TW201145357A - Epitaxial substrate and method for producing same - Google Patents

Description

201145357 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種磊晶基板以及其製造方法，且詳言 之，是關於一種用於在數位視訊相機、行動電話以及類似 者中使用之固態成像感測器之磊晶基板以及其製造方法。 【先前技術】 固態成像感測器藉由以下方法來製造：使用丘克拉斯 基（Czochralski ; CZ)製程或類似者上拉石夕單晶體；切分 矽單晶體以獲取矽基板；在矽基板上形成磊晶層以獲取磊 晶基板，以及在磊晶層上形成電路。然而，當將金屬引入 至磊晶基板作為雜質時，引入之金屬引起影像感測器之暗 電流的增加，從而造成顯著惡化固態成像感測器之電性質 的問題，諸如，發生稱作白缺陷的缺陷。 將金屬引入至磊晶基板内之因素在於形成磊晶基板 之過程以及形成固態成像感測器之過程中。在前者情況下 ，在形成Μ基板之過程巾的金屬污染被考慮為是由於來 =於蟲晶生長之爐之組件的重金屬粒子，或歸因於由於 ^基氣體（其祕製程）的管材料之金屬雜產生的重金 f粒子。近年來’、_ 績腐靖料製成之組件替換 =於蟲晶生長的爐之組件或其他努力已改良此等金屬污 ^。^仍難〜㈣免麵成蟲晶基板之過程t的金屬污 過避面’錢者情況獨在形成®態祕感測器之 似者之關於在離子植人、擴散、氧化—熱處理或類 者之製程中的遙晶基板之重金屬污染的關注。 4 201145357 ^ W W A f 因此’傳統上’藉由形成用於捕獲矽基板中之金屬的 吸附槽（gettering tank)或藉由使用具有捕獲金屬之高能 力（高吸附能力）之基板（諸如，含有高濃度硼之基板） 來避免磊晶基板之金屬污染。 為了在矽基板中形成吸附槽，通常使用將氧沈澱物形 成於半導體基板内之内部吸附（intrinsic gettering ; ig)方 法，或吸附槽形成於半導體基板之後表面上之外部吸附 (extrinsic gettering ; EG)方法。然而，在EG方法之情況 下，諸如後側損壞之損壞形成於基板之後側上，且因此存 在於开>成羞晶基板或影像感測器之過程期間自後表面產生 粒子而進一步在影像感測器中形成誘發缺陷的因素之問 題。 WO 2009/075288揭露使用以上描述之IG方法的蠢晶 基板之技術’其巾含有碳作為摻賴的含有高濃度硼之石夕 單晶體基板經受增強氧沈澱物之沈_熱處理。在此技術 中’此熱處理為在形成层晶料執狀祕理或在與此孰 處理器相同之餅下執行之熱處L，在最近的元件 =程（其巾在溫度迅速增加/降低之條件下在脑時間週期 ΐί較低溫度下執賴製程）+，存在不能齡獲取氧沈 版物且因此不能達成所要的吸附效能之問題。 【發明内容】 本發明待解決之問題 之目的為解決以上描述之問題，以及提供一種 1基板以及其製造方法，所述Μ基板能夠藉由在元件 201145357. 製造過程期間維持充分吸附能力來抑制金屬污染且藉此減 少固態成像感測器之白缺陷的發生。 解決問題之方式 作為對防止磊晶基板之重金屬污染之技術的熱衷研 究之結果’本發明者得到以下構想：有可能藉由在蟲晶層 之形成後實施增強氧沈澱物之沈澱之熱處理而沈澱較大量 的氧沈澱物（與經受與用於形成磊晶層之熱處理相同的所 述熱處理之蟲晶基板相比）；以及’有可能藉由在磊晶層之 形成後實施預定熱處理作為在沈澱增強熱處理前之預製程 而在矽基板之表面層中濃縮氧沈澱物。另外，已揭示有可 能藉由將預定量之碳添加至矽基板而在矽基板之表面層中 更顯著地濃縮氧沈殿物，藉此本發明者實現本發明。 