TW201723240A - 單晶矽錠及晶圓的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種單晶矽及晶圓的形成方法，在採用柴氏拉晶法(Czochralski method)形成單晶矽錠時，對熔融狀的矽中通入包含氘氣和氮氣的氣體，使氘原子和氮原子存儲在單晶矽錠的間隙中，採用單晶矽錠形成晶圓後，在晶圓上形成的裝置時，氘能夠擴散出，並與介面處等懸鍵進行結合，形成較為穩定的結構，從而避免熱載子的穿透，降低漏電流，提高裝置的性能與可靠性；此外，摻氮濃度合適的直拉單晶矽錠經過一步高溫退火後，在晶圓體內可以形成高密度的氧沉澱而在晶圓近表面形成一定寬度的潔淨區，隨著氮濃度的增加，晶圓中的氧沉澱徑向分佈更為均勻，能夠提高晶圓的性能。

Description

單晶矽錠及晶圓的形成方法
本發明係關於柴氏拉晶法單晶生長領域及半導體製造領域，尤其是關於一種單晶矽錠及晶圓的形成方法。
作為製造半導體裝置起始材料的單晶矽，通常係以柴氏拉晶法(Czochralski(CZ)method)(亦稱為直拉技術)的晶體生長技術生長為圓柱形的單晶矽錠。單晶矽錠藉由例如切片、刻蝕、清洗、拋光等一系列晶圓加工製程而被加工成晶圓。
根據柴氏拉晶法，係於坩堝中將矽片在單晶爐中加熱融化，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種(稱籽晶)浸入融液中，把晶種微微的旋轉向上提升，融液中的矽原子會在前面形成的單晶體上繼續結晶，並延續其規則的原子排列結構。若整個結晶環境穩定，就可以周而復始的形成結晶，最後形成一根圓柱形的原子排列整齊的矽單晶晶體，即矽單晶矽錠。
熔融矽裝在石英坩堝內，常被多種雜質污染，其中一種是氧。在矽的熔融溫度下，氧滲入晶格，直到其達到一預定濃度，該濃度一般由矽熔融溫度下矽中氧的溶解度和凝固矽中氧的實際偏析係數確定。晶體生 長過程中滲入矽錠中的氧的濃度大於半導體裝置製造中所用的典型溫度下凝固矽中氧的溶解度。隨著晶體從熔融矽中生長並冷卻，其中的氧溶解度迅速降低，氧在冷卻的矽錠中飽和。
矽錠被切割成晶片。晶片中殘留的間隙氧在後續熱製程過程中生長成氧沈澱。裝置主動區中氧沈澱的出現會降低閘極氧化物的完整性，並且導致不必要的基板漏電流。
本發明的目的在於提供一種單晶矽錠及晶圓的形成方法，能夠減少氧沈澱，提高後續裝置的性能。
為了實現上述目的，本發明提出了一種單晶矽錠的形成方法，包括步驟：提供多晶矽碎塊，將所述多晶矽碎塊放入坩堝中進行融化並通入氣體，所述氣體包括氘氣和氮氣；採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，通入氣體為氘氣、氮氣和氬氣的混合氣體。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，所述氘氣的分壓範圍為1%~80%。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，所述氮氣的分壓範圍為1%~80%。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，形成的單晶矽錠中氮原子的密度範圍是1×1012原子/立方釐米~8×1018原子/立方釐米。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，形成的單晶矽 錠中氘原子的密度範圍是1×1012原子位方釐米~8×1018原子/立方釐米。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，所述加磁場柴氏拉晶法包括步驟：將所述摻雜後的所述多晶矽碎塊放入坩堝中以預定溫度進行融化；採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；在所述放肩步驟中降低拉速，維持一個線性降溫速率，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟；待單晶矽錠直徑生長至預定要求後，迅速向上提升，及時降溫，同時停止線性降溫，給予坩堝上升速率，根據直徑變化率速度，緩慢調節拉速控制，待單晶矽錠直徑相對穩定後，打開自動等徑控製程式，進入自動等徑控制階段。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，所述單晶矽錠的直徑大小由所述拉晶速率和預定溫度控制。
進一步的，在所述的單晶矽錠的形成方法中，所述磁場強度為1000~5000高斯。
本發明還提出了一種晶圓的形成方法，採用單晶矽錠作為原始材料形成晶圓，所述單晶矽錠採用如上文所述的單晶矽錠的形成方法形成，所述晶圓含氘和氮摻雜原子，對所述晶圓進行高溫退火製程處理。
