TW495830B - Method of producing silicon epitaxial wafers - Google Patents

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495830 A7 B7 五、發明説明¢1 ) 【技術領域】 本發明係關於不會受到磊晶成長用基板之結晶熱履歷 之影響發揮安定I G能力，從裝置製程之初期階段就可製 造具有優異I G能力之磊晶晶圓之方法。 【背景技術】 使用Czochralski ( CZ )法所育成之砂單結晶所製造之 矽晶圓，在5〜1 Ox 1 017a t oms/cm3左右之 格子間氧含有雜質。此格子間氧係拉起工程中固化之後冷 卻到室溫之熱履歷（以下，稱爲結晶熱履歷）之時段爲了 成爲過飽和狀態而澱積，而形成氧澱積核（矽氧化物之微 小澱積物）。 於半導體積體電路之製造工程施加熱處理時，由於此 氧澱積核之成長進行氧澱積，而發生氧澱積物或起因於其 之轉位等微小缺陷。此氧澱積物若存在於晶圓表面之裝置 活性層時將劣化裝置特性，但是，存在於晶圓內部時作爲 捕獲重金屬雜質之側變成有效可得到被稱爲I G ( Internal Gettedng )之效果，可提升裝置特性或良率。從這種觀點 ，C Z晶圓中之氧澱積之控制爲重要之問題，從以前就盛 行硏究。 爲了晶圓表面附近之裝置製作領域成爲無缺陷化，有 時使用C Z晶圓上因氣相成長堆積矽單結晶層（以下，有 時稱爲磊晶層）之磊晶晶圓。即使於此磊晶晶圓，在基板 附加I G能力爲重要之事。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~77^ (請先閱讀背面之注意事項再本頁) -裝· -線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495830 A7 B7 五、發明説明& ) (請先閲讀背面之注意事項再_本頁) 但是，通常之嘉晶成長’因在1 〇 0 〇。(3以上高溫下 進行’所以拉起製作磊晶成長用棊板之矽單結晶時之結晶 熱履歷所形成之氧澱積核就溶體化，在裝置製作工程之氧 澱積’爲與通常之未熱處理之c z矽晶圓比較受到抑制。 因此，磊晶晶圓係I G能力降低而成爲問題。 作爲解決此問題，具有在磊晶工程前藉施加8 0 〇 °C 左右之熱處理使澱積核大爲成長，即使於高溫之磊晶工程 也不會消滅之方法（例如，參照日本專利特開平 10 — 223641號公報）。或，具有本申請人先前所 提案之日本專利特願2 0 0 0 — 1 7 Φ7 9號所記載，在 磊晶工程後藉施加4 5 0〜7 5 0 °C左右之熱處理再形成 澱積核之方法。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 但是，在磊晶工程前施加熱處理之方法，因利用在結 晶熱履歷所形成之澱積核，所以，於結晶熱履歷不同之晶 圓時澱積核密度將不同。因此，因結晶拉起條件或結晶位 置之相異澱積物密度會發生偏差，有不能得到安定吸氣（ gettedng )能力之問題。又，將S b (銻）或A s (砒） 摻雜成高濃度之N+ 基板（導電型爲η型，電阻率爲 〇 . 1 Ω c m以下之矽晶圓）係本質上不容易進行氧澱積 ，所以，於結晶熱履歷所形成之澱積物之密度爲低，幾乎 由於無磊晶工程前之熱處理之效果。 並且，即使於磊晶工程後之熱處理N +基板也不容易形 成澱積核，所以爲了得到充分密度致使熱處理發生時間變 長之問題。關於N +基板對於不容易進行氧澱積之理由’雖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 7^7 495830 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明6 ) 然提案有幾種模型但是尙未變成明確，於此避免提起此事 。另者，使用N +基板之N / N +磊晶晶圓（在N +基板上 ’以η型形成〇 . 1 Ω c m以上之磊晶層之磊晶晶圓）， 係從其構造上作爲C C D用材料被視爲有希望。