為了達成以上目的，本發明具有下列主要組態。 (1) 一種磊晶基板的製造方法，包括：在含有碳作為 摻雜劑之矽基板上生長磊晶層以形成磊晶基板之步驟；以 及在形成所述磊晶基板之後，實施第一熱處理以及第二熱 處理至所述磊晶基板使得在構成所述磊晶基板之所述矽基 板之表面層中的氧沈澱物之密度比在厚度方向上的所述矽 基板之中心處的氧沈澱物之密度大之步驟。 (2) 根據以上描述之（1)之方法，其中所述矽基板 之所述表面層自5 μιη之深度延伸至30 μιη之深度，所述 深度是在所述厚度方向上自所述矽基板之表面量測。 (3) 根據以上描述之（1)之方法，其中在所述梦基 板之所述表面層中的氧沈澱物之所述密度比在所述厚度方 201145357 向上的所述矽基板之所述中心處的氧沈殿物之所述密度大 兩倍或兩倍以上。 (4) 根據以上描述之（1)之方法，其中在所述石夕基 板之所述表面層中的氧沈澱物之所述密度為5χ1〇5片/平^ 公分或更大。 (5) 根據以上描述之（丨）之方法，其中在所述矽基 板之所述中心處的氧沈澱物之所述密度為3χ105片/平方公 分或更低。 (6) 根據以上描述之（丨）之方法，其中所述第一熱 處理包含：將所述磊晶基板置放於能夠將其中之含氮氛圍 維持在500 C至700°C之範圍中之溫度的元件中 ;以 HTC/ 分鐘至1GG°C7分鐘之速度將所述溫度升以在⑽代與 之間’保持所述溫度達0·〇1秒至60秒；以及以UTC/ 分鐘至KKTC/分鐘之速度將所述溫度降低至在遞^與 700°C之間。 (7) 根據以上描述之（丨）之方法，其中所述第二熱 處理包含將所述蟲絲板在含氮氛 圍中維持在600°C至 1100 C之溫度範圍中達15分鐘至15小時。 (8) 根據以上描述之（丨）之方法，其中所述矽基板 ^在O.lxlOW至2〇χ1()16個原子/立方公分之範圍中的碳 進__n根據以上描述之⑴之方法，其中所述石夕基板 s ^步含if氮作為摻雜劑，且所述氮之濃度處於0·5χ1〇13 至5〇XlG個原子/立方公分之範圍中。 201145357 (ίο)根據以上描述之（1)之方法，其中在實施所述 第一熱處理以及所述第二熱處理至所述磊晶基板之所述步 驟前，所述矽基板具有在1.0X1018至2.0X1018個原子/立方 公分之範圍中的填隙氧濃度。 (11) 一種在含有碳作為摻雜劑之矽基板上具有磊晶 層之蟲晶基板’其中在所述石夕基板之表面層中的氧沈澱物 之密度比在厚度方向上的所述石夕基板之中心處的氧沈澱物 之密度大。 (12) 根據以上描述之（U)之磊晶基板，其中在所 述矽基板之所述表面層中的氧沈澱物之所述密度為5χ105 片/平方公分或更大。 03)根據以上描述之（11)之磊晶基板，其中在所 述厚度方向上的所述矽基板之所述中心處的氧沈澱物之所 述密度為3x1 〇5片/平方公分或更低。 本發明之效果 根據本發明，有可能提供一種磊晶基板以及其製造方 法，所述磊晶基板能夠藉由在元件製造過程期間維持充分 吸附能力來抑制金屬肖染且#此減少影像感測器之白缺陷 的發生，其經由：在含碳之摻雜劑之矽基板上生長磊晶層 以形成蟲晶基板之步驟；以及，在形成蠢晶基板之上述步 驟後’ ^施第-熱處理以及第二熱處理至蟲晶基板使得在 構成蟲晶基板之石夕基板之表面層中的氧沈殿物之密度比在 厚度方白上的石夕基板之中心處的氧沈殿物之密度大之熱處 理實施步驟。 8 201145357 【實施方式】 接下來，將參看圖式描述根據本發明的蟲晶基板以及 其製造方法之實施例。圖1A至圖1C為用於解釋根據本發 明的背光照明之影像感測器之製造方法之剖面示意圖。