TW557496B - Epitaxial wafer and its manufacturing method - Google Patents
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Description
557496 A7 B7 五、發明説明（〇 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種嘉晶晶圓及其製造方法，係即使在 對晶圓施加任一種裝置形成熱處理（由指低溫、短時間的熱 處理）之情況下，使晶圓具有足夠的吸附能力，在晶圓內部 形成足夠的BMD(Bulk Micro Defect:內部微小缺陷）作爲吸 附側之磊晶晶圓及其製造方法。 【習知技術】 用以製作半導體積體電路等裝置的晶圓，主要係使用 以CZ法育成之單晶矽晶圓。在該單晶矽晶圓的表面附近極 力無缺陷化時，雖提昇了裝置的品質，惟提昇其品質最有 效的方法之一爲磊晶晶圓，其優越性已獲證明。 另外，在晶圓的主體中雖形成高密度的缺陷（BMD)，但 對於裝置製作卻很有利。這是因爲在裝置形成熱處理中， 被重金屬雜質污染的機會相當多，由於該重金屬對於裝置 動作將產生不良影響，所以必須多次從裝置形成區域表面 附近除去該重金屬之緣故。因應該要求的方法爲吸附技 術，該吸附技術係在晶圓的內部部形成BMD作爲吸附側。 藉由拉晶（CZ)法所製造的單晶矽在製造階段中雖無法 避免地含有氧氣，但是其氧濃度爲可控制，因應目的製造 出具有各種氧濃度之CZ-矽晶圓。當上述氧原子接受熱處理 時，在晶圓內部形成氧氣析出物。此爲BMD的主要成分。 上述BMD的周圍含有很多結晶晶格的缺陷。該缺陷可用以 捕捉重金屬雜質。該方法在各種的吸附技術中稱爲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2ΐ〇χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -4 - 557496 A7 __B7 五、發明説明（2) IG(Internal Gettering ;內部吸附）。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 一般可考慮幾種方法應用該IG法。最簡便的是在裝置 形成熱處理中同時形成BMD的方法。這對於在裝置形成熱 處理爲局溫時甚爲有效，但是在1 〇 〇 〇 °C以下的低溫中則無 法發揮效果。尤其是近年來裝置製程低溫化，漸漸無法期 待BMD的形成。在這種低溫製程的情況下想要強的吸附能 力時，亦有在投入裝置前形成BMD的方法。該方法稱爲 DZ(Denuded Zone)-IG，利用高溫熱處理使表面附近的氧原 子向外擴散且放出至晶圓外，再進行氧氣析出核形成與成 長的2段熱處理，而獲得目的之BMD密度的方法。然而， 熱處理較爲複雜且需要長時間，成本相當高。 因此，近來使用一種方法作爲在吸附時於晶圓主體中 簡便形成所需的BMD之手段，係在以CZ法所引拉的單晶 矽中添加氮氣的方法。周知在氮與氧共存於矽中時，由於 氧的析出核形成速度高，故可容易形成BMD。藉由該方法 所製造出的矽晶圓具有高的BMD密度，故在吸除法中被認 爲是最加的晶圓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 可同時實現該添加氮之晶圓的吸附能力與優良的表層 品質兩者之晶圓，係以添加氮的晶圓作爲基板之磊晶晶 圓。與習知的磊晶晶圓相比，由於一開始就含有BMD，故 被認爲具有高的吸附能力。實際上，接受裝置形成熱處理 之後的晶圓特徵爲，由於BMD更加成長，因此具有充分的 吸附能力。 然而，近來不僅裝置形成熱處理低溫化，亦出現 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5 - 557496 A7 B7 五、發明説明（3) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) KTAUapid Thermal Annealing)化的傾向。亦即，需花費數 小時的裝置形成熱處理，現在係以數秒至數分的單位進行 者。在這種短時間的熱處理中，於其過程中幾乎無法期待 有BMD的形成或成長。繼而，進行這種裝置形成熱處理後 的晶圓其內部所檢測出的BMD密度即使是被認爲是足夠的 BMD密度：l〇8/cm3左右，亦有吸附能力不足之缺陷。 【發明之揭示】 本發明係有鑑於上述問題點而硏創者，目的在於不依 存之後施加於晶圓的裝置步驟，可確實獲得具有高吸附能 力的單晶砂晶圓。 