進一步的，在所述的晶圓的形成方法中，包括步驟：對所述單晶矽錠依次進行切薄、表面磨削、拋光、邊緣處理及清洗處理，形成晶圆。
進一步的，在所述的晶圓的形成方法中，所述高溫退火製程的溫度範圍是800攝氏度(℃)~2000攝氏度(℃)。
與習知技術相較，本發明的有益效果主要包括：在採用柴氏拉晶法形成單晶矽錠時，對熔融狀的矽中通入包含氘氣和氮氣的氣體，使氘原子和氮原子存儲在單晶矽錠的間隙中，採用單晶矽錠形成晶圓後，在晶圓上形成裝置時，氘能夠擴散出，並與介面處等懸鍵進行結合，形成較為穩定的結構，從而避免熱載子的穿透，降低漏電流，提高裝置的性能與可靠性；此外，摻氮濃度合適的直拉單晶矽錠經過一步高溫退火後，在晶圓體內可以形成高密度的氧沉澱而在晶圓近表面形成一定寬度的潔淨區，隨著氮濃度的增加，晶圓中的氧沉澱徑向分佈更為均勻，能夠提高晶圓的性能。
S100‧‧‧提供多晶矽碎塊，將所述多晶矽碎塊放入坩堝中進行融化並通入氣體，所述氣體包括氘氣和氮氣
S200‧‧‧採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠
第1圖為依據本發明一實施例之單晶矽錠的形成方法的流程圖。
下面將結合示意圖對本發明的單晶矽錠及晶圓的形成方法進行更詳細的描述，其中表示了本發明的較佳實施例，應理解具本領域通常知識者可以對此處描述之本發明進行修改，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應該被理解為對於本領域技術人員的廣泛認知，而並非作為對本發明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述眾所周知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個 實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於具本領域通常知識者來說僅僅是常規工作。
在下列段落中參照圖式以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面的說明和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
請參考第1圖，在本實施例中，提出了一種單晶矽錠的形成方法，包括步驟：S100：提供多晶矽碎塊，將所述多晶矽碎塊放入坩堝中進行融化並通入氣體，所述氣體包括氘氣和氮氣；S200：採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠。
在步驟S100中，所述多晶矽碎塊可以為多晶矽或者含有雜質的矽片的碎塊，使用該種矽片進行提煉，首先需要將矽片放入石英坩堝中進行融化，以便後續形成單晶矽錠，去除部分雜質。具體的，融化溫度及製程均與現有技術中的類似，在此不作贅述。
對融化後的多晶矽碎塊進行氣體的注入，所述氣體包括氘氣和氮氣；具體的，所述氣體可以為氘氣、氮氣和氬氣的混合氣體。其中，所述氘氣的分壓範圍為1%~80%，所述氮氣的分壓範圍為1%~80%，具體的，可以根據製程的要求來決定，在此不作限定。
於一實施例中，形成的單晶矽錠中氮原子的密度範圍是1×1012原子/立方釐米~8×1018原子/立方釐米(每立方釐米中含有多少個原子)。於一實施例中，形成的單晶矽錠中氘原子的密度範圍是1×1012原子/立方釐 米~8×1018原子/立方釐米。
在進行加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠時，對被融化的多晶矽碎塊進行氘和氮的摻雜，使氘和氮存儲在單晶矽錠的間隙中，有利於提升後續裝置的性能。
在步驟S200中，採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠。
其中，所述加磁場柴氏拉晶法包括步驟：將所述摻雜後的所述多晶矽碎塊放入坩堝中以預定溫度進行融化；採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；在所述放肩步驟中降低拉速，維持一個線性降溫速率，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟；待單晶矽錠直徑生長至預定要求後，迅速向上提升，及時降溫，同時停止線性降溫，給予坩堝上升速率，根據直徑變化率速度，緩慢調節拉速控制，待單晶矽錠直徑相對穩定後，打開自動等徑控製程式，進入自動等徑控制階段。
其中，所述單晶矽錠的直徑大小由所述拉晶速率和預定溫度控制。單晶矽錠的直徑大小可以根據製程的需要來決定，在此不作限定。其中，添加的磁場強度為1000~5000高斯，例如是3000高斯。