但是，如 上述因不能期待I G效果，替代於此廣泛地使用N/N磊 晶晶圓（在電阻率〇 · 1 Ω cm以上之η型基板上，形成 η型而〇 · 1 Ω c m以上之磊晶層之磊晶晶圓）。即使於 此情形，爲了附加I G效果，在磊晶工程前或後必須施加 氧澱積熱處理。因此，於N / N +磊晶晶圓，比較簡便地附 加I G效果已成爲重要之問題。 作爲促進氧化澱積熱處理之簡便方法有被稱爲R T A (Rapid Thermal Annealing )之快速加熱•快速冷卻熱 處理（例如，參照日本專利特表平6 — 5 0 4 8 7 8號公 報）。可進行此熱處理之熱處理裝置（RTA裝置）’係 採用燈加熱方式之情形居多，可在1 0〜1 0 0 °C /秒左 右之升降溫速度進行熱處理。 於此R T A工程從晶圓表面所導入之過剩空孔，被認 爲容易進行氧澱積。但是，即使進行R T A，曉得了在其 即後施加磊晶工程時澱積促進效果會消失。此係被認爲在 磊晶工程空孔爲向外方擴散爲原因。又，在R τ A後加上 4 5 0°C以上8 0 0°C以下之熱處理時雖然澱積促進效果 會變成更大，但是因熱處理溫度爲低所以澱積物之成長並 非充分，在高溫之磊晶工程不能殘存。尤其，不容易發生 氧澱積之N +基板，其影響爲大。 (請先閲讀背面之注意事項再_本頁) |裝· 木 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )A4規格（2i〇x297公* ) - 6 - 495830 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___ B7_五、發明説明) 因近年之裝置製程之低溫化，抑制製程中之澱積物之 成長’顧慮到不能確保充分之吸氣能力。因此，在裝置製 程前之階段形成可檢出水準之大尺寸之澱積物較佳。但是 ’於習知之方法，係在磊晶工程即後欲形成可檢出之尺寸 之澱積物爲困難之事。 【發明之揭示】 本發明之目的係提供一種可製造不會受到磊晶成長用 基板之結晶熱履歷之影響發揮安定I G能力，從裝置製程 之初期階段就具有優異I G能力之磊晶晶圓，尤其可以簡 便地消除不容易進行N+ 基板之氧澱積之問題所起因之N / N +磊晶晶圓之I G不足之磊晶晶圓之製造方法。 爲了解決上述問題，本發明之矽磊晶晶圓之製造方法 ，其特徵爲：對於磊晶成長用之晶圓之矽基板，在 1 200 t：〜1 3 50 t：溫度下進行1〜1 20秒之 R T A (快速加熱•快速冷卻熱處理），並且，在9 0 〇 °C〜1 0 5 0 °C溫度下進行2〜2 0小時熱處理之後，在 上述矽晶圓表面形成磊晶層。此方法係對於電阻率爲 〇 · 1 Ω c m以下之η型矽晶圓尤其有效，即使磊晶層之 形成溫度爲1 1 0 0°C以上之高溫，也可製造具有優異 I G能力之嘉晶晶圓。 在磊晶成長後之基板內部欲使其具有充分氧澱積物密 度，就必須將R T A之條件成爲1 2 0 0 °C以上，1秒以 上，但是若超過13 5 0°C時有可能發生對於晶圓之金屬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) Γ7Τ 〜 (請先閲讀背面之注 意事項再 •本頁) -裝I· 線- 495830 A7 B7 五、發明説明（5 ) 汙染或發生滑動轉位等之問題所以不宜。又，若熱處理時 間超過1 2 0秒時就會發生生產量之降低或熱處理之耐久 性等問題，並非現實。 又，作爲R T A後之熱處理條件，尤其於N +基板在磊 晶成長後之基板內部欲使其確實具有氧源積物密度（至少 1 X 1 〇 7 / c m 3 )，需要在9 0 〇 °C以上進行2小時以 上之熱處理，但是，若進行超過2 0小時之熱處理因效果 會飽和所以無意義。又，在超過1 〇 5 0°C溫度時在基板 內部不容易形成新氧澱積核所以不宜。 【實施發明之最佳形態】 茲將本發明之一實施形態之附圖中，依據第1圖說明 如下，但是，圖示例只不過例示性者，除非從本發明之技 術思想脫離當然可進行種種變形。 