注 意，為了解釋目的，圖1A至圖1C中之厚度方向經誇示說 明。 如在圖1A至圖1C中所說明’根據本發明的蟲晶基板 100之製造方法包含在含有碳之摻雜劑之矽基板1上生長 蠢晶層2 (圖1A至圖1C中的屋晶層2a、2b之兩個層） 以形成磊晶基板（圖1A以及圖1B)之步驟，以及，在此 形成蟲晶基板之步驟後，實施第一熱處理以及第二熱處理 至蠢晶基板使彳于在構成蟲晶基板之石夕基板1之表面層中的 氧沈澱物之密度比在厚度方向上的矽基板i之中心^的氧 沈澱物之密度大之熱處理實施步驟（圖1C)。藉由以上描 述之組態，有可能提供磊晶基板以及其製造方法，所述磊 晶基板能夠藉由在元件製造過程期間維持充分吸附能力來 抑制金屬污染且藉此減少影像感測器之白缺陷的發生。 在此說明書中’表達「在石夕基板1之表面層中的氧沈 澱物之密度比在厚度方向上⑽基板i之中心處的氧沈殿 物之密度大」意謂：如在圖2巾例示性說明，切基板之 厚度方向上的氧麟物之密度輪廓在分別距前表面以及後 表面之預定深度處具有峰值。在氧沈澱物之密度展現所謂 的子母M」形分佈之情況下，含有具有高密度之氧沈殺 物的區域形成為緊接在蠢晶層下，藉此基板具有與密度均 201145357 ~ 一…X— 勻之情況相比較高的吸附能力。 另外，氧沈澱物意謂由碳—氧錯合物（叢集物）形成 之沈澱物，且以上描述之元件製造過程意謂在磊晶層生長 步驟後形成影像感測器之過程。 較佳地，矽基板1具有在O.lxlO16至2〇xl〇16個原子/ 立方公分之範圍中的碳濃度。此是因為在碳濃度小於 O.lxlO16個原子/立方公分之情況下，不能充分形成充當吸 附槽之氧沈澱物’且另一方面，在碳濃度超過2〇χ1016個 原子/立方公分之情況下’氧沈澱物中之每一者的大小變得 小於50 nm，且因此不能獲取充分的吸附能力。注意，矽 基板1可含有在固溶體狀態下之碳。此使將所述碳代替矽 引入至矽晶格内成為可能。碳具有比矽原子之原子半徑短 的原子半徑，且因此，當將碳置放於替換位置處時，晶體 之應力場變為壓縮應力場，藉此晶格之間的氧以及雜質較 易於由壓縮應力場捕獲。因此，藉由實施預定熱處理至矽 基板，有可能自經取代碳以高密度形成與氧組合且具有位 錯（disloaction)之沈澱物’藉此矽基板i可獲取高吸附效 應0 石夕基板1可進-步含有氮作為摻雜劑，且其氮濃 佳地處於0.5χ10ΐ3至5〇xl〇n個原子/立方公分的範圍内。 此是因.為在其氮敍小於0.5Χ1()13個原子/立方公分之 下’有可能不能充分地形成充當吸附槽之氧沈殿物，二及 另一方面’在其氮濃度超過 況下’有可能位錯會進入磊晶層。 月 201145357

Λ. I 矽基板1之表面層較佳地自5 μπ!之深度延伸至30 μιη 之深度（在厚度方向上自矽基板之表面量測）。在氧沈澱物 的密度之峰值存在於在厚度方向上自矽基板之表面量測的 0 μιη至小於5 μΓη之深度範圍中之情況下，可發生漏電流 或類似者，因此較佳地形成此範圍以便為無缺陷層。另一 方面’在氧沈澱物的密度之峰值存在於在厚度方向上自矽 基板之表面量測的大於30 μηι至在厚度方向上的矽基板之 中心之深度範圍中之情況下’不能獲取充分的吸附效應。 另外’在矽基板1之表面層中的氧沈澱物之密度較佳 地比在厚度方向上的矽基板丨之中心處的密度大兩倍或兩 倍以上。在此實施例中，在矽基板1之表面層中的氧沈澱 物之密度指峰值之最大值。藉由將在矽基板丨之表面層中 的氧沈殿物之密度設定為比在厚度方向上的矽基板1之中 心，=密度大兩倍或兩倍以上，可緊接在磊晶層下形成具 有同猎度之氧沈澱物之地帶（z〇ne)，藉此可獲取充分的吸 附效應。 5在矽基板1之表面層中的氧沈澱物之密度較佳地為 5x10片/平方公分或更大。