為了調節單晶中的硼濃度，係用硼摻雜熔體。
此外，單晶係在以下條件下提拉：在該條件下，可以形成其中相對於間隙矽原子，空位係作為主要的點缺陷（v區域）的單晶矽。
對提拉的單晶進行加工以形成單晶矽的基材晶圓。在加工步驟之後，基材晶圓具有經拋光的邊緣和至少一個經拋光的側面。較佳地，二個側面，即前側和後側均被拋光。
矽的磊晶層沉積於基材晶圓的經拋光側面上或經拋光的前側上。即使在邊緣區域中，所得到的磊晶矽晶圓也具有大量的可以生長為BMD的BMD核。
在標準測試後，例如在1000o C的溫度下熱處理16小時，或在780o C的溫度下進行第一次熱處理3小時，隨後在1000o C的溫度下進行第二次熱處理16小時，在磊晶矽晶圓的基材晶圓的區域中從磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD密度不小於1 × 108 ／立方公分，較佳不小於5 × 108 ／立方公分。此外，沿磊晶矽晶圓的半徑的BMD密度變化小。從磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD密度的變化不超過平均值的20%。
在另一個實施態樣中，熔體摻雜有氧、氮和氫。氧的濃度不小於4.9 × 1017 原子／立方公分且不大於5.7 × 1017 原子／立方公分，氮的濃度不小於5 × 1012 原子／立方公分且不大於3.5 × 1013 原子／立方公分，氫的濃度不小於3 × 1013 原子／立方公分且不大於8 × 1013 原子／立方公分。
此外，單晶係在以下條件下提拉：在該條件中，可以形成其中相對於間隙矽原子，空位作為主要的點缺陷（v區域）的單晶矽。
氫的存在抑制了OSF缺陷的核的形成，並且有助於使BMD的密度的徑向分佈更加均勻，特別是在矽晶圓的邊緣區域中。因此，矽晶圓中的氫濃度應不小於3 × 1013 原子／立方公分。在含有氫的氣氛中提拉單晶，氫的分壓較佳不小於5帕（Pa）且不大於15帕。
從生長的晶體分離矽晶圓並進一步加工。在這種情況下，對矽晶圓的上側和下側表面以及邊緣進行一或多個機械加工步驟和至少一次拋光。磊晶層較佳沉積於矽晶圓的拋光的側面上。矽晶圓和磊晶層摻雜有電活性的摻雜劑，例如硼，較佳根據pp--摻雜的磊晶矽晶圓的摻雜。
通過IR斷層攝影測定的矽晶圓半徑上的平均BMD核的密度不小於1 × 105 ／立方公分且不大於1 × 107 ／立方公分。從磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD核的密度的變化不超過平均值的20%。
儘管有磊晶層的沉積，由磊晶層在矽晶圓的正面上沉積而形成的具有磊晶層的矽晶圓具有能夠形成BMD的能力，該BMD的密度足夠為矽晶圓賦予如內部吸氣劑的所需效果。然而，BMD的密度保持足夠低，並且其徑向分佈足夠均勻，從而避免由於覆蓋缺陷而引起的問題。
BMD較佳在磊晶層中的電子元件的製備過程中形成，並且其中涉及熱處理。然而，它們也可以藉由在沉積磊晶層之後且在製備電子元件之前對矽晶圓進行一或多個熱處理而形成。
關於根據本發明的矽晶圓的上述實施態樣或者根據本發明的磊晶矽晶圓所限定的特徵，可以相應地用於根據本發明的製備方法。反過來說，關於上述根據本發明的方法的實施態樣所限定的特徵可以相應地用於根據本發明的矽晶圓，或者根據本發明的磊晶矽晶圓。根據本發明的實施態樣的這些以及其他特徵將在附圖的描述和申請專利範圍中進行解釋。各個特徵可以單獨地或組合地在本發明的實施態樣中實施。此外，它們可以對可單獨保護的有利實施態樣進行描述。
在下面的實施例中，根據本發明的方法生長了直徑為約300毫米的晶體。在這些晶體，或者由其製備的錠塊或矽晶圓上測定徑向氧變化。
第1圖顯示在不同磁通密度下（3000高斯、2800高斯、2720高斯、2420高斯、2350高斯），利用FTIR測定的徑向氧分佈。
晶體旋轉為10轉／每分鐘，坩堝旋轉為0.3轉／每分鐘。晶體和坩堝以相同的方式旋轉。
磁通密度越低，邊緣的下降則越低。
在磁通密度為2350高斯的情況下，徑向氧變化為2.3%。
在進一步的測量中，發現在磁通密度為2150至2350高斯的情況下，徑向氧變化甚至常常小於2%。
第2圖顯示在邊緣區域（R = 140至150毫米）中第1圖的徑向氧分佈。
超過約144毫米的徑向位置，發現在磁通密度大於2700高斯的情況下，氧濃度顯著下降。
第3圖顯示在磁通密度為2150高斯和3000高斯的情況下利用FTIR測定的徑向氧分佈。晶體旋轉為10轉／每分鐘，坩堝旋轉為0.3轉／每分鐘。晶體和坩堝以相同的方式旋轉。