爲了解決上述問題點，本發明之磊晶晶圓特徵在於： 在摻雜氮的單晶矽晶圓表面形成有矽磊晶層者，主體中具 有吸附能力的氧析出物密度高於108個/cm3。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如此，形成磊晶層的基板之主體中具有吸附能力的尺 寸之氧析出物密度高於1〇8個/cm3以上的磊晶晶圓，即使在 之後晶圓所投入的裝置製程RTA化或低溫化時，由於具有 吸附能力尺寸的BMD以充分的密度存在，故可發揮充分的 吸附能力。再者，由於在晶圓表面形成有磊晶層’故使晶 圓表面的品質良好。 此外，若以現在的光學測定裝置檢測出氧析出物的尺 寸之半徑爲30至40nm(形狀假設爲球狀時）’雖確實具有吸 附能力，惟即使爲低於該尺寸以下的尺寸’若半徑高於 1 Onm，則可確認出具有吸附能力者與透過型電子顯微鏡 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6- 557496 A7 __B7 五、發明説明（4) (TEM)觀察的結果。 又，本發明係一種磊晶晶圓的製造方法，其特徵在 於：以拉晶法引拉添加加氮的單晶矽，在晶圓上加工該單 晶矽，製造出單晶矽晶圓，在該單晶矽晶圓進行熱處理， 使晶圓主體中具有吸附能力的尺寸之氧析出物密度高於1 〇s 個/cm3，繼而在上述單晶矽晶圓上進行磊晶成長。 如此，藉由在該單晶矽晶圓進行熱處理，將晶圓主體 中具有吸附能力的尺寸之氧析出物密度設爲1〇8個/cm3以 上，繼而在上述單晶矽晶圓上進行磊晶成長，可在晶圓主 體中存在具有充分吸附能力的尺寸之BMD密度。因此，即 使之後的裝置製程RTA化或低溫化等，可製造出具有滿足 要求的吸附能力之晶圓。又，此時的熱處理由於在單晶矽 添加氮，故不需進行如未添加氮的晶圓之複雜的長時間熱 處理，以較簡單的短時間進行熱處理。繼而，在晶圓表面 由於藉由磊晶成長形成磊晶層，故可獲得良好晶圓的表層 品質。 此外，對該單晶矽晶圓施加的熱處理由於係藉由之後 所進行的高溫下之磊晶成長使氧析出物的尺寸縮小，因此 在該熱處理步驟中氧析出物的尺寸以設爲半徑30至40nm 以上，密度設爲1 〇9個/cm3以上較佳。亦即，結果，使磊晶 成長後之磊晶晶圓具有吸附能力的尺寸之氧析出物設爲i 0s 個/cm3以上較佳。
此時，在上述單晶矽晶圓上所進行的熱處理，係由600 °C至1〇〇〇°C、0.5小時至8小時的第1熱處理；以及800°C 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — I.-------P, (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 557496 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（5) 至1150°c、〇小時至10小時的第2熱處理組成之熱處理。 這是因爲即使藉由添加氮以促進氧析出核形成，氧析 出過程亦分爲析出核形成與成長的兩階段。繼而，在該各 階段中，最適合的溫度及時間因初期氧濃度或添加氮濃度 而異，在決定熱處條件時必須最適化。從而，具有本發明 之功效，藉由熱處理以由600°C至1000°C、0.5小時至8小 時的範圍內進行的第1熱處理與800°C至1150°C、0小時至 10小時的範圍內進行之第2熱處理組成之熱處理，在晶圓 主體中可確實以所需的密度形成發揮吸附能力的1 〇nm以上 的 BMD。 此時，在引拉添加上述氮的單晶矽之際，該單結晶所 添加的氮濃度設爲1013至1014個/cm3。 如上所述，已知藉由對矽結晶添加氮，可促進氧析出 核形成。此時，由於添加氮確實具有功效的濃度爲lx 1〇M 個/cm3，故已設爲高於該濃度以上之濃度爲佳。另外，若氮 濃度低於lx 1014個/cm3，由於可明顯抑制因矽晶圓表面的 缺陷引起而形成的磊晶層的積層缺陷（SF)等磊晶缺陷，故以 設爲低於該濃度爲佳。 如上述，根據本發明之簡單方法，可獲得不依存於之 後進行的裝置步驟，且具有高的吸附能力的磊晶晶圓。 【發明之實施形態】 以下說明本發明。 本發明者係進行用以獲得具有不依存於裝置步驟之吸 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