第1圖係表示本發明之矽磊晶晶圓之製造方法之工程 順序之流程圖。首先，準備磊晶成長用之矽基板（步驟 1 0 0 )。作爲此矽基板係較佳地使用導電型爲η型而電 阻率爲1 · 0 Ω c m以下者。對於此矽基板進行R T A ( Rapid Thermal Annealing ，快速加熱•快速冷卻熱處理） (步驟1 0 2 )。此R T A之條件，係在1 2 0 0 t：〜 1 3 5 0 t溫度下以1〜1 2 〇秒之條件進行。此條件以 外，如上述不能充分達成本發明之作用效果。 對於此R T A結束後之矽基板再進行熱處理（步驟 1 0 4 )。此熱處理條件，係在9 0 0 °C〜1 0 5 0 °C溫 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 8 · 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 fi 本 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495830 A7 _ B7 五 '發明説明（6 ) 度下以2〜2 0小時條件進行。在此條件外，如上述有效 地發揮本發明之作用效果。對於受到這種熱處理之矽基板 之表面形成嘉晶層（步驟10 6)。此嘉晶層之形成係與 以往同樣即使於1 0 0 0 °C以上之高溫進行也無問題。按 ，於步驟1 0 4之熱處理環境雖然並非特別加以限定，但 是，在氧化性環境進行時，必須去除所形成之氧化膜之後 進行磊晶工程。 像這樣，本發明之製造方法，係因製作磊晶成長用之 矽基板之矽單結晶之結晶熱履歷所形成之氧澱積核在高溫 之R T A工程消滅，其R T A後因施加較高溫（9 0 0 t： 〜1 0 5 0 °C)之熱處理，形成澱積核並且同時使其核成 長，將使用即使於磊晶工程也不會消滅之澱積物之磊晶成 長用基板進行磊晶之成長。藉此，即使於磊晶工程即後， 由使用紅外散射截面X射線攝影術（tomography )之測定 裝置就可得到具有可檢出尺寸之澱積物之磊晶晶圓。 因此，即使N +基板在磊晶工程前之階段因澱積物已成 長，所以從裝置製程之初期階段可製造具有吸氣能力之磊 晶晶圓。又，在結晶熱履歷所形成之殿積核因會在R T A 工程消滅，所以無起因於其之偏差，可製造具有安定I G 能力之嘉晶晶圓。 並且，在晶圓原本所存在之空孔，或在RTA工程所 注入之空孔，因其後之熱處理工程之外方擴散從表面附近 被排除，所以在晶圓表面附近形成氧澱積物之無缺陷領域 (D Z層），對於形成於其上之磊晶層之結晶性有利地作 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 7〇Ζ (請先閲讀背面之注意事項再 W衣丨· 本頁 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495830 A7 ___ B7 五、發明説明（7 ) 用。 (實施例） . 茲舉出實施例將本發明再具體地說明如下，但是自不 待言這些實施例並非例示性地被限定解釋。 (實施例1 ) 準備直徑6英吋，結晶方位〈100〉，初期氧濃度 15ppma (JEIDA (日本電子工業振興協會）規 格）之S b摻雜基板。電阻率係約0 · 0 2 Ω c m。對此 基板，在氮環境下施加9 0 0 t：，1 0 0 〇 t：，3 0秒鐘 之 RTA。其後，在 900°C，1000 °C，l〇50t： 下施加2〜1 6小時之熱處理。熱處理環境係含有2 %氧 之氮環境（2%〇2/N2)進行。並且，去除熱處理後之 基板表面之氧化膜，在1 1 5 0 °C使其成長3 // m之磊晶 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 術 係澱加 A 滅可 影 關經增 T 消成 攝 之已加 R 會形 線 物理增由不可 射 積處之，也段 X 澱熱間板程階 面 氧之時基 Η 之 截 與時著 b 晶後 射 間小隨 S 磊即 散 時 2 ， 之之程 外 理經度積溫工 紅 處度密澱高晶。 