CN105316767A - 超大规模集成电路用硅片及其制造方法、应用 - Google Patents

超大规模集成电路用硅片及其制造方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种由切克劳斯基法（Czochralski法，CZ法）所生长的单晶硅棒切割成的超大规模集成电路（Very？Large？Scale？Integrated？circuits，VLSI）用硅片及其制造方法、应用，在通过掺杂氮确保表层无缺陷的同时，实现氧析出物的无害化。硅片制备方法包括：在拉晶炉内使单晶硅棒冷却到1100℃~1150℃，控制冷却速度为0.1℃/分钟~1℃/分钟，使单晶硅棒的氧浓度为5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度为5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度为1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3；将单晶硅棒制作成硅片，在非活性气体中于1150℃~1250℃的温度下加热45分钟~180分钟。所得硅片厚度中心氧析出物密度为1x107/cm3~5x108/cm3，硅片表面的氧析出物的无缺陷区域在15μｍ以上。

Description

超大规模集成电路用硅片及其制造方法、应用
技术领域
本发明涉及一种超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegratedcircuits，VLSI）用硅片及其制造方法、应用，在通过掺杂氮确保表层无缺陷的同时，实现氧析出物的无害化。
背景技术
采用切克劳斯基法（Czochralski法，CZ法）制作的单晶硅棒广泛应用于超大规模集成电路用硅片的制造上。在这样的单晶硅棒中，在单晶制备期间带入的氧以过饱和状态存在，它会在后续的过程中沉积，在硅片内形成氧析出物（oxygenprecipitates）。近几年伴随电子元器件集成度的提高，对硅片品质也提出更高的要求，特别是用于电子元器件的硅片及其表面以及表面以下数微米的范围内不能有氧析出物、格子缺陷等结晶缺陷的存在。
在通过CZ法生长单晶硅棒时进行氮掺杂，可以有效抑制空洞缺陷或减小空洞尺寸，通过后续的热处理工艺可以有效地使格子缺陷消失。另外，通过组合碳、氢和氮使格子缺陷消失的方法也被应用。
专利CN101748491A（退火晶片和制备退火晶片的方法）中公开了氮掺杂对Cu的吸杂效果增强的退火晶片的制造方法，具体为：在650到800℃的温度下加热氮浓度为5x1014到1x1016/cm3，碳浓度为1x1015到5x1016/cm3，氧浓度为6x1017到11x1017/cm3的硅基板4小时或更长时间，并在1100到1250℃的温度下对加热的基板进行氩退火。该专利与本申请虽然技术领域相同，均为晶片制造领域，但是该专利主要强调退火硅片内生缺陷对金属Cu的吸杂能力；该专利氮浓度较高，提高了晶体生长的难度；且其氧析出物密度在成5x108/cm3以上，使得硅片的机械强度降低，导致在制造电子元器件过程中硅片很容易发生弯曲、破裂问题，由于这种密度的氧析出物，在硅片应用于功率器件时，易导致器件性能劣化。
此外，硅单晶体切成的硅半导体晶片表面部分容易出现铬、铁、镍及铜等重金属杂质，制造电子装置时该装置的特性将遭到破坏。所以需将这些重金属杂质局限于远离该装置活性区的部位（即远离表面层部分）。因此距半导体晶片表面的无缺陷区深度更深的话，容易实现性能优良的器件，尤其是使得该硅片应用于高成品率的横型功率器件等向深度方向阻挡层扩大的设备成为可能。
针对现有技术的不足，本申请提供一种超大规模集成电路用硅片，通过氮掺杂确保表层无缺陷的同时，实现氧析出物的无害化，其无缺陷层深度可达15um以上，硅片中产生的氧析出物密度变成1x107-5x108/cm3，使得单晶硅片用于功率器件成为可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种超大规模集成电路用硅片及其制造方法、应用，在通过掺杂氮确保表层无缺陷的同时，实现氧析出物的无害化。本发明采用CZ法制作的单晶硅棒，使之具有特定范围的氧浓度、氮浓度和碳浓度，再对硅片进行特定条件的热处理，实现了以上目的。