-8 - 557496 A7 ____B7__ 五、發明説明（6) --------f (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 附能力的磊晶晶圓之精闢硏究。習知在摻雜氮的單晶矽晶 圓上進行磊晶成長之晶圓，係在施加使主體中的氧氣析出 物成長至可檢測的尺寸爲止之熱處理（例如800°C /4h+100(TC /16h)後，在測定BMD密度時，於投入裝置製程之前，BMD 密度爲10s個/cm3左右，爲具有高的吸附能力者。然而，根 據其後所投入的裝置製程，無法獲得所要求的吸附能力。 因此，本發明者對於直接在晶圓上進行添加氮的單晶 矽之加工的生成態Us-grown)之摻雜氮單晶矽晶圓或僅於其 上使磊晶層成長的磊晶晶圓，使用透過型電子顯微鏡詳細 檢查主體中的BMD。結果，判斷正確檢測出的BMD密度爲 10s個/cm3左右，其BMD的半徑尺寸大部分小於10nm。此 外，如DZ-IG，進行高溫、長時間的熱處理，對必須具有吸 附能力的晶圓進行相同的調查時，判斷即使爲相同的BMD 密度，其BMD的半徑尺寸高於10nm，大部分大於藉由光學 性檢測裝置檢測出的半徑3 0至4 0 n m。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，實際上當BMD發揮吸附能力時，其半徑尺寸至 少需大於10nm以上，且以半徑30nm以上爲佳，藉由該 BMD的尺寸至少在半徑10nm以上，不需依存於之後的裝置 步驟，而提供一種可發揮吸附能力的晶圓。 因此，本發明者推測對於添加氮的單晶矽晶圓而言， 在進行磊晶成長之前進行熱處理，使BMD的尺寸成長，使 實際上具有吸附能力的尺寸之BMD密度增加。此時的熱處 理與上述的DZ-IG所進行的熱處理不同，由於在晶圓添加 氮，故可以進行較簡單的短時間之熱處理，以形成所需的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 一 -9 - 557496 A7 _____ B7_ 五、發明説明（7) BMD 〇 本發明依據這種基本思想，完成檢討各條件的結果。 以下，雖詳細說明本發明，惟本發明並不限定於此。 在本發明中，以CZ法育成摻雜氮的矽晶棒，例如亦可 依據日本特開昭60-251190號所揭示的週知方法。 亦即，CZ法雖然是使種晶接觸石英坩鍋中所收容的晶 矽原料之融液，一邊使其旋轉，一邊慢慢引拉，而育成所 期望之直徑的矽晶棒的方法，但藉由事先在石英坩鍋內放 入氮化物、或在矽融液中投入氮化物、或將環境氣體設爲 包含氮的環境等，也可在引拉的結晶時摻雜氮。此時，藉 由調整氮化物的量、氮氣濃度或導入時間等，可控制結晶 中的摻雜量。 如此，在以CZ法育成單結晶棒之際，藉由摻雜氮，可 助長矽中的氧原子凝結，使氧析出物密度提高。此時，氮 濃度以設爲lx 1013至lx 1014個/cm3爲佳。這是因爲當氮濃 度高於lx 1013個/cm3時，氧析出核可以生成態狀態確實形 成，故在熱處理後可更確實製作出氧析出物密度高於1 X 10s個/cm3以上之具有吸附能力尺寸的磊晶晶圓，又，若氮 濃度低於lx 1014個/cm3，則可明顯抑制因基板的矽晶圓引 起在磊晶層形成積層缺陷（SF)等之磊晶缺陷的緣故。 如此，在C Z法中，可獲得摻雜所期望濃度之氮的矽晶 棒。依據一般的方法，係以內徑踞子或鋼線踞等的切斷裝 置將其切片之後，對單晶矽晶圓進行去角、磨光、蝕刻、 硏磨等步驟。當然，上述步驟係僅爲例示，亦有其他如硏 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） " ~ ' -10- I!------P, (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慈財產局8工消費合作社印製 訂 557496 A7 B7 五、發明説明（8) 削、淸洗等種種步驟，可因應步驟順序的變動或一部份省 略等目的，適當變更步驟加以使用。 繼而，對該晶圓進行熱處理，例如使磊晶成長後的磊 晶晶圓的主體中具有吸附能力之半徑尺寸大於1 的氧析 出物密度成爲lx 1〇δ個/cm3以上。此外，由於該熱處理係 藉由之後所進行的磊晶成長，使氧析出物的尺寸縮小，因 此在該熱處理步驟中，期望使半徑大於30至40nm的氧析 出物密度成爲lx 109個/cm3以上。結果，在磊晶成長後， 使大於磊晶晶圓的半徑l〇nm之氧析出密度成爲lx i〇s個 /cm3以上。該熱處理若可使主體中的氧析出物的尺寸成 長，且使上述尺寸的氧析出物密度成爲lx 108個/cm3以 上，則任一方法皆可。尤其在本發明中，由於在單晶矽晶 圓添加氮，故可以時間較短的熱處理形成所期望的BMD。 然而，即使藉由添加氮以促進氧析出核形成，氧析出 過程亦分爲析出核形成與成長的2階段。在各階段中，最 適當的溫度及時間係因初期氧濃度或添加氮濃度而異，在 決定熱處理條件時必須將其最適化。