TWI402383B - 磊晶晶圓及其製備方法 - Google Patents

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Description

磊晶晶圓及其製備方法
本發明涉及磊晶晶圓及其製備方法。更具體地，本發明涉及用於製備磊晶晶圓的方法，該方法包括其中添加氫和氮到矽熔體中的藉由切克勞斯基方法(Czochralski method)生長矽晶體的步驟，藉由機械加工該矽晶體以製備矽基材的步驟，以及在矽基材表面形成磊晶層的步驟。
近年來隨著半導體裝置的發展，對矽晶圓的晶體品質要求更嚴格的控制。尤其是，裝置特性，特别是閘氧化層完整性(Gate Oxide Integrity)會因為經由切克勞斯基方法生長後透過切割矽晶體製得的矽晶圓中存在的原生缺陷而受缺陷的損傷。這些原生缺陷為氧沉澱物及其在裝置製備過程中引起位錯(dislocation)、空隙(void)或層積缺陷(stacking faults)。然而，另一方面，這些上述缺陷可作為重金屬的吸除位點而加以利用。隨著所述吸除位點濃度的降低，犧牲了矽晶圓的純度，重金屬雜質的濃度會超過1×1010 原子/cm2 的程度，這是最先進裝置生產所要求的程度。因此，由於有必要儘可能減少存在於矽晶圓上的重金屬雜質，控制這些缺陷成為極重要的任務。
作為用於避免裝置因矽晶圓表面的空隙所引起的特性下降的技術之一，使用磊晶晶圓的方法已眾所周知，其中所述方法包括藉由化學氣相沉積(CVD)方法在從矽單晶切割得到的矽基材晶圓的表面上沉積磊晶層，以及然後對切割出的晶體進行鏡面加工。因為此磊晶層中沒有空隙，所以可以獲得具有優良的閘氧化層完整性的半導體晶圓。然而，進行磊晶層沉積時，矽晶圓在裝置方法中要進行熱處理，磊晶晶圓的內部未形成由氧沉積物產生的氧沉澱物(體微缺陷：BMD)。如果沒有BMD產生，就不能吸除被認為在裝置方法的過程中會污染晶圓的重金屬。因此，會導致裝置特性下降的問題。
因此，為了解決這類問題，例如T. Abe和H. Takeno在Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.262,3,1992中報導，藉由對矽單晶摻雜氮，可抑制矽中晶格空位(crystal-lattice vacancy)的聚集，並且可降低晶體缺陷密度。已知JP2000-109396與上述報導所描述的技術有關。JP 2000-109396提出了一種方法，為了即使在磊晶層沉積之後也能充分產生BMD，該方法包括在由添加氮的晶體中切割出而得到的矽基材晶圓上沉積磊晶層。在該方法中，由於氮變為形成BMD的核，並且即使在磊晶層沉積之後也能產生BMD，因此可以獲得能夠在裝置方法的熱處理中具有優越吸除性能的磊晶晶圓。
此外，JP 2008-150283提出了用於減少缺陷數量的方法，該方法包括添加硼、以及藉由切克勞斯基方法優化具有預定電阻率的矽單晶的拉製和生長的熱歷史。此方法可以減少所得晶圓中磊晶缺陷的數量。同樣，也可以實現面內氧沉澱物密度更高的均勻性以及更高的吸除性能。
然而，最近的研究說明，由於氮摻雜所產生的熱穩定的氧沉澱物易於在磊晶層中引起缺陷，所以會產生問題，而該熱穩定的氧沉澱物即使透過高温熱處理也難以消除。而且，當矽摻雜硼時，對於重金屬雜質的吸除性能會降低，除非使用高濃度的硼。