用 熱溫之易於磊物 使 之何上容使在 m 度 度任以不即了« 密 溫於方於成得之 物 各使次，形曉寸 積 之即 7 果可，尺 澱 後。到結理且分 氧 A 圖察此處並充 將。T 2 觀從熱，有 ， 定 R 第度。之物具 後測在於密度後積之 之以 示物密其澱出 層加 表積·其與之檢 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -1〇 - 495830 A7 ____B7 五、發明説明（8 ) (實施例2 ) 準備直徑6英吋，結晶方位〈1 〇 〇〉，初期氧濃度 1 6 · 5 p p m a之A s摻雜基板。電阻率係約 〇· 005Dcm。與此實施例1同樣，對此基板，在氮 環境下施加1 200°C，30秒鐘之RTA。其後，在 900 °C，1000 °C，1050 °C 下施加 2 〜16 小時 之熱處理（2%〇2/N2)。並且，去除熱處理後之基板 表面之氧化膜，在1 1 2 5°C使其成長5 //m之磊晶層之 後，將氧澱積物密度使用紅外散射截面X射斷層攝影術加 以測定。 在R T A後之各溫度之熱處理時間與氧澱積物之關係 表示於第3圖。即使於任何溫度經2小時之熱處理已經澱 積物密度觀察到8次方以上之密度，隨著時間之增加增加 其密度。從此結果，與S b摻雜基板即使於A s摻雜基板 ，由R T A與其後之熱處理可形成即使於高溫之磊晶工程 也不會消滅之澱積物，並且，曉得了在磊晶工程即後之階 段可形成可檢出之具有充分尺寸之澱積物。 按，所以在短時間時之密度較實施例1稍高，被認爲 氧濃度之不同所致。 (實施例3及比較例1 ) 爲了調查R T A溫度之影響進行實驗。對於與實施例 1同樣之S b摻雜基板，在氮環境下施加3 0秒鐘之 R T A。R T A溫度係定爲1 1 5 0 °C (比較例1 )， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） 11 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項

頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495830 A/ B7 五、發明説明（9 ) 1 2 0 0 °C 及 1 2 5 0 °C (實施例 3 )。 RTA後，在1 〇 〇 〇°C施加8小時之熱處理（2% 〇 2 / N 2 )。並且，去除其熱處理後之基板表面之氧化膜 ，在1 1 5 0°C使其成長3 //m磊晶層之後，將氧澱積物 密度使用紅外散射截面X射斷層攝影術加以測定。 將RTA之溫度與氧澱積物之關係表示於第4圖。在 1 1 5 0 °C澱積物密度爲低至1 X 1 0 7 / c m 3以下，但 是在1 2 0 0 t以上時觀察到8次方以上之密度，從此結 果，曉得了 R T A溫度係在1 2 0 0 °C以上較佳。 爲了調查R T A環境之影響進行實驗。對於與實施例 1同樣之S b摻雜基板，在氫環境下施加1 2 5 0 °C， 30 秒鐘之 RTA。RTA 後，在 900 t：與 1 250 °C 下施加2〜1 4小時之熱處理（2 %〇2 / N 2 )。並且， 去除其熱處理後之基板表面之氧化膜，在1 1 5 0 °C使其 成長3 // m磊晶層之後，將氧澱積物密度使用紅外散射截 面X射斷層攝影術加以測定。 將R T A之各溫度之熱處理時間與氧澱積物之關係表 示於第5圖。即使於任何溫度在2小時之熱處理澱積物密 度已經觀察到8次方以上之密度，隨著時間之增加密度也 增加。從此結果，R T A之環境即使於氫時，因R T A與 其後之熱處理可形成連磊晶工程也不會消滅之澱積物，並 且，曉得了在磊晶工程即後之階段形成可檢出之具有充分 尺寸之澱積物。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4·規格（210X297公釐） _ 12 - 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495830 ___ B7 五、發明説明（1〇 ) (比較例2 ) 準備與實施例1及實施例2同樣之S b及A s摻雜基 板。