此是因為在氧沈澱物之密度小 於5x10 #/平方公分之情況下，存在吸附效應不充分 能性。 另一方面，在矽基板1之中心處的氧沈澱物之密度較 佳地為3><1〇5片/平方公分或更低。此是因為在氧沈殿物之 密度超過3xlG5#/平方公分之情況下，儘管可獲取吸附效 應，但在表面層中的氧沈澱物之沈殿之增強會受到抑制。 11 201145357 第一熱處理較佳地包含：將磊晶基板置放於可將其中 之含氮氛圍維持在500°C至700¾之範圍中之溫度的元件 中；以10°c/分鐘至l〇〇°C/分鐘之速度將溫度升高至在 1100°C與1300°C之間；維持溫度達〇 01秒至6〇秒；以及 以10 C/分鐘至100。(：/分鐘之速度將溫度降低至在5〇〇。〇與 700 C之間。此熱處理使石夕基板1之表面氮化、引入空位且 因此在基板之表面層中形成高密度空位注入層 (vancancy-injection layer)成為可能。 第二熱處理較佳地包含在含氮氛圍中將磊晶基板維 持在_°C至1100°c之溫度範圍中達15分鐘至15小時。 此第一熱處理使形成具有不消失之大小的BMD成為可 能，即使當利用形成於第一熱處理中之空位用作沈澱核在 形成影像感測器之過程中實施熱處理時。 較佳地，在實施第一熱處理以及第二熱處理至磊晶基 板之步驟前，矽基板1具有在l.〇xl〇i8至2.〇χΐ〇18個原子/ 立方公分之範圍中的填隙（interstitial)氧濃度。此是因為 在填隙氧濃度小於l.OxlO18個原子/立方公分之情況下，有 可能氧之沈澱受到抑制且因此氧沈澱物之密度變得不合需 要地低，且另一方面，在填隙氧濃度超過2 〇xl〇i8個原子/ 立方公分之情況下’有可能過多地產生沈澱物。 另外，在藉由在含有碳之摻雜劑之矽基板丨上生長磊 晶層2 (圖1B)來形成磊晶基板之步驟前，根據本發明的 製造蟲as基板100之方法較佳地進一步包含抛光以及清潔 矽基板1之步驟。注意’清潔方法包含組合SC-1與SC-2 12 201145357 之RCA清潔以及類似者。 如圖1C中所說明’根據本發明之磊晶基板1〇〇具有 在含有碳之摻雜劑之矽基板丨上的磊晶層2(圖1C中的兩 個，晶層2a、2b)’且在矽基板丨之表面層中的氧沈澱物 之密度比在厚度方向上的絲板丨之中心、處的氧沈澱物之 密度大。藉由以上描述之組態，有可能提供能夠藉由在元 件製造過程期間維持充分吸附能力來抑制金屬污染且藉此 減少影像感測器之白缺陷的發生之磊晶基板。 請’因以上描述之原因，在矽基板k表面層丁叩 氧沈殿物之密度較佳地為5xl〇5片/平方公分或更大且在 厚度方，上的石夕基板1之中心處的氧沈殿物之密度較佳地 為3x10片/平方公分或更低。 ” 板1可為含有在4糊13個原子，立方公分至 右二：原子/立方公分之範圍中的硼作為p型雜質且具 3在]Qem之範圍中的電阻率之ρ·基板，或 原子/立方公分至7.8^16個原子/立方公 =之1中的磷作為n型雜質且具有在01 Qcm至· ，之㈣t的電阻率之n•基板 較紐板1騎有在個i 為P型^=子/立方公分之範® +的硼作 中的電阻;=至小於10 一之範圍 蟲晶層2較佳地具有如在圖 咖。