因此，為了解决上述問題，例如JP 3589119公開了一種技術，所述技術藉由控制熔體表面和熱屏蔽材料下端之間的間隙L，根據拉晶速率控制OSF環產生的位置，以便將OSF環的位置調整為適應拉晶速率。尤其提出了一種方法，該方法藉由將拉晶速率設定在等於或大於1.2 mm/分鐘的數值，將OSF區域推出晶體。已有報導稱在此方法中，磊晶層的缺陷密度可以減少到等於或低於0.1 cm-2 (每平方釐米的缺陷)的程度，充分抑制磊晶層缺陷的產生。
此外，作為避免上述問題的另一種技術方法，例如，JP 2008-100906提出了用於摻雜硼、氮和氫的方法。已公開在此方法中，未在磊晶晶圓上增加層缺陷，藉由使用氫就可以實現吸除性能和低密度的磊晶層缺陷，氫弱化氮之促進形成氧引起的層積缺陷的作用。
此外，JP 2000-281491提出了一種用於生長矽單晶的方法，該方法包括引入氫氣，並且在矽熔體中以1×1016 至1.5×1019 cm-3 (原子/立方釐米)的含量結合氮。藉由該方法，可以抑制產生八面體狀的空位缺陷，減小空位缺陷的尺寸，並降低單晶中氧沉澱物的密度。
然而，如在JP 2000-109396中，當具有添加氮的矽基材晶圓被用作磊晶晶圓的基材時，氮會在磊晶層中產生缺陷。此外，已知磊晶層中這些氮引起的缺陷出現在稱為經氮摻雜基材的OSF區域的缺陷區域內。一個原因是在緊跟在晶體生長後的階段中，已經存在於OSF區域中的特定氧沉澱物在磊晶層中會形成新缺陷。應當指出，本說明書中所使用的術語「OSF區域」是指因為晶格空位和隙間矽原子由於徑向擴散而重组，晶格空位的濃度從而極度降低的區域。此外，其也是矽晶圓的氧化熱處理產生氧化引起的層積缺陷的區域。
如JP 2008-150283或JP 2008-100906中，用高濃度硼摻雜矽晶圓時會造成一個問題，也就是基材中的硼雜質會在磊晶層的沉積過程中向外擴散到氣相中，並且再次結合到磊晶層中。這一現象被稱為自摻雜。另一方面，與使用氧沉澱物的鬆弛型吸除相比，摻雜低濃度硼的矽單晶晶圓無法在偏析型吸除(segration-type gettering)中透過硼原子來解决對重金屬雜質吸除性能下降的問題。
此外，如JP 3589119所描述的，當晶體尺寸變成等於或大於300 mm時，難以以等於或大於1.2 mm/分鐘的拉晶速率穩定地生長晶體。此外已清楚地注意到，如果在如JP 2000-281491所述的這類條件下在製得矽基材晶圓之後再沉積磊晶層時，即使使用没有OSF區域的基材，磊晶層也會產生缺陷。已經清楚的是，這類磊晶層缺陷係從基材表面上的空隙產生(第1圖)。如第1圖所示，已經證實用氮和氫摻雜矽晶體時，矽晶體中會產生空隙。位於基材表面附近的那些空隙在沉積磊晶層之前可能會在磊晶層中引起位錯。該位錯以空隙為發源點形成於基材表面的磊晶層中。
因此，本發明的目的是在對矽晶體摻雜氮和氫時，抑制並且防止在矽基材晶圓中發生從空隙產生磊晶層缺陷。
作為本發明人深入研究上述問題的結果，本發明提供了一種用於製備磊晶晶圓的方法，其包括：藉由切克勞斯基方法生長矽晶體的步驟，該步驟包括添加氫和氮到矽熔體中，並從矽熔體生長氮濃度為3×1013 cm-3 至3×1014 cm-3 的矽晶體，藉由機械加工該矽晶體以製備矽基材的步驟，以及在該矽基材表面形成磊晶層的步驟。
藉由本發明的製備方法，可以抑制並防止由於添加氫而引起的由氫缺陷(空隙)產生的磊晶層缺陷。
