CN103328696A - 单晶硅晶片的制造方法及退火晶片 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种单晶硅晶片的制造方法,其是在非氮化性环境下,以1150~1300℃,对单晶硅晶片进行1~120分钟的热处理,其中,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而得,并且氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014atoms/cm3。由此,提供一种单晶硅晶片的制造方法,其使用以能够对应大口径的CZ法制造而成的V区域的晶片,消除主体中的缺陷,并且即使不进行中子照射,面内电阻率分布也与进行中子照射时为相同水平,由此,制造一种可以应用于IGBT的低成本的单晶硅晶片。
Description
技术领域
本发明涉及一种例如IGBT用单晶硅晶片的制造方法。
背景技术
作为适合像绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)这种垂直型硅器件的晶片(wafer),通常使用以悬浮区熔法(Floating ZoneMethod,FZ法)制造而成的导电型为N型的晶片。IGBT由于是纵向地使用晶片的元件,因而受到晶片主体(bulk)的质量的影响。因此,一直使用容易获得缺陷较少的晶片的FZ法。
但是,利用FZ法的晶片难以大口径化,不适于大量生产。因此,已经提出利用直拉法(Czochralski Method,CZ法)制造而成的以下晶片:缺陷区域为N区域、掺杂氮且氧浓度较低的晶片(专利文献1);或,N区域、氧浓度较低且经过快速热退火(Rapid Thermal Annealing,RTA)处理的晶片(专利文献2)。
另外,CZ法中的晶片的缺陷区域,显著依存于单晶硅棒的提拉速度而变化。生长(grow in)缺陷被认为是在提拉速度较高的区域中,称作空位(Vacancy)的点缺陷即电洞集聚的空隙,该缺陷高密度地存在于结晶直径方向的大致全部区域上,存在这些缺陷的区域则称为V区域。并且,如果放慢提拉速度,那么结晶周边部所产生的氧化诱生层错(Oxidation-Induced Stacking Faults,OSF)环将朝向结晶内部收缩,最终消失。如果进一步放慢提拉速度,那么将出现空位和晶格间硅(Interstitial Silicon)并无过多或过少(较为平均)的N(Neutral)区域(中性区域)。
由于用以获得此N区域的单晶硅的提拉速度的范围较窄,且产率较差,因而晶片的成本较高,但由于结晶中几乎无缺陷,因此而被用作IGBT用晶片。
对于IGBT用晶片,如果晶片面内和纵向的电阻率的偏差较大,那么在元件之间将产生电阻率差,而导致破损。
因此,作为IGBT用晶片,还提出一种面内电阻率分布为5%以下的晶片(专利文献3、专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:WO2009/025337
专利文献2:WO2009/025342
专利文献3:日本特开2010-62466号公报
专利文献4:WO2009/028658
发明内容
发明所要解决的课题
但是,上述晶片是通过对N区域、氧浓度较低的晶片进行掺杂氮、RTA处理、及中子照射,以消除主体中的缺陷,并改善面内电阻率分布,因而前提是使用N区域的晶片。因此,成本较高,产率较差。
本发明是鉴于上述问题而完成的,其目的在于提供一种方法,所述方法是使用以能够对应大口径的CZ法制造而成的V区域的晶片,消除主体中的缺陷,并且即使不进行中子照射,面内电阻率分布也与进行中子照射时为相同水平,由此,制造一种可以应用于IGBT的低成本的单晶硅晶片。
解决课题的方法
为了实现上述目的,本发明提供一种单晶硅晶片的制造方法,其特征在于,其是在非氮化性环境下,以1150~1300℃对单晶硅晶片进行1~120分钟的热处理,其中,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而得,并且氧浓度不足7ppma(使用日本电子工业发展协会(Japan Electronic Industry Development Association,JEIDA)的换算系数),氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3(atoms/cm3)。