因而，爲確實具有本 發明之功效，尤其是單晶矽中的氮濃度爲1013至1014個/cm3 時，熱處理條件以在6 0 0 °C至1 0 0 0 °C及5小時至8小時的範 圍內進行之第1熱處理；以及以800°C至115CTC與0小時至 1 0小時的進行之第2熱處理構成的熱處理爲佳。 當第1熱處理未滿600°C時，無新的吸出核形成，反 之，當超過1000°C時則有消滅既存的析出核之虞。又，當 第2熱處理未滿800°C時，析出物成長需要長時間，使得效 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 k#. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 557496 A7 _B7__ 五、發明説明（9) 果不佳，當超過1150°C時，又有導致滑動差排或金屬污染 之虞。 雖第2熱處理時間爲0小時之時稱爲第1熱處理，惟 由於添加氮，故若在第1熱處理條件的範圍內進行高溫長 時間的熱處理，則可獲得目的之氧析出物。 在進行該熱處理時的環境，沒有特別限定，在氫、氮 或氬等惰性氣體、或是上述氣體的混合氣體之環境中皆 可，亦可爲氧等氣體環境。 又，熱處理使用的裝置係磊晶成長裝置，若欲連續進 行熱處理與磊晶沉積，可以高生產性進行處理。又，在長 時間進行熱處理時，使用可同時進行數十片以上的晶圓之 熱處理的加熱器加熱方式的熱處理爐，在進行分批處理時 較有效率。 在該單晶矽晶圓的主體中進行形成具有吸附能力的尺 寸之BMD之熱處理後，在晶圓表面形成磊晶層。該磊晶成 長以一般的CVD法進行。在該CVD法中，例如在鐘罩型 反應室內配置載置有矽基板的承受器之輻射加熱方式的磊 晶成長爐內導入三氯矽甲烷，藉以在單晶矽晶圓上磊晶成 長矽。 如此，在本發明中，在投入裝置步驟前的磊晶晶圓 中，存在108個/cm3以上之半徑大於10nm的氧析出物 (BMD)。從而，即使裝置步驟RTA化、短時間化或低溫 化，亦可發揮充分的吸附能力。即使習知摻雜氮之磊晶晶 圓的BMD密度爲lOM^cm3，其後的裝置製程在RTA化、 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
-12- 557496 A7 B7 五、發明説明（1() 低溫化時’尺寸皆無法成長至1 〇ηηι以上，亦有無法充分發 揮吸附能力之情況。 以下’雖列舉本發明的實施例及比較例進行具體說 明，惟本發明並不限定於此。 (實施例1 ) 利用 CZ法’引拉直徑 8英吋、初期氧濃度 14ppmaUEIDA :日本電子工業振興協會規格）、方位< 100> 的結晶棒。此時’原料中預先投入具有氮化矽膜之矽晶 圓，將氮濃度控制在3x 1013個/cm3，並進行添加。加工該 結晶棒使成爲基板晶圓。 在氮環境中對該基板晶圓施加（800°C、2hr ) + ( 1000 °C、8hr )的氧析出熱處理之後，沉積3 // m的磊晶層。磊 晶成長係使用在汽缸型的鐘罩型反應室內配置載置有矽基 板的承受器之輻射加熱方式的磊晶成長爐，以11 25 t的溫 度導入三氯矽甲烷而進行。藉由LST(光散射X線斷層照相 法）測定該磊晶晶圓之晶圓主體中的BMD。 該LST對半導體照射雷射光，以監視因半導體內部的 缺陷而散射的散射光，以觀測半導體內部的缺陷分布作爲 斷層像之手法，在應用於矽晶圓的BMD測定時’可測定 BMD的密度、尺寸、分布等。 如此，所測定之BMD密度的結果、BMD的密度爲i 〇g 個/cm3。此時之BMD假設爲球狀，其半徑平均約40nm ° 在該晶圓上故意污染N丨，以光學顯微鏡觀察表面產生 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇x297公酱） II-------f (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 線屬 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 557496 A7 B7 五、發明説明（〇 的淺溝時，並沒有觀察到淺溝，可知該實施例1的磊晶晶 圓具有高的吸附能力。 從該結果可判斷出，在本發明之磊晶晶圓上由於具有 足夠尺寸之BMD的密度高，故可製作出吸附能力優良的磊 晶晶圓。尤其是根據其後的熱處理，由於不需產生BMD， 故不依存於裝置步驟，且從裝置步驟的初期開始可製作出 具有吸附能力的晶圓。 (實施例2 ) 與實施例1相同’利用CZ法，引拉添加氮的砂晶棒。 並加工該矽晶棒，使成爲基板晶圓。 對該基板晶圓施加（85 0°C、1 hr ) + ( 1 1 00 °C、2hr )之 與實施例1相比，時間較短的熱處理之後，沉積3" m的磊 晶層。該磊晶晶圓與實施例1相同，以LST測定晶圓主體 中的BMD。 