根據本發明的製備方法，可以控制氣泡狀空隙聚集體的數量，這些空隙聚集體是由於添加氫而引起的缺陷的一種形式。此外，還可以抑制並防止氣泡狀空隙聚集體引起的磊晶層缺陷。
本發明的第一方面是提供了一種用於製備半導體晶圓的方法，該方法包括以下步驟：藉由切克勞斯基方法添加氫和氮到矽熔體中、以生長氮濃度為3×1013 原子/cm3 至3×1014 原子/cm3 (原子/立方釐米)的矽晶體的步驟(步驟1)，機械加工該矽晶體製備矽基材的步驟(步驟2)，以及在該矽基材表面形成磊晶層的步驟(步驟3)。
藉由該方法，當磊晶層沉積在這類基材上時，可以抑制並防止由添加氫的基材表面上的空隙所產生的磊晶層缺陷。
通常，晶體缺陷的狀態根據有關條件而變化，如是否存在氮或氫的摻雜、拉晶速率或V/G參數值。這些條件對產生晶體缺陷的影響將以第2圖進行說明。
第2圖所示為藉由切克勞斯基(CZ)方法生長的矽錠塊中缺陷區域和氮濃度之間的關係圖。(a)是顯示磊晶沉積之前基材中缺陷區域和氮濃度之間關係的圖。(b)是顯示晶體生長過程中矽晶體錠塊中V/G和氮濃度分布的示意圖。
如已熟知，在CZ方法中，矽單晶錠塊在自矽熔體緩慢向上拉製時生長。在從該錠塊切割出的基材中，如第2圖(a)所示存在三種缺陷區域(V區域、OSF區域、和I區域)。
首先，V區域為晶體生長過程中從固-液界面引入過量晶格空位時的區域。存在由晶格空位的聚集而產生的空隙。這些空隙也稱為COP(晶體原生粒子)。
OSF區域為矽單晶晶圓經過氧化熱處理時產生OSF的區域。應當指出，本說明書中所指的OSF為直徑約幾微米的碟狀層積缺陷，其中在中心存在氧沉澱物(OSF核)。OSF可以透過隙間矽原子的聚集形成，所述矽原子的聚集從OSF核周圍的氧化薄膜和矽基材之間的界面產生。OSF核是一特別的氧沉澱物，其具有集中隙間矽原子的性能，並且被認為在緊跟在晶體生長之後的階段中已經存在於基材。由於OSF核具有較小的尺寸(認為等於或小於10 nm)，所以無法藉由諸如粒子計數器或紅外線斷層掃描器(tomograph)的現有評估方法檢測到。因此，可以首先藉由進行氧化熱處理證實OSF的存在。
I區域為晶體生長過程中從固-液界面引入過量隙間矽原子的區域。存在由隙間矽原子的聚集而產生的位錯環。
例如，根據以往知識，如發表於V. V. Voronkov,K. Crystal Growth,59(1982) 625或M. Iida,W. Kusaki,M. Tamatsuka,E. Iino,M. Kimura和S. Muraoka,Defects in Silicon. T. Abe,W. M. Bullisetal(ECS.,Pennington N. J.,1999) 499)，已經知道基材的缺陷區域由氮濃度和晶體生長條件V/G决定(其中V為拉晶速率[mm/分鐘]；G為晶體生長軸線方向從熔點降至1350℃的平均温度梯度[℃/mm])。
如果基材是從没有添加氮的矽單晶切割出的，當V/G變為大於一特定值時，過量引入的晶格空位可在矽基材中形成V區域。相反地，當V/G變為小於一特定的值時，過量引入的隙間矽原子可在矽基材中形成I區域。另一方面，氮影響從固-液界面引入的晶格空位和隙間矽原子的數量。因此，從具有添加氮的矽單晶切割出的矽基材的缺陷區域可以用氮濃度和V/G作為二軸的二維缺陷區域圖來表示，如第2圖(a)所示。