在本實施例的另一方面，還提出了一種晶圓的形成方法，採用單晶矽錠作為原始材料形成晶圓，所述單晶矽錠採用如上文所述的單晶矽錠的形成方法形成，所述晶圓含氘和氮摻雜，對所述晶圓進行高溫退火製程處理。
具體的，所述晶圓的形成方法包括步驟：對所述單晶矽錠依次進行切薄、表面磨削、拋光、邊緣處理及清洗處理，形成晶圓。
所述高溫退火製程的溫度範圍是800℃~2000℃，例如1000℃，其中，經過一步高溫退火後，在晶圓體內可以形成高密度的氧沉澱而在晶圓近表面形成一定寬度的潔淨區，從而提高晶圓的性能。
綜上，在本發明實施例提供的單晶矽錠及晶圓的形成方法中，在採用柴氏拉晶法形成單晶矽錠時，對熔融狀的矽中通入包含氘氣和氮氣的氣體，使氘原子和氮原子存儲在單晶矽錠的間隙中，採用單晶矽錠形成晶圓後，在晶圓上形成的裝置時，氘能夠擴散出，並與介面處等懸鍵進行結合，形成較為穩定的結構，從而避免熱載子的穿透，降低漏電流，提高裝置的性能與可靠性；此外，摻氮濃度合適的直拉單晶矽錠經過一步高溫退火後，在晶圓體內可以形成高密度的氧沉澱而在晶圓近表面形成一定寬度的潔淨區，隨著氮濃度的增加，晶圓中的氧沉澱徑向分佈更為均勻，能夠提高晶圓的性能。
上述特定實施例之內容係為了詳細說明本發明，然而，該等實施例係僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下針對本發明所進行之各種變化或修改係落入本發明之一部分。
S100‧‧‧提供多晶矽碎塊，將所述多晶矽碎塊放入坩堝中進行融化並通入氣體，所述氣體包括氘氣和氮氣
S200‧‧‧採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠

Claims (12)

  1. 一種單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，包括步驟：提供多晶矽碎塊，將所述多晶矽碎塊放入坩堝中進行融化並通入氣體，所述氣體包括氘氣和氮氣；及採用加磁場柴氏拉晶法(Czochralski method)形成單晶矽錠。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，通入氣體為氘氣、氮氣和氬氣的混合氣體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，所述氘氣的分壓範圍為1%~80%。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，所述氮氣的分壓範圍為1%~80%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，形成的單晶矽錠中氮原子的密度範圍是1×1012原子/立方釐米~8×1018原子/立方釐米。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，形成的單晶矽錠中氘原子的密度範圍是1×1012原子/立方釐米~8×1018原子/立方釐米。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，所述加磁場柴氏拉晶法包括步驟：將所述摻雜後的所述多晶矽碎塊放入坩堝中以預定溫度進行融化； 採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；在所述放肩步驟中降低拉速，維持一個線性降溫速率，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟；及待單晶矽錠直徑生長至預定要求後，迅速向上提升，及時降溫，同時停止線性降溫，給予坩堝上升速率，根據直徑變化率速度，緩慢調節拉速控制，待單晶矽錠直徑相對穩定後，打開自動等徑控製程式，進入自動等徑控制階段。
  8. 如申請專利範圍第項7所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，所述單晶矽錠的直徑大小由所述拉晶速率和預定溫度控制。
  9. 如申請專利範圍第項7所述的單晶矽錠的形成方法，其特徵在於，所述磁場強度為1000~5000高斯。
  10. 一種晶圓的形成方法，採用單晶矽錠作為原始材料形成晶圓，其特徵在於，所述單晶矽錠採用如申請專利範圍第項1項所述方法形成，所述晶圓含氘和氮摻雜，對所述晶圓進行高溫退火製程處理。
  11. 如申請專利範圍第項10所述的晶圓的形成方法，其特徵在於，包括步驟：對所述單晶矽錠依次進行切薄、表面磨削、拋光、邊緣處理及清洗處理，形成晶圓。
  12. 如申請專利範圍第項10所述的晶圓的形成方法，其特徵在於，所述高溫退火製程的溫度範圍是800℃~2000℃。
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