所測定之BMD密度的結果、BMD的密度爲4x 1〇9個 /cm3。此時之BMD假設爲球狀，其半徑平均約35nm。 與實施例1相同，在該晶圓上故意污染Ni，以光學顯 微鏡觀察表面產生的淺溝時，並沒有無法觀察到淺溝，可 知該實施例2的磊晶晶圓具有高的吸附能力。 從該結果可知，即使進行的熱處理時間短，亦可獲得 本發明之功效。 (比較例1 ) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X；297公釐） II-------f (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14- 557496 A7 B7 五、發明説明（d 與實施例1相同，引拉添加氮的矽晶棒，並加工該砂 晶棒，使成爲基板晶圓。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 不對該基板晶圓施加如實施例1及實施例2之磊晶成 長前的熱處理，而直接沉積3 # m的磊晶層。該磊晶晶圓與 實施例1相同，以LST測定晶圓主體中的BMD。 測定BMD密度的結果、所檢測出的BMD密度爲丨〇7個 /cm' 0 與貫施例1相同，在該晶圓上故意污染N i，以光學顯 微鏡觀察表面產生的淺溝時，可觀察到大量的淺溝，可知 該比較例1的磊晶晶圓之吸附能力不足。 (比較例2) 除了不添加氮之外，其餘皆與實施例1相同，引拉添 加氮的矽晶棒，並加工該矽晶棒，使成爲基板晶圓。 在氮環境中，對該基板晶圓施加（800 °C 、2hi. ) + (1 00 0°C、8hr )之與實施例1相同的氧析出熱處理之後， •沉積3 " m的磊晶層。以LST測定該磊晶晶圓之晶圓主體中 的 BMD。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 所測定之BMD密度的結果、所檢測出之BMD密度爲 1 〇 7 個 / C 1Ή 3 0 與實施例1相同，在該晶圓上故意污染N i，以光學顯 微鏡觀察表面產生的淺溝時，可觀察到大量的淺溝，可知 該比較例2的磊晶晶圓之吸附能力不足。 此外，本發明並不限定於上述實施形態。上述形態爲 例示，舉凡具有與本發明的專利申請範圍所述之技術思想 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -15- 557496 A7 B7 五、發明説明（y 和實質上相同之構成，且可達相同之作用功效者，皆包含 於本發明之技術範圍內。 例如，在本發明中，不論磊晶前熱處理的條件之嚴密 性，即使使用其他溫度進行之熱處理、時間，或是組合數 階段的熱處理製程，只要製作出具有相同功效的磊晶矽晶 圓，皆包含於本發明的範圍內。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •—^1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16-
Claims (1)
- 557496 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 1. 一種磊晶晶圓，其特徵爲：在摻雜氮的單晶矽晶圓表 面形成有矽磊晶層者，於主體中具有吸附能力的尺寸之氧 析出物密度高於108個/cm3。 2. —種磊晶晶圓的製造方法，其特徵在於：以拉晶法引 拉添加加氮的單晶矽，在晶圓上加工該單晶矽，以製造出 單晶矽晶圓，在該單晶矽晶圓上進行熱處理，使晶圓主體 中具有吸附能力的尺寸之氧析出物密度高於108個/cm3，繼 而在上述單晶砂晶圓上進彳了嘉晶成長。 3·如申請專利範圍第2項之磊晶晶圓的製造方法，·其中 在上述單晶矽晶圓上進行的熱處理，係進行600°C至ΐοοο °C、0.5小時至8小時的第1熱處理；以及800°C至li5Q °C、0小時至10小時的第2熱處理組成之熱處理。 4·如申請專利範圍第2項或第3項之磊晶晶圓的製造方法 ，其中在引拉添加上述氮的單晶矽之際，該單結晶所添加 的氮濃度設爲1013至1014個/cm3。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁} f 訂 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（21〇X297公釐） -17-
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| GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |