TW498114B - Method for manufacturing silicon single crystals and wafers adapted for producing semiconductors - Google Patents

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TW498114B
TW498114B TW088114531A TW88114531A TW498114B TW 498114 B TW498114 B TW 498114B TW 088114531 A TW088114531 A TW 088114531A TW 88114531 A TW88114531 A TW 88114531A TW 498114 B TW498114 B TW 498114B
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Toshiaki Saishoji
Kozo Nakamura
Shin Matsukuma
Junsuke Tomioka
Takashi Yokoyama
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Komatsu Denshi Kinzoku Kk
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Description

SU4
五、發明說明（1) 【發明所屬之技術範疇】 晶圓者，】：：：:早結晶製造方法及半導體形成用 氣環境高W钕=一種、用於cz(czochralski)矽晶圓之氫 造方C 下稱為氫氣熱處理)之CZ石夕單結晶製 實施C該方法製造出之權晶所切割出之 者。A熱處理而使缺陷消失所成之半導體形成罔晶圓 【習知之技術】 D吉晶係使用於作為半導體元件 法製造。以法者係於掛網中充填多、= 禍溶液中*、，、、_ ί 將:裝於種子夹的種子結晶浸潰於掛 之直徑及長度邊回轉而一邊拉引’使石夕單結晶成長至一定 壯^此種石夕單結晶切片而製造晶圓，而於活性面上搭載 钰=1但近年來隨著裝置構造之微細化及高積體化，閑 之耐壓特性倍受重視。作為在間極氧化膜形成工 紅中減低產生於氧化膜上之缺陷之方法，有特公平 3:8 0 338號公報所揭載之技術。此方法提出在矽晶圓表面 氧ΐ膜形成工程前，先於包含有氫氣之非氧化性氣體環境 中貝行熱處理之技術。實施過氫氣熱處理之以矽晶圓，其 於結晶成長中導入結晶内之grown_ i η缺陷，例如 LSTD(Laser Scattering Tomography Defects) > FPD(Flow Pattern Defects)與C0P(Crystal 〇riginated
Particle)等之晶圓表層空隙狀缺陷經過檢測均乃消失，
ϋ 498114
可得到甚優之氧化膜耐壓特性者，已為公知。 T，該效果有僅產生於晶圓極表面附 ^本發明之發明人著眼於消除缺陷缺、大， 度產生帶之冷卻速度而使缺陷大小充份二 願平9-272 1 3號）。 、之方広（特 【發明欲解決之課題】 惟’該種方法有一課題 時’則因較習知之小徑之石夕 實現將缺陷大小充份微細化 在結晶之成長過程中無法得 大型石夕晶圓時之利用氫氣之 有極難實現之問題。 :即當矽晶圓直徑超過200mm 早結晶其熱容量為較大5故欲 之冷卻速度者為甚困難。亦即 到充份的冷卻效果，對於製造 熱處理去消除缺陷之作業而言
本發明之目的在於提供一種不論矽單結晶之大小為 1 i可使空隙狀缺陷之利用氫氣之消除效果達到深層部的 石=結晶製造方法，與一種利甩此種方法製造之使缺陷消 /朱度為更深之半導體形成用晶圓者。 【解決課題之方式】 本發明之發明人係著眼於前述問題點，為調查以各種 么、件成長之CZ石夕單結晶之除調整冷卻速度外之其他可縮小 2陷之條件，乃以上述結晶成長中之拉引速度（v)與位於 結晶中心部之熔點附近之結晶軸方向溫度梯度（G)之比V/G 作為控制因素進行研究。 一般’包含於CZ石夕單結晶中2Grown-in缺陷，在實行