此外，如第2圖(a)所示，具有添加氮的一塊晶體錠塊具有一定的氮濃度和V/G的寬度，其在氮濃度-V/G圖中用矩形區域(稱為生長條件區域)表示。這是因為如第2圖(b)所示，具有添加氮的晶體錠塊在下部具有更高的氮濃度，並且與中心部分相比在晶體周邊具有更低的V/G值。
使用具有添加氮的熔體可以實現將氮添加到CZ矽單晶中。然而，已經知道在固化過程中從熔體結合到晶體中的氮濃度比率(偏析系數)非常小。因此，熔體中的大部分氮留在熔體中，並且熔體中的氮濃度隨着晶體生長的進行而增加。結果是，氮濃度在晶體的下部變得更高。此外，晶體生長軸線方向從熔點降至1350℃的平均温度梯度G[℃/mm]取决於晶體的冷卻能力。然而，由於一般來說晶體周邊容易冷卻，因此在晶體周邊的G較大。結果，晶體周邊的V/G變得更低。
將添加氮的整塊晶體錠塊的生長條件的範圍疊加在用氮濃度和V/G作為二軸的二維缺陷區域圖上，可以描述晶體的缺陷區域。例如，在如第2圖所示的生長條件範圍內的晶體中，可以在晶體中心發現V區域，而可在晶體周邊發現OSF區域。當氮濃度範圍固定時，隨著V/G的增加，V區域擴展到整個基材表面。當V/G下降時，V區域在基材中心變為縮小，I區域擴展到整個基材表面。此外，在V/G固定下當氮濃度增加時，將從周邊產生OSF區域，並鋪展到整個基材表面。
由作為對磊晶層缺陷、氮濃度和V/G之間關係的詳細研究結果，已發現磊晶沉積之後的缺陷區域看起來如第3圖所示，所述磊晶層缺陷係使用具有這類缺陷區域的經氮摻雜基材而在磊晶晶圓中產生。
首先，使用添加氮但没有氫的基材時，在對應於基材的OSF區域的地方產生了磊晶層缺陷(該缺陷稱為N引起的缺陷)。該缺陷被認為是由磊晶層中形成的新缺陷產生的，由於在緊跟在晶體生長之後的階段中，已在OSF區域中存在特定的氧沉澱物，從而造成了所述的新缺陷。
然後，當使用添加氫和氮的矽基材時，在對應於添加氮的基材的OSF區域的區域不會產生OSF。也不會產生N引起的缺陷。據推測，這是因為氫使得OSF區中存在的特定的氧沉澱物變得無害。另一方面，在使用添加氫的矽基材的情况下，已經證實在對應於該基材的V區域的區域中產生了不同於N引起的缺陷的新磊晶層缺陷(該缺陷稱為H引起的缺陷)。因此，使用添加氫和氮的矽基材製備磊晶晶圓時，需要採取對策以防止產生H引起的缺陷。
因此，在後面說明的實施例將可證實，在根據本發明的矽晶圓及其製備方法中，藉由添加氮和氫以及藉由將氫分壓設定在合適的範圍內，可以抑制並防止因添加氫而引起的磊晶層缺陷。
在根據本發明製備的矽晶圓中，本發明人已經證實，藉由在添加氫和氮的預定條件下生長矽晶體，V區域中的空隙形狀會改變。即，空隙的形式從八面體變成氣泡狀的空隙聚集體(參第4圖)。此外，據認為所述氣泡狀的空隙聚集體造成在磊晶層中產生的H引起的缺陷。
即，作為深入研究的結果，藉由使用穿透式電子顯微镜(TEM，JEM-2010 JEOL Ltd.製造)，本發明人能夠觀察到與本發明有關的矽晶體(矽晶圓)。觀察方向為110方向。繞射條件設定為220反射激發的雙波條件。當偏離Bragg條件的量S設定為大於1 g時，可發現上述氣泡狀的空隙聚集體。並且，當磊晶層在具有氣泡狀的空隙聚集體的矽晶圓上形成時，發現氣泡狀的空隙聚集體對磊晶層有影響。以下將對比傳統的空隙與氣泡狀空隙聚集體來進行解釋。