具体而言，本发明提供一种超大规模集成电路用硅片的制造方法，包括：采用CZ法制备单晶硅棒，在拉晶炉内使单晶硅棒冷却到1100℃~1150℃，控制冷却速度为0.1℃/分钟~1℃/分钟，使单晶硅棒的氧浓度为5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度为5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度为1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3；将所述单晶硅棒制作成硅片，在一非活性气体中，于1150℃~1250℃的温度下加热45分钟~180分钟。
通过以上制造方法制作的硅片，表面的无缺陷层和硅片内部的缺陷密度达到平衡，使硅片内部具有适当的氧析出物，实现了氧析出物的无害化，并且避免出现格子缺陷，从而使单晶硅片用于功率器件成为可能。
进一步地，在进行所述热处理时，在700℃时将硅片插入，降温到700℃时将硅片取出。
进一步地，在进行所述热处理时，700到900℃期间，升温速率为5-15℃/min；900到1100℃期间，升温速率为2-8℃/min；1100到1250℃期间，升温速率为0.5-2℃/min；降温速率与升温速率保持一致。
进一步地，在进行所述热处理时，热处理气氛为Ar气氛，在1200℃的温度下保持1小时。
进一步地，在进行所述热处理时使用竖型热处理炉。
本发明还提供一种超大规模集成电路用硅片，其采用CZ法制作的单晶硅棒得到氧浓度5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3的单晶硅片，进行热处理后，硅片厚度中心氧析出物密度为1x107/cm3~5x108/cm3。该硅片不会对功率器件的动作特性产生影响，并且显示出充分的不纯物吸气、除气效果。
本发明还提供一种超大规模集成电路用硅片，其采用CZ法制作的单晶硅棒得到氧浓度5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3的单晶硅片，进行热处理后，硅片表面的氧析出物的无缺陷区域在15μｍ以上。利用该硅片使制备高成品率的横型功率器件等向深度方向阻挡层扩大的设备成为可能。
本发明还提供一种超大规模集成电路用硅片的应用，所述硅片用于功率器件。
具体实施方式
拉制单晶硅棒的晶体生长炉为一般的CZ法拉晶炉。对单晶硅棒进行氮掺杂有多种方式，可将氮化硅粉或硅片上的氮化膜与原料一起溶解，或通过气体加入氮和氨。碳掺杂是通过添加碳素粉末或直接把碳素板放入原料中一起溶解。由于掺杂元素的添加量与单晶硅棒中元素掺杂浓度密切相关，因此需要根据掺杂元素的添加量来控制单晶硅棒中对应的元素浓度。
已知无缺陷区的深度及半导体晶片内侧微细缺陷的密度视硅单晶体内的氧浓度及氮浓度及单晶体生长过程中的冷却速率而定。因此，利用氧浓度、氮浓度及冷却速率控制无缺陷区深度及内侧的微细缺陷密度。
单晶硅棒中的氧浓度需要控制在5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3的范围内。如果氧浓度低于5x1017atoms/cm3，则硅片的机械强度低下；如果氧浓度超过7x1017atoms/cm3，则硅片内部氧析出物密度高于5x108/cm3，从而降低硅片的机械强度。
单晶硅棒中的氮浓度需要控制在5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3的范围内。如果氮浓度低于5x1013atoms/cm3，则形成不了表面及从表面约5μｍ深度的格子缺陷的无缺陷层，如果氮浓度超过1x1015atoms/cm3，则硅片内部氧析出物密度高于5x108/cm3，从而降低硅片的机械强度。
单晶硅棒中的碳浓度需要控制在1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3的范围内。如果碳浓度低于1x1015atoms/cm3，则采用CZ法拉制单晶硅棒的单晶炉需要使用特别的材料，从而不利于控制制造成本；如果碳浓度超过5x1016atoms/cm3，则硅片内部氧析出物密度高于5x108/cm3，从而降低硅片的机械强度。
在使用CZ法制备单晶硅棒时，拉晶炉内单晶硅棒冷却到1100℃~1150℃，冷却速度为0.1℃/分钟~1℃/分钟。根据该条件制备单晶硅棒，无需添加大量氮，就能使硅片厚度中心的氧析出物密度为1x107/cm3~5x108/cm3，从而可制造出机械强度高并且成本低的硅片。
根据上述CZ法拉制的单晶，通过一般的硅片加工工艺做成镜面硅片后，采用半导体制造常用的热处理炉进行热处理。热处理前，需要用氨或过氧化氢清洗硅片镜面，洗净后硅片表面氧化膜和氮化膜等不能超过1nm。
在进行热处理时，需要在非活性气体中控制加热温度为1150℃~1250℃，热处理时间为45分钟~180分钟。如果加热温度低于1150℃，则不能完全消除硅片表面附近的格子缺陷；如果加热温度高于1250℃，则会使硅片变形，并且增大热处理炉内污染的危险性。如果热处理时间低于45分钟，则不能完全消除硅片表面附近的格子缺陷；如果热处理时间高于180分钟，则热处理后硅片表面附近的格子缺陷消除深度没有太大变化，从而不利于控制制造成本。
进行热处理时，炉内700℃时将硅片插入，700到900℃期间，升温速率为5-15℃/min；900到1100℃期间，升温速率为2-8℃/min；1100到1250℃期间，升温速率为0.5-2℃/min；降温速率与升温速率保持一致，降温到700℃时将硅片取出。如果升降温速率太快，硅片表面容易出现滑移和位错，不利于大规模集成电路制造；如果升降温速率太慢，对于硅片性能没有太大改善，不利于控制制造成本。
非活性气体可以选用成本较低的Ar气体。也可选用He和Xe等气体，但会增加制作成本，并且由于He导热性高，需要热处理炉具有特别的构造，还会大大增加硅片被污染的可能性。另外，非活性气体中如果加入氧和氮等的混合物，会使热处理后的硅片镜面粗糙度增大，所以需要配备Ar纯化装置，可在热处里炉中于硅片装填部设置清洗盒。
实施例1
采用CZ法培育8英寸P型120Ωｃｍ的单晶硅棒。在多晶硅原料中加入氮化硅粉末，原料溶解后将碳板放入并沉浸10分钟，结晶后单晶硅棒中氧浓度为6x1017atoms/cm3，氮浓度为2x1014atoms/cm3，碳浓度为8x1015atoms/cm3。
将该单晶硅棒制作成镜面硅片，在竖型热处理炉中进行热处理。热处理气氛为Ar气氛，炉内700℃时将硅片插入，升温到1200℃时保持1小时，降温到700℃时将硅片取出。具体的升降温速率见表1：
温度范围 升温速率 降温速率
700℃-900℃ +10℃/min -10℃/min
900℃-1100℃ +5℃/min -5℃/min
1100℃-1200℃ +1℃/min -1℃/min
表1：镜面硅片热处理升降温速率
该硅片的表面缺陷采用红外扫描仪（Semilab社制）测定，测试结果显示该硅片表面到5μｍ为止无缺陷。采用Secco蚀刻液测定氧析出物密度，硅片表面到15μｍ为止没有产生氧析出物，在硅片厚度中心的氧析出物密度为2x107/cm3。
采用该硅片制成的MOS二极管，少子寿命约为0.3sec，少子寿命没有劣化。另外，为调查热处理时滑移位错情况，在竖型热处理炉中进行800℃温度下的高速插入抽出实验，实验后根据目视观察并未发现硅片滑移位错情况。
实施例2
采用CZ法培育8英寸P型120Ωｃｍ的单晶硅棒。在多晶硅原料中加入氮化硅粉末，原料溶解后将碳板放入并沉浸30分钟，结晶后单晶硅棒中氧浓度为5.5x1017atoms/cm3，氮浓度为5x1013atoms/cm3，碳浓度为2x1015atoms/cm3。
将该单晶硅棒制作成镜面硅片，采取与实施例1相同的方式进行热处理。
该硅片的表面缺陷采用红外扫描仪（Semilab社制）测定，测试结果显示该硅片表面到5μｍ为止无缺陷。采用Secco蚀刻液测定氧析出物密度，硅片表面到15μｍ为止没有产生氧析出物，在硅片厚度中心的氧析出物密度为1.5x107/cm3。
采取与实施例1一样的方法测试，发现少子寿命没有劣化，也未发现硅片滑移位错情况。
实施例3
采用CZ法培育8英寸P型120Ωｃｍ的单晶硅棒。在多晶硅原料中加入氮化硅粉末，原料溶解后将碳板放入并沉浸30分钟，结晶后单晶硅棒中氧浓度为6.5x1017atoms/cm3，氮浓度为8x1014atoms/cm3，碳浓度为4x1016atoms/cm3。
将该单晶硅棒制作成镜面硅片，采取与实施例1相同的方式进行热处理。
该硅片的表面缺陷采用红外扫描仪（Semilab社制）测定，测试结果显示该硅片表面到5μｍ为止无缺陷。采用Secco蚀刻液测定氧析出物密度，硅片表面到15μｍ为止没有产生氧析出物，在硅片厚度中心的氧析出物密度为4.0x108/cm3。
采取与实施例1一样的方法测试，发现少子寿命没有劣化，也未发现硅片滑移位错情况。
比较例1
采用CZ法培育出8英寸P型120Ωｃｍ的单晶硅棒。在多晶硅原料中加入氮化硅粉末，结晶后单晶硅棒中的氧浓度为6x1017atoms/cm3，氮浓度为2x1015atoms/cm3，碳浓度为8x1015atoms/cm3。
将该单晶硅棒制作成镜面硅片，采取与上述实施例相同的方式进行热处理。
该硅片的表面缺陷采用红外扫描仪（Semilab社制）测定，测试结果显示该硅片表面到5μｍ为止无缺陷。采用Secco蚀刻液测定氧析出物密度，硅片表面到12μｍ为止没有产生氧析出物，在硅片厚度中心的氧析出物密度为5x109/cm3。
采用该硅片制成的MOS二极管，少子寿命约为0.02sec，少子寿命发生劣化。另外，为调查热处理时滑移位错情况，在竖型热处理炉中进行800℃温度下的高速插入抽出实验，实验后根据目视观察发现硅片滑移位错情况。
比较例2
采用CZ法培育出8英寸P型120Ωｃｍ的单晶硅棒。在多晶硅原料中加入氮化硅粉末，结晶后单晶硅棒中的氧浓度为7.5x1017atoms/cm3，氮浓度为8x1014atoms/cm3，碳浓度为4x1016atoms/cm3。
将该单晶硅棒制作成镜面硅片，采取与实施例1相同的方式进行热处理。
该硅片的表面缺陷采用红外扫描仪（Semilab社制）测定，测试结果显示该硅片表面到5μｍ为止无缺陷。采用Secco蚀刻液测定氧析出物密度，硅片表面到5μｍ为止没有产生氧析出物，在硅片厚度中心的氧析出物密度为2x1010/cm3。
采用该硅片制成的MOS二极管，少子寿命约为0.01sec，少子寿命发生劣化。另外，为调查热处理时滑移位错情况，在竖型热处理炉中进行800℃温度下的高速插入抽出实验，实验后根据目视观察发现硅片滑移位错情况。

Claims (8)

1.一种超大规模集成电路用硅片的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：采用切克劳斯基法制备单晶硅棒，在拉晶炉内使单晶硅棒冷却到1100℃~1150℃，控制冷却速度为0.1℃/分钟~1℃/分钟，使单晶硅棒的氧浓度为5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度为5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度为1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3；将所述单晶硅棒制作成硅片，在一非活性气体中，于1150℃~1250℃的温度下加热45分钟~180分钟，通过该热处理使所述硅片厚度中心氧析出物密度为1x107/cm3~5x108/cm3。
2.根据权利要求1所述的超大规模集成电路用硅片的制造方法，其特征在于，在进行所述热处理时，在700℃时将硅片插入，降温到700℃时将硅片取出。
3.根据权利要求1所述的超大规模集成电路用硅片的制造方法，其特征在于，在进行所述热处理时，700到900℃期间，升温速率为5-15℃/min；900到1100℃期间，升温速率为2-8℃/min；1100到1250℃期间，升温速率为0.5-2℃/min；降温速率与升温速率保持一致。
4.根据权利要求1所述的超大规模集成电路用硅片的制造方法，其特征在于，在进行所述热处理时，热处理气氛为Ar气氛，在1200℃的温度下保持1小时。
5.根据权利要求1所述的超大规模集成电路用硅片的制造方法，其特征在于，在进行所述热处理时使用竖型热处理炉。
6.一种超大规模集成电路用硅片，其特征在于，采用切克劳斯基法制作的单晶硅棒得到氧浓度5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3的单晶硅片，进行热处理后，所述硅片厚度中心氧析出物密度为1x107/cm3~5x108/cm3。
7.一种超大规模集成电路用硅片，其特征在于，采用切克劳斯基法制作的单晶硅棒得到氧浓度5x1017atoms/cm3~7x1017atoms/cm3、氮浓度5x1013atoms/cm3~1x1015atoms/cm3、碳浓度1x1015atoms/cm3~5x1016atoms/cm3的单晶硅片，进行热处理后，所述硅片表面的氧析出物的无缺陷区域在15μｍ以上。
8.根据权利要求1所述的方法制造的超大规模集成电路用硅片的应用，所述硅片用于功率器件。
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