第6頁 五、發明說明（3) 熱氧化處理時所產生之環狀氧化誘發積層缺陷部（OSF環） 之内側與外侧上為不同者，乃為周知。於OSF環内側被認 為存f有原子空孔集合體之空隙狀缺陷，將此MOS裝置之 間極氧化膜之可靠度變劣。一方面，於OSF環之外側之區 域亡:般存在有被認為是格子間矽凝集體之差排叢集，會 使半&體元件之特性劣化者，亦為周知。又，有報告指出 此1，陷種子係由結晶成長中之拉引速度（V)與熔點附近 之、、、口日日轴方向温度梯度（G)所決定（M· H〇urai et· A1 · 18th Interntional Conference on Defects in
Semiconduct〇rs(l 995 ))。通常，晶圓因差排叢集之存在 而為回避成為問題的裝置即接合面之漏電，係加快拉引速 度使fSF環跑出石夕單結晶外側，使矽單結晶内部不致產生 0SF環產生區域。 、惟’以結晶成長中之拉引速度（V)與位於結晶中心部 =熔，，近之結晶軸方向溫度梯度（G)之比v/G作為控制因 二=忒著進仃調查時發現，使V/G在〇SF環開使出現於自矽 早、、、口日日切下之晶圓的外周上時為v/g = 〇· Μ·"以 :且以使0SF環半梭為晶圓半徑之〗/ 2以上之範圍之方 L賣：釔曰曰成ί :而藉以製造矽單結晶時，則不會發生差 Q本L可用氫氣熱處理使缺陷至少消失至自表層起深度 3 // m之範圍。 ?几^此+本發明有關之石夕單結晶製造方法係以使晶圓熱 ^处理日守所產生之氣化誘發積層缺陷部（環）之半徑 ’、、、開始山現於曰曰圓外緣之區域起至出現於晶圓半徑的
第7頁 498114
1 / 2為止之區域 的0 之條件’拉引製造矽單結 達成上述目 五、發曰j 又’其特徵在於：以
作拉引製造者。 •以使結晶成長中之拉引速度V與石夕 梯度G之比V/G為〇· 25mm2/ 〇C 晶圓半徑之1 / 2以上之條件， 化产又士本發明有關之半導體形成用晶圓係以使晶圓熱氧 $理時所產生之氧化誘發積層缺陷部（〇SF環）之半徑為 开始出現於晶圓外緣之區域起至出現於晶圓半徑的丨/2 為止之區域之條件，拉引製造矽單結晶，而由該單結晶製 作形成晶圓，並對此晶圓施以使用氫氣或非氧化性氣體之 熱處理而使空隙狀缺陷消失者。 、 又’本發明復提供一退火用矽單結晶晶圓（適合作為 退火用晶圓之晶圓），其為包含有空隙狀缺陷之矽單結晶 晶圓’且其特徵在於：空隙狀缺陷之大小為丨2 〇 ηπι以下。 又’為該目的，於〇2(〇20(：1^8131^)法中將矽單結晶以下 述之條件加以拉引為較佳。 C. R. >2. 〇 X(l~exp(~15. 35 x(V/G-〇. 15)))2*5 且V/G >0· 15，且R·。 (其中’ V為拉引速度；g為固液界面附近（決定缺陷形狀之 溫度範圍）之軸方向溫度梯度（°c/mm) ; C. R.為1120 °C附近 (形成空隙狀缺陷之溫度範圍）之冷卻速度（°C / m i n )。） 又’本發明者，其一般性概念，係提供一方法，乃在 以C Ζ法製造矽單結晶之方法中，控制結晶拉引條件以追循 吁70丄 五、發明說明（5) V/G之減少而減少c R ^ 包含之空隙狀缺陷猎此縮小拉引後之矽單結晶中所 【實施例u 、大小者。 以結晶成長中夕. 點附近之結晶轴方^引速度（v)與位於結晶中心部之熔 調查自石夕單結晶切=溫度梯度（G) <作為控制因素而 光強度。結晶為予力圓上之由空隙狀缺陷所造成之散 結晶方位<100>/且;作/4參雜劑之蝴的直徑200咖、P型、 引速度之成長條件之為人=7單==時之爐内熱區及拉 < 口叶1 7位準的物品。 示。如=5 : ί传：Μ與散光強度之關係乃如第1圖所 只回不，畜V/G為0· 25mm2/ 〇Cmin以下之條件時， = 之紅外線散光斷層照像所形成之散光 因於此V/G範圍中包括有⑽環之外侧範圍，而有 曰產二是排叢集之顧慮。使V/G變化時之〇SF環之產生狀離 係如第2圖所示。於V/G為(K25mmVt：min以下時，〇訂環^ 始生成於石夕單結晶12之外周，其值越小則〇SF環1〇越接近 中心。在OSF環10之内側發現了空隙狀缺陷14，而如第i圖 所示，隨著V/G變小其空隙狀缺陷亦慢慢變小。而〇SF環1〇 之外周範圍則有V/G越小而越擴大而產生差 能性，故實行有無差㈣集之產生及實施氯排：二二 效果之確認工作。其結果之一覽如表1所示。
第9頁 498114 五、發明說明（6) 【表1]
I氫氣熱處理後I
No as-grown 之耐壓良 品率(％) as氫氣 處理之耐 壓良品率 (%) 3//m 研 磨後之耐 壓良品率 (%) 差排 叢集 之有 無 OSF環 半徑 (mm) V (mm/ min) G (°C/ mm) V/G (mm2 /°Cm in) 1 53.7 100.0 55.9 無 未產生 0.70 2.65 0.264 習 2 50.8 100.0 55.4 無 未產生 0.65 2.30 0.283 3 56.5 99.4 59.3 無 未產生 0.75 2.75 0.273 4 62.1 100.0 62.7 無 未產生 0.63 2.50 0252 5 98.9 100.0 100.0 有 未產生 0.40 2.65 0.151 6 100.0 98.9 100.0 有 未產生 0.40 2.30 0.174 7 98.3 100.0 100.0 有 未產生 0.40 2.75 0.145 8 99.4 100.0 99.4 有 未產生 0.40 2.50 0.160 9 90.4"^ 100.0 100.0 有 25.0 0.50 2.65 0.189 知 10 74.0 98.3 98.9 有 48.0 0.50 2.30 0.217 11 89.8 10—0‘0 100.0 有 23.0 0.50 2.75 0.182 12 80.2 100.0 100.0 有 36.0 0.50 2.50 0.200 本 13 62.7 100.0 100.0 無 75.0 0.60 2.50 0.240 發 14 72.9 99.4 100.0 無 50.0 0.50 2.40 0.208 15 69.5 100.0 99.4 無 64.0 0.53 2.40 0.221 Λ 16 57.6 100.0 100,0 無 77.0 0.56 2.40 0.233 17 49.7 100.0 97.2 無 90.0 0.60 2.40 0.250 V:拉引速度 G:熔點〜1350°C間之結晶方向溫度梯度 口 /由前述結果可知5差排叢集之產生於OSF環半徑為晶 圓半徑之1/2以上時即不產生（第2圖之斜線區）。又，以各 種CZ成長條件製造出之鏡面晶圓之氧化膜耐壓良品率在 a=grown狀態約為5〇〜1〇〇%範圍而有甚大變化，但對^亥一等 施行1 20 0 °c X lhr的氫氣熱處理後，可將所 到約100%左右。 @。
第10頁
單結用處理用基板之cz、M⑽ 適用非氧化性處理之氣體環境亦可 等。 及4寻乳體與氲氣混合之混合氣體 【實施例2】 此貫施例者係者虐 越顯著之情形，而$二2 f陷尺寸越小則氫氣熱處理效果 關係’而求得具有可二—缺陷大小與氫氣熱處理效果之 晶製造條件之範圍。T所期效果之結晶缺陷大小的單結 無缺陷，故所須之缺^二因要求裝置須至表層以下3 為 上。 缺^消除效果必須達至表層起3 /z m以 製作出被認為B斜从&
與C.R·為不同之結曰^缺陷尺寸產生影響之製造條件WG 。曰曰CV··拉引速度（mm/min)，G;固液界面
498114 五、發明說明（8) 附近（決定缺陷形狀的溫度範圍）之軸方向溫度梯度（°C /mm)，C· R· : 1120 °C附近（空隙狀缺陷形成溫度範圍）之冷 卻速度（°C/min))，對自此等結晶所得之晶圓求取LSTD之 散光強度（三井金屬礦業M04 0 1 )，使用檢測量線調查缺陷 大小。又，以1 2 0 0 °C作一小時之氫氣熱處理後，研磨表層 3 // m調查其氧化膜耐壓良品率。 結果如表2及表3所示。表2及表3係揭示結晶製造條件 之拉引速度V、結晶軸方向固液界面附近溫度梯度G、 V/G、1120 °C附近之冷卻速度c· R·、缺陷大小及氫氣熱處 理研磨3 μ m後之氧化膜耐壓結果等。氧化膜耐壓性係以氣 化膜厚25nm及電極面積1 〇 mm2之條件作測量，判斷為缺陷 充份消失者亦即C模式率9 5%以上者標註以” 記，而未滿 該標準者則標註以，’ X”記。 【表2】 結晶製造條件，缺陷大小、氫氣熱處理後研磨3 # m 後之氧化膜耐壓良品率之結果 氧化房 1耐壓之、麵 〖果’良品率95%以上者爲，，〇’， G °C/mm V mm/min V/G mm2/°Cmin 冷卻率 °C/min 大小 nm 研磨3 // m後 之GOI結果 3.36 0.81 0.24 1.78 115.6 0 3.20 0.64 0.20 1.44 106.5 〇 2.53 0.53 0.21 0.90 — 1112.3 〇 2.72 0.50 0.18 0.84 109.6 〇 2.99 0.72 0.24 1.19 117.4 1 〇 2.87 0.59 0.21 ^ 1.02 il〇6.4 [Ο 2.96 0.48 0.16 —~ 0.83 ^9.1 Ο 2.20 0.57 0.26 ~~ 0.73 J47.3 X 2.05 0.43 0.21 0.56 H 156.5 X 1.97 0.36 0.18 0.54 101/7 ο
第12頁 498114 五、發明說明（9) 2.16 0.54 0.25 0.70 140.9 X 1 2.09 0.47 0.22 0.62 128.8 —~X ! 6.18 1.30 0.21 5.73 93.7 〇 ! 6.18 1.50 0.24 6.62 97.7 0 2.45 0.52 0.21 1.12 97.7 0 2.43 0.50 0.21 1.08 97.5 0 2.42 0.49 0.20 1.06 88.6 0 3.50 1.30 0.37 3.88 102.9 0 3.50 1.30 0.37 55.28 39.3 0 3.50 1.30 0.37 58.01 40.8 0 3.50 1.30 0.37 45.93 56.6 0 3.50 1.56 0.45 4.66 104.3 0 3.50 1.56 0.45 55.28 37.8 0 3.50 1.56 0.45 56.79 40.2 0 3.50 1.56 0.45 46.43 46.3 0 1.80 0.40 0.22 39.35 41.0 0 1.80 0.40 0.22 20.82 46.0 0 1.80 0.40 0.22 7.76 101.5 0 1.80 0.86 0.48 2.40 119.5 0 1.80 0.86 0.48 7.71 101.6 0 1.80 0.86 0.48 18.06 73.4 0 1.80 0.86 0.48 34.38 49.6 0 1.80 0.69 0.38 1.36 136.6 X 1.80 0.69 0.38 52.09 36.0 0 1.80 0.69 0.38 31.65 60.9 0 1.80 0.69 0.38 1.36 134.2 X 1.80 0.69 0.38 32.76 59.0 0 1.80 0.69 0.38 136 140.6 X 1.80 0.69 0.38 23.68 53.5 0 1.80 0.69 0.38 14.84 83.9 0 1.80 0.69 0.38 1.68 164.7 X 1.80 0.69 0.38 30.86 56.8 0 1.80 0.69 0.38 1.36 141.3 X 1.80 0.69 0.38 23.39 56.2 0 1.80 0.69 0.38 31.75 51.8 0 1.80 0.69 0.38 29.21 64.8 ο 1 1.80 0.69 0.38 1.38 153.4 X 1.80 0.69 0.38 23.17 52.2 〇 | ΙΙϋϋΙ 第13頁 498114 五、發明說明（ίο) 【表3】 結晶製造條件，缺陷大小、氫氣熱處理後研磨3/zm 後之氧化膜耐壓良品率之結果