如果为上述单晶硅晶片,那么即便使用V区域的单晶硅,通过在非氮化性环境下,以1150~1300℃进行1~120分钟的热处理,也可以有效地降低表层中的结晶缺陷,继而降低主体中的结晶缺陷,并且还可以改善晶片的电阻率的面内偏差。因此,在本发明的制造方法中,由于是使用生产率良好的V区域的单晶硅晶片,并且在不进行中子照射的前提下,电阻率的面内偏差也得以改善,可以制造适合于IGBT的晶片,因此,可以提高IGBT用晶片制造的生产率,并降低成本。
此时,优选为,通过进行前述热处理,使前述单晶硅晶片的主体中的缺陷尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度为2×106/cm3以下。
通过如此地设定结晶缺陷的密度,可以使晶片适合于IGBT等,且质量较高。
此时,优选为,通过进行前述热处理,使前述单晶硅晶片的电阻率的面内偏差为5%以下。
这样一来,如果是本发明的方法,那么可以在不进行中子照射的前提下,以热处理来改善电阻率的面内偏差,可以使晶片的成本较低且质量较高。
此时,优选为,使前述单晶硅晶片,以导电型为N型的方式用于IGBT用途的器件。
如果为本发明的制造方法,那么能以低成本、且生产率良好地制造此种用作IGBT用途的器件的晶片。
并且,本发明提供一种退火晶片,特征在于:是将单晶硅晶片热处理制造而成,其中,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而得,并且氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3,并且,该退火晶片的主体中的缺陷尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度为2×106/cm3以下。
如果为此种退火晶片,那么由于是由可以产率良好地培育的V区域的单晶硅棒而得,因此成本较低,由于主体中的结晶缺陷非常少,因此适合作为IGBT用晶片。
此时,优选为,前述退火晶片的电阻率的面内偏差为5%以下。
如果为此种晶片,那么当制作元件时,就可以防止发生故障,并提高晶片的产率。
此时,优选为,前述退火晶片,是以导电型为N型的方式用于IGBT用途的器件。
这样一来,本发明的退火晶片适合用于IGBT用途的器件。
发明的效果
如上所述,根据本发明,可以使用V区域的单晶硅晶片,以低成本、且生产率良好地制造一种适合IGBT的退火晶片。
附图说明
图1是表示在实施例1、比较例1中经过热处理的晶片的缺陷的评估结果的图。
图2(a)是表示在晶片面内的缺陷尺寸的图表,图2(b)是表示根据氮浓度的缺陷区域的图。
具体实施方式
以下,作为实施方式的一个实例,详细地说明本发明,但是本发明并不限定于这些例子。
首先,本发明的退火晶片是将单晶硅晶片热处理制造而成,其中,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而得,并且氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3;并且,该退火晶片的主体中的缺陷尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度为2×106/cm3以下。
如果为此种退火晶片,那么由于成为问题的大小的结晶缺陷在主体中非常少,因此,作为例如在晶片的纵向(厚度方向)上形成有元件的适合IGBT的晶片,较为适宜。并且,由于是由V区域的单晶硅棒而得,因此可以生产率良好地制造。
此时,优选为,本发明的退火晶片的电阻率的面内偏差为5%以下。
如果为此种在不使用中子照射的前提下、利用热处理使电阻率的均匀性提高到上述范围的晶片,那么就可以作为质量高且价格低的IGBT用晶片。
如果此种本发明的退火晶片的导电型为N型,那么就适合作为用于IGBT用途的器件的晶片。
作为制造如上所述的本发明的退火晶片的方法的一例,以下,说明本发明的单晶硅晶片的制造方法。
在本发明的单晶硅晶片的制造方法中,是在非氮化性环境下,以1150~1300℃,对单晶硅晶片进行1~120分钟的热处理,其中,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而得,并且氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3。
在本发明中,利用例如,磁控直拉(Magnetic Czochralski,MCZ)法,一边控制提拉速度等以便使缺陷区域成为V区域,并且一边培育单晶硅棒,使氧浓度为不足7ppma。此时,掺杂氮气,使氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3。并且,例如当使导电型为N型时,作为掺杂剂,还可以掺杂磷(P)、砷(As)、及锑(Sb)等。
并且,通过将这样培育的单晶硅棒切片,并进行研磨等,可以制作一种单晶硅晶片,所述单晶硅晶片的氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3,且整面为V区域。
这样一来,以往是使用N区域的晶片来用于IGBT,但在本发明中,由于可以使用V区域的晶片,因此,可以扩大培育硅棒时的提拉速度的裕度(margin),并提高晶片制造的生产率。并且,由于使用CZ法,因此容易获得大口径的晶片。
此时,如果氮浓度不足1×1013原子/cm3,晶片的氧析出物的尺寸将增大,主体内部的缺陷难以通过后续工序的热处理而消失。当氮浓度大于1×1014原子/cm3时,晶片外周形成有OSF区域。
并且,本发明的单晶硅晶片的氧浓度不足7ppma,优选为5ppma以下,如果为此种极低的氧浓度,晶片中的缺陷就可以通过热处理而充分消失,另一方面,如果氧浓度为7ppma以上,那么缺陷将难以通过热处理而消失,尤其是主体中的缺陷将大量残留。
这样一来,在本发明中,通过使氧浓度与氮浓度为上述范围,当利用MO601(三井金属(MITSUI MINING&SMELTING CO.,LTD.)制造),以红外线的散射强度来评估晶片中的氧析出物尺寸时,减小为250a.u.以下,容易通过后续热处理而使缺陷消失。
然后,对此种单晶硅晶片,例如利用立式热处理炉,在Ar、H2、Ar+O2等非氮化性环境下,以1150~1300℃进行1~120分钟的热处理。
在此热处理中,表层的氧向外扩散,并且,主体中的生长缺陷的内壁的氧化膜溶解,且空洞缩小,进一步空洞被填埋,由此,可以使主体中的缺陷尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度为2×106/cm3以下。
此时,如果在NH3、N2等氮化性环境下进行热处理,那么在晶片表面将形成氮化膜,阻碍氧向外扩散,而无法使缺陷充分消失。
并且,热处理温度如果不足1150℃,缺陷的消失就不充分,如果超过1300℃,就可能会产生滑动错位。并且,此热处理温度为1200℃以下,由于可以确实地防止产生滑动错位,因而优选。热处理时间如果为1分钟以上,就可以有效地实现缺陷的消失,如果为120分钟以下,则充分,并且可以抑制滑动错位的产生。
通过此热处理,可以使晶片的电阻率的面内偏差为5%以下。
以往,为了获得此种面内均匀的电阻率,需要中子照射,而此处理将导致成本增高。但是,本发明人等根据如下见解,发现了一种由热处理所实施的电阻率均匀化的方法。
磷(P)等掺杂物的扩散并非是在掺杂物单体中扩散,而是在成对的掺杂物与I(Si)(晶格间硅)中扩散。尤其,当存在空位时,将促进掺杂物+I(Si)的扩散。
因此,当对本发明的掺杂氮+低氧晶片进行上述高温热处理时,由于将引起氮气的向外扩散,并且氧较少,因此,将产生过量的空位。发现由于产生此大量的空位,而使掺杂物+I(Si)的扩散得以被促进,电阻率向均匀方向变化。
通过此种本发明的热处理,可以获得与中子照射同等以上的电阻率均匀化,从而可以有效地降低IGBT用晶片的制造成本。
如果为如上所述的本发明的单晶硅晶片的制造方法,就能以低成本、且生产率良好地制造一种晶片,所述晶片是以使导电型为N型的方式,用于适合IGBT用途的器件中。
但是,本发明的退火晶片及利用单晶硅晶片的制造方法制造而成的晶片,也可以用于IGBT以外的元件。
[实施例]
以下,示出实施例和比较例,更为具体地说明本发明,但是本发明并不限定于这些例子。
(实施例1、比较例1)
(氧浓度的临界性意义的证明)
将利用直拉法而得的氮浓度为5×1013原子/cm3且为V区域的单晶硅晶片,准备氧浓度为4ppma、6ppma、及8ppma(JEIDA)这三种,在Ar环境下,以1170℃进行1小时的热处理。
对于此经过热处理的晶片,使用MO601(三井金属制造),评估尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度。MO601可以评估表层5μm附近的缺陷。
在评估时,主体中的缺陷评估,是进行深度方向研磨(目标为50μm、100μm),并以MO601进行评估。此评估方法可以评估研磨面的整面。
评估结果示于图1、及表1。
表1
如图1、表1所示,当氧浓度为8ppma时,即使进行热处理,尤其在主体中仍残留缺陷,无法使主体中的缺陷密度为2×106/cm3以下。另一方面,为4~6ppma时,缺陷密度为2×106/cm3以下,尤其为5ppma以下时,主体中也未检测出缺陷。因此,可知,氧浓度优选为不足7ppma,尤其优选为5ppma以下。
(实施例2、比较例2)
(氮浓度的临界性意义的证明)
将利用直拉法而得的氧浓度为4ppma(JEIDA)且为V区域的单晶硅晶片,准备氮浓度不足1×1013原子/cm3、2×1013原子/cm3、5×1013原子/cm3、及2×1014原子/cm3这四种,在Ar环境下,以1170℃进行1小时的热处理。
利用与实施例1、比较例1相同的方法,进行缺陷评估,结果示于表2。
表2
由表2可知,氮浓度不足1×1013原子/cm3时,中心部分的缺陷的尺寸较大,即使在热处理后,表层和主体仍残留缺陷。
图2(a)是表示热处理前的单晶硅中的缺陷尺寸的图表,图2(b)表示以MO601测定单晶硅表面的缺陷区域的结果。如图2(a)所示,如果氮浓度增高,中心部分的缺陷尺寸将减小,如图2(b)所示,虽然是由以相同条件提拉而成的单晶所获得的晶片,但是,氮浓度为2×1014原子/cm3的晶片的氮浓度过量,在V区域的外周形成OSF区域。这样一来,如果氮浓度超过1×1014原子/cm3,将在外周形成OSF区域。
(实施例3、比较例3)
准备利用直拉法而得的氮浓度为5×1013原子/cm3、氧浓度为4ppma(JEIDA)且为V区域的单晶硅晶片,在Ar环境下,进行1小时的热处理。热处理温度是分别以1130℃、1150℃、1170℃、1200℃、及高于1300℃的温度(>1300℃)进行。
利用与实施例1、比较例1相同的方法,进行缺陷评估。并且,利用平面同步辐射(synchrotron radiation,SR),测定面内电阻率分布。结果示于表3。
表3
热处理温度(℃) | 1130 | 1150 | 1170 | 1200 | >1300 |
表层缺陷(/cm2) | 1.5 | 0.008 | 0.001 | 0.00 | 0.004 |
主体中缺陷(/cm3) | 5E6 | 0 | 0 | 0 | 0 |
滑动错位 | 无 | 无 | 无 | 无 | 有 |
面内电阻率分布(%) | <7 | <5 | <5 | <5 | <5 |
如表3所示,如果热处理温度为1130℃,将残留有缺陷,并且,电阻率的均匀化也不充分。另一方面,如果为1150~1200℃,缺陷将消失,电阻率均匀。并且,如果热处理温度高于1300℃,将产生滑动错位。
另外,本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式为例示,具有和本发明的权利要求书中记载的技术思想实质上相同的构成、且起到同样的作用效果的技术方案,均包含在本发明的技术范围内。
Claims (7)
1.一种单晶硅晶片的制造方法,其特征在于,其是在非氮化性环境下,以1150~1300℃,对单晶硅晶片进行1~120分钟的热处理,并且,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而获得,并且氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3。
2.如权利要求1所述的单晶硅晶片的制造方法,其中,通过进行前述热处理,使前述单晶硅晶片的主体中的缺陷尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度为2×106/cm3以下。
3.如权利要求1或2所述的单晶硅晶片的制造方法,其中,通过进行前述热处理,使前述单晶硅晶片的电阻率的面内偏差为5%以下。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的单晶硅晶片的制造方法,其中,使前述单晶硅晶片以导电型为N型的方式用于绝缘栅双极型晶体管用途的器件。
5.一种退火晶片,其特征在于,其是将单晶硅晶片热处理制造而成,所述单晶硅晶片是利用以直拉法培育而成的V区域的单晶硅棒而获得,并且氧浓度不足7ppma,氮浓度为1×1013~1×1014原子/cm3,并且,该退火晶片的主体中的缺陷尺寸为15nm以上的结晶缺陷的密度为2×106/cm3以下。
6.如权利要求5所述的退火晶片,其中,前述退火晶片的电阻率的面内偏差为5%以下。
7.如权利要求5或6所述的退火晶片,其中,前述退火晶片是以导电型为N型的方式用于绝缘栅双极型晶体管用途的器件。
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