如已經明確指出的，存在於傳統矽晶體的V區域中的空隙形狀是如第5圖所示具有{111}表面的八面體。在藉由切克勞斯基方法製得的晶體直徑等於或大於200 mm的矽單晶中，八面體空隙的大小約100至300 nm。磊晶層沉積時，存在這類八面體狀空隙的V區域中不會產生磊晶層缺陷。
另一方面，第4圖所示為穿透式電子顯微鏡所拍攝的照片，其顯示了本發明的矽晶體中存在的氣泡狀空隙的聚集體。術語「氣泡狀」是指多個不規則形狀的空隙的聚集體，其既没有八面體的形狀，也没有{111}表面，如第4圖所示。因此，在根據本發明的矽晶圓(矽晶體)中具體看見的空隙聚集體被稱作「氣泡狀空隙聚集體」。本發明人發現，當磊晶層被沉積在含許多這類氣泡狀空隙聚集體的基材上時，會在磊晶層中大量產生H引起的缺陷。如第4圖所示的氣泡狀空隙聚集體引起產生如第1圖所示H引起的缺陷的原因，現階段尚不清楚。然而，據估計有小的空隙溶解在長成的矽晶體中，從而留下了相對較大的空隙。結果出現了空位。空位團聚並形成空位型的位錯環。然後，這類位錯環轉錄到磊晶層上，因此認為在磊晶層中形成了二片位錯(H引起的缺陷)。
至於磊晶層缺陷數量所允許的量，如果這類缺陷的數量低於具有最小數量的這類缺陷的實施態樣(0.04 cm-2 [每平方釐米的缺陷]，也即對於300 mm的晶圓而言為28個缺陷/晶圓)，例如JP 3589119中所描述的，就裝置特性而言這就不是問題。根據本發明人的知識已經證實，藉由將氣泡狀空隙聚集體的比率保持在等於或小於0.4，磊晶層的缺陷就可以保持在上述程度下。應當指出，根據本發明的「氣泡狀空隙聚集體的比率」是指氣泡狀空隙聚集體與設定為1的空隙總數的比率。「空隙總數」是指包含在氣泡狀空隙聚集體中及沒有包含在該聚集體中的其它空隙的空隙總數。
因此，對於從根據本發明的矽晶體得到的矽基材中所存在的空隙，聚集了多個不規則空隙的氣泡狀空隙聚集體的數量相對於空隙總數較佳為低於0.4；更佳地，相對於空隙總數為低於0.3。這樣，就可以控制氣泡狀空隙聚集體的數量，這些空隙聚集體是添加氫引起的氫缺陷的一種。因此，就可以抑制並防止氣泡狀空隙聚集體所引起的磊晶層缺陷。
此外已證實，在僅向矽熔體添加氮而生長的矽晶體中，沒有形成氣泡狀的空隙聚集體。添加氮和氫時，氣泡狀空隙聚集體的比率與添加氫的濃度成比例增加。此外已經證實，對於藉由向矽熔體添加氮和氫而生長的矽晶體來說，儘管氮的濃度增加，氣泡狀空隙聚集體的比率也增加。此外，矽晶體生長過程中冷卻速率的增加降低了氣泡狀空隙聚集體的比率。進而，人們認為藉由矽晶體中的氫與過量存在的空位或隙間矽原子的反應，可以形成空位-氫複合物或隙間矽-氫複合物。因此，空位或隙間矽原子的數量降低時，將使得能夠生長具有數量較少的COP或位錯環、或具有小尺寸缺陷的矽晶體。因此認為如果添加到矽熔體中的氫濃度降低，則過量存在於矽晶體中的空位或隙間矽原子的量也會表現為同樣無害地降低。所以，將不能抑制矽晶體中的缺陷密度。
因此，舉例來說，如在上述所引的JP 2000-281491的第0048段中的實施態樣1或第0055段的實施態樣2中，矽單晶生長過程的氛圍中氫體積比降低到50 ppm(5×10-3 %)或0.1 ppm(1×10-5 %)，而同時保持高達1016 至1019 左右的高氮濃度的氛圍，在這樣的條件下，由於上述原因，將無法抑制產生諸如OSF的晶體缺陷。因此，在其發生沉積之後，缺陷仍留在磊晶層中。此外應當理解，在如所述文獻第0056段中所描述氛圍的高氮濃度下，將矽單晶生長過程的氛圍中的氫體積比增加到高達4%時，氣泡狀空隙聚集體的比率將會提高。這樣，無法抑制和防止磊晶層缺陷。