如果考慮整個半徑，則發現在2150高斯的情況下徑向氧變化為3.1%，且在3000高斯的情況下為19.2%。
然而，如果不考慮10毫米的邊緣區域，即僅測定從R = 0至R = 140毫米的徑向氧變化，則發現在2150高斯的情況下為2.5%，在3000高斯的情況下為5.4%。
這表明在過高的磁場的情況下，邊緣處的氧濃度（R = 140至150毫米）顯著下降。
第4圖顯示在不同晶體旋轉的情況下利用FTIR測定的徑向氧分佈。坩堝旋轉為0.3轉／每分鐘。晶體旋轉變化：4轉／每分鐘、6轉／每分鐘、8轉／每分鐘和10轉／每分鐘。磁通密度為2300高斯。
發現隨著晶體旋轉的降低，氧濃度顯著降低。這種下降在約80毫米的徑向距離處已經開始。
在晶體旋轉為10轉／每分鐘的情況下，發現徑向氧變化為1.5%。
上述示例性的實施態樣應以實施例的方式來解釋。因此，一方面，所實施的本揭露可以使本領域熟習此項技術者理解本發明及其相關的優點，另一方面，本揭露還包括在本領域熟習此項技術者的認知範圍內很明顯的對所描述結構和方法進行的變化和修改。所有這些變化和修改以及等同物都應涵蓋在申請專利範圍的保護範圍內。
第1圖顯示在不同磁通密度下的徑向氧分佈。 第2圖顯示在不同磁通密度下的徑向氧分佈。 第3圖顯示在不同磁通密度下的徑向氧分佈。 第4圖顯示在不同晶體旋轉下的徑向氧分佈。

Claims (14)

  1. 一種具有至少300毫米直徑之矽晶圓，其由根據柴可斯基(CZ)法所提拉的矽單晶切割而成，其具有小於7%的氧濃度的徑向變化，該氧濃度的徑向變化係根據(Omax-Omin/Omin)* 100%計算而得，其中Omax表示在矽晶圓的整個半徑上所測得的最大氧濃度，Omin表示在矽晶圓的整個半徑上所測得的最小氧濃度。
  2. 如請求項1所述的矽晶圓，其中該氧濃度的徑向變化小於5%。
  3. 如請求項2所述的矽晶圓，其中該氧濃度的徑向變化小於2%。
  4. 如請求項1至3中任一項所述的矽晶圓，其中該矽晶圓摻雜有氮，並且氮濃度不小於5×1012原子/立方公分且不大於3.5×1013原子/立方公分。
  5. 如請求項1至3中任一項所述的矽晶圓，其中該矽晶圓中的氧濃度為5×1017原子/立方公分至6×1017原子/立方公分。
  6. 如請求項5所述的矽晶圓，其中該矽晶圓摻雜有氫，並且氫濃度不小於3×1013原子/立方公分且不大於8×1013原子/立方公分。
  7. 一種p/p+摻雜的磊晶矽晶圓，其包含如請求項1至6中任一項所述的矽晶圓作為基材，該磊晶矽晶圓包含BMD核，該BMD核在矽晶圓半徑上的平均密度不小於1×105/立方公分且不大於1×107/立方公分，從該磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD核的密度變化不超過平均值的20%。
  8. 如請求項7所述的磊晶矽晶圓，其電阻率不小於5毫歐姆-公分(mΩcm)且不大於10毫歐姆-公分。
  9. 一種p/p-摻雜的磊晶矽晶圓，其包含如請求項1至6中任一項所述的矽晶圓作為基材，在1000℃的溫度下熱處理16小時之後，該磊晶矽晶圓在矽基材晶圓區域中的BMD密度從該磊晶矽晶圓的中心至邊緣係不小於1×108/立方公分，從該磊晶矽晶圓的中心到邊緣的BMD密度的變化不超過平均值的20%。
  10. 一種製備如請求項1至6中任一項所述的矽晶圓的方法，其包括：a)在坩堝中提供矽熔體；b)根據柴可斯基(CZ)方法從熔體提拉矽單晶，將氧氣摻入該單晶中；c)在提拉矽單晶的過程中，對熔體施加水平磁場；d)在提拉單晶的過程中，旋轉正在生長的晶體和坩堝；e)藉由加工該矽單晶而提供矽晶圓；其中所施加的水平磁場在坩堝的中央的磁通密度為1900至2600高斯(Gs)，並且正在生長的晶體以至少8轉/每分鐘(rpm)的轉速旋轉。
  11. 如請求項10所述的方法，其中該磁通密度為2000至2400高斯。
  12. 如請求項11所述的方法，其中該磁通密度為2150至2350高斯。
  13. 如請求項10至12中任一項所述的方法，其中晶體和坩堝以相同的方式旋轉，並且其中坩堝以0.3至0.8轉/每分鐘的轉速旋轉。
  14. 如請求項10至12中任一項所述的方法，其中晶體以至少10轉/每分鐘的轉速旋轉。
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