在繼了摘，蝴mr在^^ 201145357 個原子/立方公分至ΐ 2χ1〇20 爾為Ρ·纽具有在〗^子/立方公分之範圍中的 電阻率之ρ++基板（厚度·· 〇m Cm至8mncm之範圍中的 為含有在4.4，13個原子/立方::】258二 公分之範圍中的硼作為p型雜質且具有在0^原子/立方 Qcm之範圍中的電阻率之 cm至300 μη〇,或含有在Uxl〇13個原&立方八二75帅“至1〇 子/立方公分之範圍+的磷作為η型雜A/且在〇8:T個原 3〇〇 Ω:之範圍中的電阻率之n基板(厚度:2 $卿 =用的原因為獲得用於光電二極體 應注意，雖未說明’但在磊晶層2為一個層之情況下， 磊晶層2較佳地為含有在4.4xl〇I3個原子/立方公分至 2.8X1017個原子/立方公分之範圍中的p型雜質且具有在 O.lQcm至300 Qcm之範圍中的電阻率之p_基板（厚度： 2.5 μπι至10 μιη) ’或含有在1.4χ1013個原子/立方公分至 7·8χ1016個原子/立方公分之範圍中的磷作為η型雜質且在 0.1 Qcm至300 ncm之範圍中的電阻率之η_基板（厚度： 2.5 μιη 至 10 μιη)。 應注意，圖1Α至圖1C以及圖2僅說明典型實施例之 實例，且本發明不限於此實施例。注意，雖然根據本發明 之磊晶基板適合於在固態成像感測器中使用，但其亦可實 施於需要高吸附能力、不同於用於固態成像感測器之基板 的任一基板。 201145357 ^ Λ I Λ ^ 實例 [實例1] 在實1巾，藉由在含有碳之摻雜劑㈣基板（碳濃 义.9x10個原子/立方公分，填隙氧濃度·· i 5x1〇18個原 子/立方公分’摻雜元素：蝴，電阻率：難⑽，且厚度： 775 μηι)上生長磊晶層（摻雜元素：硼，電阻率：， 5厚Ϊ日5μΠ1)且接著實施第一熱處理以及第二熱處理來 製備磊晶基板（厚度：780 μιη)作為樣本。 第熱處理包含：將磊晶基板置放於可將其中之Ar + ΝΗ3之氛圍轉在_。〇之溫度之元件中；以贼/分鐘 之，度將溫度升高至UOiTc ;維持溫度達3〇秒；以及以 70°C/分鐘之速度將溫度降低至600〇c。 第二熱處理包含：纟N2 + 〇2之氛圍中將蟲晶基板保 持在_下達-小時；以3ΐ/分鐘之速度將溫度升高至 =〇〇°C ;以及將磊晶基板保持在1〇〇〇t：之溫度下達兩個小 [比較實例1] 在比較實例1中，經由與實例1相同之方法製備磊晶 基板作為樣本，不同之處在於在比較實例1中使用無碳之 摻雜劑的矽基板（填隙氧濃度：UxiOl8個原子/立方’公^， 摻雜元素：硼，電阻率：l〇.5Qcm，且厚度：775 pm)"7。 [比較實例2] 在比較實例2中，經由與實例1相同之方法製備磊曰曰 基板作為樣本，不同之處在於在比較實例2中不實施第二 15 201145357 a t 1^1* 熱處理。 圖3顯示實例1以及比較實例1及2的矽基板在厚度 方向上的氧沈澱物之密度輪廓之曲線圖。如在圖3中顯 示，可理解，與比較實例1及2之磊晶基板相比，根據本 發明的貫例1之蠢晶基板在表面層中具有氧沈殿物之較大 密度。 另外’圖4為說明沈澱密度與吸附之間的關係之IG 圖。IG線表示BMD大小以及密度之邊界，且指示當強行 污染5xlOu個原子/平方公分之见時，所述污染之9〇%可 被吸附。在IG圖中’基板之針對Ni的吸附能力自IQ線 朝向右方增加。自IG圖上之比較，可理解，實例丨具有 與比較實例1及2相比較的較高吸附能力。 工業適用性 根據本發明，有可能提供一種磊晶基板以及其製造方 法，所述磊晶基板能夠藉由在元件製造過程期間維持充分 吸附能力來抑制金屬污染且藉此減少影像感測器之白缺陷 的發生，其經由：藉由在含碳之摻雜劑之矽基板上生長磊 晶層來形成磊晶基板之步驟；以及，在形成磊晶基板之上 述步驟後’實施第一熱處理以及第二熱處理至磊晶基板使 知在構成蠢晶基板之石夕基板之表面層中的氧沈殿物之密度 比在厚度方向上的矽基板之中心處的氧沈澱物之密度大之 熱處理實施步驟。 【圖式簡單說明】 圖1A至圖1C為用於解釋根據本發明之磊晶基板之製 201145357 造方法之剖視示意圖。 圖2顯示在根據本發明之磊晶基板中的氧沈澱物之密 度分佈的曲線圖之實例。 圖3顯示實例1以及比較實例1及2的矽基板之在厚 度方向上的氧沈澱物之密度輪廓之曲線圖。 圖4顯示與實例1以及比較實例1及2的矽基板有關 之IG圖之曲線圖。 【主要元件符號說明】 1 :矽基板 2、2a、2b :磊晶層 100 .遙晶基板 17 #