因此，我們認為藉由將諸如這類條件如矽單晶中的氮濃度、生長晶體中的氫分壓、冷卻速率和拉晶速率控制在特定的範圍內，就可以控制氣泡狀空隙聚集體的數量。
第6圖所示為磊晶晶圓中產生的磊晶層缺陷和氮濃度及V/G之間關係的示意圖，其中上述磊晶晶圓使用具有添加的氫和氮的基材，並且藉由本發明的製備方法製備。V區域中H引起的缺陷和對應於只添加氮的基材的OSF區域的區域中N引起的缺陷均可得到抑制。在本發明的製備方法中，因為沒有必要藉由控制V/G來控制基材的缺陷區域以避免磊晶層缺陷，所以有利的是可以拓寬晶體生產條件的允許範圍。
第7圖所示為本發明人得到的部分實驗結果。如第7圖(a)中所示可以證實，在添加氮生長的矽晶體中形成了由於添加氮而引起的OSF環，如從第3圖(a)可以了解的。藉由在這類條件下摻雜氫，發生了如第3圖(b)所示的變化。可以證實，源自氮的OSF環沒有出現(參第7圖(b))。
因此已經證實，儘管藉由氫摻雜可以控制由於添加氮作為產生磊晶層缺陷原因之一所導致的氧沉澱物等，但是藉由添加氮和氫，會產生如第7圖(b)所示的源自氫的缺陷。然而，可以理解的是，藉由添加在預定範圍內的氮和氫，並且藉由設定預定條件(冷卻速率等)，如在本發明的製備方法中，將可以控制本發明人發現的氣泡狀空隙聚集體。還有，也可以抑制並防止由氣泡狀空隙聚集體產生的磊晶層缺陷(H引起的缺陷)，如第7圖(c)所示。此外，認為本發明人發現的氣泡狀空隙聚集體並不是由氫聚集而形成的巨大空腔，而是由因添加氫產生的晶格空位聚集所形成的空隙缺陷形貌變化而成的物體。
以下，對根據本發明的磊晶晶圓的製備方法進行逐步說明。
步驟1
根據本發明的磊晶晶圓的製備方法包括添加和氮到矽熔體中，然後藉由切克勞斯基方法生長氮濃度為3×1013 cm-3 至3×1014 cm-3 的矽晶體的步驟。
根據本發明添加氮到矽熔體中的方法沒有具體限制，可以使用任何已知的方法。例如，可以在矽原料的熔融過程中引入氮氣，或在熔融矽原料之前加入藉由CVD方法或類似方法在其上沉積了氮化物的矽基材。
根據本發明的矽晶體中的氮濃度較佳為3×1013 cm-3 至3×1014 cm-3 ，更佳為5×1013 cm-3 至2×1014 cm-3 。
如果晶體中的氮濃度低於3×1013 cm-3 ，BMD密度會變成低於2×108 cm-3 。結果不能實現足夠的吸除性能。另一方面，如果氮濃度超過3×1014 cm-3 ，則氣泡狀空隙聚集體的比率會變成大於0.4。結果會產生由於添加氫而引起的磊晶層缺陷。
根據本發明，在矽晶體生長方法中添加氫到矽熔體的方法較佳包括在氫分壓為0.1 mbar至0.4 mbar的氛圍下拉製矽單晶的步驟，或更佳係氫分壓為0.2 mbar至0.35 mbar。
如果氫分壓低於0.1 mbar，就不能抑制氮引起的磊晶層缺陷。如果氫分壓超過0.4 mbar，氣泡狀空隙聚集體的比率會變成大於0.4。結果會產生由於添加氫而引起的磊晶層缺陷。
在根據本發明的製備方法中，引入到晶體生長爐的氫的量應確定為使其體積比(待引入的氫的體積/全部混合氣體的體積)為0.3%至1.0%，或者更佳為0.5%至0.9%。
爐氛圍中的氫的體積比超過1.0%係不佳的，因為有爆炸的危險。另一方面，體積比低於0.3%時，難以在矽單晶中結合氫。