氧化膜耐壓之結果，良品率95%以上者為 G °C/mm V mm/min V/G mm2/°Cmin 冷卻率 °C/min 大小 nm 研磨3 // m後 之GOI結果 1.80 0.69 0.38 13.16 83.3 0 1.80 0.69 0.38 32.06 34.9 0 1.80 0.69 0.38 29.21 53.9 0 1.80 0.69 0.38 20.06 70.3 0 1.80 0.69 0.38 1.36 144.5 X 1.80 0.69 0.38 48.73 37.9 0 1.80 0.69 0.38 1.36 128.9 X 1.80 0.69 0.38 50.35 34.6 0 1.80 0.69 0.38 31.36 60.4 0 1.80 0.69 0.38 1.36 151.4 X 1.80 0.69 0.38 50.13 37.8 0 1.80 0.69 0.38 31.36 52.6 0 1.80 0.69 0.38 1.36 140.3 X 1.80 0.69 0.38 15.70 43.5 0 1.80 0.69 0.38 23.25 38.2 0 L80 0.69 0.38 27.88 59.3 0 1.80 0.69 0.38 1.36 116.0 0 1.80 0.69 0.38 44.65 30.8 0 1.80 0.69 0.38 1.36 161.4 X 1.80 0.69 0.38 1.75 116.1 ο 1.80 0.69 0.38 2.50 119.9 0 1.80 0.69 0.38 1.00 160.2 X 1.80 0.69 0.38 1.17 156.9 X 1.80 0.69 0.38 0.90 168.6 X 1.80 0.69 0.38 0.71 189.9 X 1.80 0.69 0.38 0.34 181.0 X 1.80 0.69 0.38 0.27 187.5 X
mmi 第14頁 498114 五、發明說明（11)
2.20 0.62 0.28 4.00 103.6 0 2.20 0.66 0.30 1.50 148.7 X 2.20 0.66 0.30 8.00 85.1 0 2.20 0.70 0.32 2.10 116.1 0 2.20 0.70 0.32 5.20 100.6 0 2.20 0.92 0.42 2.10 113.1 0 2.20 0.53 0.24 3.00 101.2 0 2.20 0.81 0.37 3.00 115.1 0 2.20 0.99 0.45 3.00 117.8 0 2.20 1.08 0.49 5.00 108.2 0 2.20 0.92 0.42 4.60 110.2 0 2.20 1.00 0.45 1.80 124.5 X 2.20 1.00 0.45 1.00 126.5 X
ΙϋϋΙ 第15頁 498114
從前述結果可知，缺陷大小為12〇nm以下時則至 //皆顯示優秀的氧化膜耐壓特性。 曰 第3圖為缺陷大小大於丨2〇nm時與小於12〇11111時之 V/G與冷卻速度之條件所標繪之圖表。第3圖中黑圈表示缺 陷大小為120nm以下且為有效的標繪（被判斷為缺陷消 失之C模式率95%以上者），而白圈表示缺陷大小為12〇/以 上且為無效的標緣（C模式率未滿95%者）。 、從此第3圖中求取黑圈和白圈之境界之函數時可得 下式。 C· R· >2· 0 Xd-exp (一15· 35 X(V/G -0· 15)))2.5 因此，欲使缺陷大小為1 2 〇 n m以下則以下式所示 件操作即可。 ％ C· R· >2· 0 X(l-exp(一 15· 35 X(V/G-0· 15)))2.5 在此，V/Gg〇· 15之條件者，在經驗法則上將於晶 全面產生差排叢集，使PN接合漏電特性惡化，而不適9於^ 置用晶圓，故必須排除此一範圍。因此根據上述四個.^ 須設成「V/G>0· 15」才可。 千 又，經由與特願平9 -27 2 1 3號（提示「2<C· R·」之條件 作為適合氫氣熱處理效果之結晶之製造方法）之相關關’、 係’因本發明即使速度不超過2 ^/min在”〇較〇 · 3為小之 範圍亦可得到適合氫氣熱處理之結晶，故將本發明以此挂 術定位，可再加上特願平9 — 272 1 3號有關之「2<CR·」之 條件（第3圖中配合揭示特願平9 — 272 1 3號之申請專利範 圍）。因此，適合退火用之矽單結晶晶圓之製造條件可成
498114 五、發明說明（13) 為如下式所示之新的範圍。 \2. 5 C. R. >2.0 x( 1-exp (>15. 3 5 X(V/G~〇. 15)))^ 且V/G >0· 1 5，且2>C. R.。 * 【發明之效果】 如上所述，依本發明，使用本發明所製造出之cz 結晶晶圓作為氣氣熱處理用基板時，可在不改變 理條件之情形下，較以往更擴大晶圓表面起之深声方 之氫氣熱處理效果，且可製造出不存在有差 ς二 圓。 卜取木〜曰日 【圖式簡單說明】 石夕炼點附近之結晶 強度之關係之示意
第1圖為結晶成長中之拉引速度V與 轴方向溫度梯度G之比V/G之相對於^散^ 圖0 第2圖為結曰曰成瓦中之拉引速度v與矽熔點附近之結晶 軸方向溫度梯度G之比V/G與矽單結晶内之〇SF環之關係之 示意模式圖。 第3圖為缺陷大小為大於及小於12〇nm時之各場合之根 據V/G與冷卻速度之條件所標綠之示音圖。 【符號之說明】 ^ ~ 10 OSF 環 12 矽單結晶 14 空隙狀缺陷 16 差排叢集
第17頁

Claims (1)

  1. 498114
    1 · 一種矽單結晶製造方法，苴 氧化處理時所產生之氧化誘發積層缺陷二以下以稱使為:二熱 r半之/二始3於晶圓外緣起之區域至出現於晶 囫丰仫的1/2為止之區域之條件，拉弓丨製造矽 曰 *中2之製广，其特徵在於：二晶成 比V/G為0.25_V°Cmin以下，且使0SF俨夕f '里度梯度之 徑之w以上H作二I製HSF之半徑為晶圓半 氧上？Π體形成用晶圓，其特徵在於：…圓熱 圓半徑的1/2為止之區域之條件， 曰圓於曰由該皁結晶製作形成晶圓，並對此 ;:二使用氯氣或非氧化性氣體之熱處理而使空隙狀缺 長中4之導體形成用晶圓，其特徵在於：則吏結晶成 比V/G ^ R度¥與矽熔點附近之結晶軸方向溫度梯度G之 之1/2 ί / °Cmi n以下且使0SF環之半徑為晶圓半徑 形成曰曰η上之條件，拉弓1製造單結曰曰曰，而由該單結晶製作 處理；：，亚對此晶圓施以使用氫氣或非氧化性氣體之熱 &里而使空隙狀缺陷消失者。 啤狀^ —種半導體形成用晶圓，屬退火用者，且包含有空 ^厂缺陷，其特徵在於：空隙狀缺陷之大小為12〇龍以 6·—種矽單結晶製造方法，其特徵在於：以下述之條
    第18頁 498114 六、申請專利範圍 件拉引者： C. R. >2. Ο X ( l-exp(-l 5. 35 X ( V/G-0. 15)) )2·5 JLV/G >0. 1 5，且2>C. 3R. 其中，V為拉引速度；G為固液界面附近（決定缺陷形 狀之溫度範圍）之軸方向溫度梯度（°C /mm) ; C. R.為11 20 °C 附近（形成空隙狀缺陷之溫度範圍）之冷卻速度（°C / m i η )。 7. —種矽單結晶製造方法，以CZ法製造矽單結晶，其 特徵在於：藉由控制結晶拉引條件成追循V/G之減少而減 少(λ R.之方式，縮小拉引後之矽單結晶中所包含之空隙狀 缺<陷之大小者。
    第19頁
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