Claims (1)

1. 201145357 七、申請專利範圍： 1. 一種磊晶基板的製造方法，包括： 在含有碳作為摻雜劑之矽基板上生長磊晶層以形成 蠢晶基板之步驟；以及， 在形成所述磊晶基板之後，實施第一熱處理以及第二 熱處理至所述磊晶基板使得在構成所述磊晶基板之所述矽 基板之表面層中的氧沈澱物之密度比在厚度方向上的所述 矽基板之中心處的氧沈澱物之密度大之步驟。 2. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製造方 法’其中所述矽基板之所述表面層自5 μιη之深度延伸至 30 μιη之深度’所述深度是在所述厚度方向上自所述矽基 板之所述表面量測。 3·如申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製造方 法’其中在所述石夕基板之所述表面層中的氧沈澱物之所述 密度比在所述厚度方向上的所述石夕基板之所述中心處的氧 沈澱物之所述密度大兩倍或兩倍以上。 4. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製造方 法’其中在所述矽基板之所述表面層中的氧沈殿物之所述 密度為5xl05片/平方公分或更大。 5. 如申請專利範圍第丨項所述之磊晶基板的製造方 法，其中在所述矽基板之所述中心處的氧沈澱物之所述密 度為3x10片/平方公分或更低。 6. 如申請專利範圍第丨項所述之磊晶基板的製造方 法，其中所述第一熱處理包含：將所述磊晶基板置放於能 18 201145357 JOJltpu 夠將其中之含氮氛圍維持在獨。〇至 noo^ no〇X:^：mJ^- 少；/及以10t/分鐘至1〇〇°C/分鐘之速度將所述 溫度降低至在500。(：與70〇t之間。 7.如申請相_第〗項所叙蟲晶基板的製造方 法，其中騎第二熱處理包含將所綠晶基板在含氮氛圍 中維持在600C至1100。〇之溫度範圍中達15分鐘至 時。 、.如申請專利範圍第1項所述之蟲晶基板的製造方 法，其中所述矽基板具有在〇 lxl〇l6至2〇χ1〇16個原子/立 方公分之範圍中的碳濃度。 、 9. 如申請專利範圍第i項所述之磊晶基板的製造方 法，其中所述矽基板更含有氮作為摻雜劑，且所述氮之濃 度處於0.5x1 〇13至5〇xl〇13個原子/立方公分之範圍中。 10. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製造方 法，其中，在實施所述第一熱處理以及所述第二熱處理至 所述磊晶基板之所述步驟前，所述矽基板具有在1〇χ1〇ΐ8 至2.〇χ1018個原子/立方公分之範圍中的填隙氧濃度。 11. 一種磊晶基板’所述磊晶基板在含有碳作為掺雜 劑之矽基板上具有磊晶層，其中在所述矽基板之表面層中 的氧沈澱物之密度比在厚度方向上的所述矽基板之中心處 的氧沈殿物之密度大。 12. 如申請專利範圍第11項所述之磊晶基板，其中在 201145357 JO J 1 /]J11 所述矽基板之所述表面層中的氧沈澱物之所述密度為 5χ105片/平方公分或更大。 13.如申請專利範圍第11項所述之磊晶基板，其中在 所述厚度方向上的所述矽基板之所述中心處的氧沈澱物之 所述密度為3xl05片/平方公分或更低。 20