待引入到根據本發明的製備方法的晶體生長爐中的氫可以是氫與惰性氣體等的混合物。對於惰性氣體，較佳為成本不高的Ar氣，但也可以單獨使用諸如He、Ne、Kr或Xe的各種稀有氣體，或者交替地使用其混合氣體。
根據本發明，添加硼到矽熔體中的方法沒有具體限制，可以使用任何已知的方法。例如，可以在矽原料熔融過程中引入硼，加入藉由CVD方法或類似方法在矽原料熔融過程中在其上沉積了含硼化合物或類似物的矽基材，或者向矽熔體注入元素的硼。
本發明方法對拉晶速率V[mm/分鐘]没有具體限制。然而，考慮到生產率，拉晶速率較佳係等於或大於0.8[mm/分鐘]。
在根據本發明的矽晶體的生長步驟中，矽單晶在1100至1200℃時的冷卻速率較佳設定為等於或大於3.5℃/分鐘。更佳地，矽單晶在1100至1150℃時的冷卻速率設定為等於或大於3.5℃/分鐘。
如果晶體生長過程中1200至1100℃時的冷卻速率低於3.5℃/分鐘，氣泡狀空隙聚集體的比率會變成超過0.4。結果會產生由於添加氫而引起的磊晶層缺陷。因為冷卻速率的上限根據待生長的矽單晶的直徑而變化，所以對其没有具體限制。然而，特别地，冷卻速率等於或大於4.5℃/分鐘時，難以獲得等於或大於300 mm的大的晶體直徑。
此外，因為在晶體冷卻時，超過1200℃未發生導致空隙形成的晶格空位的聚集，因此對氣泡狀空隙聚集體的比率没有影響，即使將冷卻速率調整到此温度範圍內。
進而，因為空隙的形成反應已完成，因此在晶體冷卻時，對低於1100℃時氣泡狀空隙聚集體的比率没有影響，即使將冷卻速率調整到此温度範圍。
如上所述，在本發明中，為了在矽晶體生長過程中將冷卻速率設定在預定的範圍內，在使用切克勞斯基方法的晶體生長中可以使用晶體加熱設備和晶體冷卻設備。可以用於根據本發明的製備方法的製備矽晶體的設備没有具體限制。然而，為了在1100至1200℃時提高晶體生長過程中的晶體冷卻速率，可能有需要進行特别處理，如提高圍繞晶體而安裝的熱屏蔽板的冷卻能力，例如JP 2004-224642中所描述的。
步驟2
根據本發明的生產磊晶晶圓方法包括藉由機械加工該矽晶體而製備矽基材的步驟。
矽基材晶圓通常由上述製備方法製備的矽晶體錠塊製得，其包括以下這類步驟：如使用線鋸或內徑鋸切片矽晶體，並使切片的晶圓經過去角(chamfering)、平面化(包括例如研磨或精研)、蝕刻、以及抛光(包括材料去除和鏡面抛光)。然而，不應具體限定為這些。
步驟3
根據本發明的生產磊晶晶圓方法包括在此矽基材的表面形成磊晶層的步驟。
在步驟3中，使用CVD設備(例如Applied Materials Co.,Ltd.或ASM Co.,Ltd.製造的磊晶生長設備)，使矽單晶經過磊晶生長到矽基材晶圓前表面部分的表面上。這樣，可以形成可用於所需半導體裝置的具有所欲薄膜厚度的磊晶層，以及可以獲得根據本發明的矽基材晶圓。
本發明的第二方面是提供具有形成在矽基材晶圓表面的磊晶層的磊晶晶圓，該矽基材晶圓的氮濃度為3×1013 cm-3 至3×1014 cm-3 。還有，具有聚集的多個不規則空隙的氣泡狀空隙聚集體的數量相對於該矽基材中存在的空隙總數為低於0.4。
據認為本發明的製備方法可將諸如矽單晶中的氮濃度、晶體生長過程中的氫分壓、冷卻速率和拉晶速率的這類條件控制在特定範圍內。因此，本製備方法得到的磊晶晶圓可產生較少的磊晶層缺陷，該缺陷由氫添加引起的氫缺陷(空隙)而產生。