對於這些基板，不施加R T A及其後之熱處理在 1 1 5 0 °C使其成長3 # m磊晶層之後，將氧澱積物密度 使用紅外散射截面X射斷層攝影術加以測定。其結果，使 用任何基板時，澱積物密度係5 X 1 0 6 / c m 3以下，與 各實施例比較具極低密度。 (比較例3 ) 準備與實施例1及實施例2同樣之S b及A s摻雜基 板。對於這些基板，在氮環境下施加1 2 0 0/C，3 0秒 鐘之RTA。其後，施加800 t，2小時之熱處理（2 %〇2 / N 2 )。其後，去除基板表面之氧化膜，在 1 1 5 0 t使其成長3 // m磊晶層之後，將澱積物密度使 用紅外散射截面X射斷層攝影術加以測定。其結果，使用 任何基板時，澱積物密度係5 X 1 0 7/ c m 3以下。 從上述實施例1〜4及比較例1〜3，對於S b及 A s摻雜基板，因施加本發明之RTA及9 0 0 °C〜 1 0 5 0 °C之熱處理，曉得了即使於磊晶工程後可形成具 有充分密度之氧澱積物。 按，即使不容易澱積之S b或A s摻雜之N+基板因具 有充分效果，即使於容易澱積之B (硼）摻雜低電阻率基 板，或P (磷）摻雜或B摻雜之通常電阻率基板確實可得 到充分效果。 ’ 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 m 本 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13 - 495830 A7 _ B7 _ 五、發明説明（11 ) 【產業上之利用可能性】 如以上所說明，若依據本發明，不至於受到磊晶成長 用基板之結晶熱履歷之影響，發揮安定之I G能力，從裝 置製程之初期階段就可得到具有優異I G能力之磊晶晶圓 。尤其即使使用氧澱積不容易進行之N+ 基板之N/N + 嘉晶晶圓，也可得到充分之I G能力。 圖式之簡單說明 第1圖係表示本發明之矽磊晶晶圓之製造方法之工程 順序之流程圖。 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項 再 m 本 頁 例 表 圖 之 係 關 施之 實度 於密 示物 表積 係澱 圖氧 2 與 第間 時 Π1 二 理 處 熱 之 度 溫 各 之 後 A T R 之 處 熱 之 度 溫 各 之 後 A RT表 圖 之之 !12係 伋關 施之 實度 於密 示物 表積 係澱 圖氧 3 與 第間 時 彐二 理 表 圖 之 係 之 度 密 ϋ3物 例積 施澱 實氧 於與 示間 表時 係理 圖處 4 熱 第之 度 溫 例 較 比 及 各 之 後 A T R 之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 施之 實度 於密 示物 表積 係澱 圖氧 5 與 第間 時 彐二 理 處 熱 之 度 溫 各 之 後 A T R 之 4 例 表 圖 之 係 關 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -14

Claims (1)

1. 495830 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 . 一種矽磊晶晶圓的製造方法，其特徵爲： 對於磊晶成長用之矽基板，在1 2 0 0 t〜1 3 5 0 °C溫度下進行1〜1 2 0秒之R T A (快速加熱·快速冷 卻熱處理），再在9 0 0°C〜1 0 5 0°C溫度下進行2〜 2 0小時熱處理之後，在上述矽晶圓表面形成磊晶層。 2 .如申請專利範圍第1項之矽磊晶晶圓的製造方法 ，其中上述磊晶成長用之矽基板，係導_型爲η型而電阻 率爲0 · lQcm以下。 -----------;!裝.--- 請先閱讀背面之注意事項本頁) ;線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -15-