此外，根據本發明的製備方法，由於發現包括矽單晶中的氮濃度、晶體生長過程中的氫分壓、冷卻速率、和拉晶速率的條件均控制在特定範圍內時，藉由本製備方法得到的磊晶晶圓可生成數量有限的氣泡狀空隙聚集體。還有，氣泡狀空隙聚集體作為一種由於添加氫而引起的氫缺陷，其相對於空隙總數的數量保持低於0.4。因此，就可以減少氣泡狀空隙聚集體所引起的磊晶層缺陷。
[實施例]
以下參考實施例和比較例說明本發明。應當理解，本發明不限於上述實施態樣和以下實施例。它們僅為例示的。只要任何與本發明申請專利範圍所述的技術概念具有基本上相同的結構者及具有類似的功能效果者，就被認為是在本發明的技術範圍內。
1.矽基材晶圓的製備
在本文每個實施例和比較例中，使用藉由切克勞斯基方法用於矽單晶生產的設備。使用第一拉晶機和第二拉晶機，第一拉晶機具有一般的冷卻速率，第二拉晶機中熱屏蔽板透過一特殊方法冷卻以於1100至1200℃時提高冷卻速率。應當指出，在實施本發明時，拉晶機没有具體限制，只要其能實施本發明的生長條件即可。
添加氮的方法包括將具有氮化物薄膜的晶圓放入矽熔體中，這樣可將矽單晶中的氮濃度設定在1.8×1014 cm-3 。此外，添加氫的方法包括將含氫的混合氣體引入到每個拉晶機中。應當注意，拉晶機中的氫分壓(mbar)設定為下表1所述的條件。
第一拉晶機中晶體生長過程中1100至1200℃時的晶體冷卻速率設定為2.5℃/分鐘，第二拉晶機中冷卻速率設定為3.8℃/分鐘。每個實施例和每個比較例中的温度冷卻速率在以下表1中說明。
利用此設備生長的矽晶體具有p型的導電類型，並且晶體大小(直徑)為300 mm(12英寸)。矽單晶的電阻率為10至15 Ωcm。在任何情况下拉晶速率均低於1.2 mm/分鐘。
實施例和比較例中所用的氮濃度、冷卻速率、和氫分壓在以下表1中具體說明。
2.矽基材晶圓中氮濃度的測量
使用二次離子質譜法(SIMS)測量藉由切片上述方法生長的晶體得到的矽基材晶圓中的氮濃度。然而，因為氮濃度等於或低於5×1014 cm-3 的晶圓不能使用SIMS測量，故使用藉由以下公式得出的氮濃度。以下對該公式進行詳細說明。
藉由以下公式1，可以計算本發明製備方法中使用的矽熔體中結合到晶體中的氮濃度：
晶圓中的氮濃度=k×(1-固化率)(k-1) ×(熔體中的氮濃度)
應當指出，熔體中的氮濃度也可以稱為初始熔體的氮濃度。在此，可以藉由公式2得出矽晶體的固化率(g)：
矽晶體的固化率(g)=(結晶的矽的重量)/(初始熔體的重量)
此外已經知道的是，在氮的情况下偏析係數k為7×10-4 ，該偏析係數k為矽熔體固化之後結合到晶體中的雜質與熔體中的濃度的比率(W. Zulehner and D. Huber,Crystal Growth,Properties and Applications,p. 28,Springer-Verlag,New York,1982)。氮濃度(每立方釐米的原子數)的測量值如以下表中所示。
3.矽基材晶圓的OSF評估
藉由以下方法對切片藉由上述方法生長的晶體所得到的基材進行OSF評估。首先，矽基材晶圓在1100℃下在含蒸汽的氧氣氛圍中氧化1小時。然後，用氫氟酸去除氧化薄膜，然後用Wright蝕刻溶液蝕刻厚度為1.5 μm的磊晶層。然後用光學顯微鏡觀察表面產生的橢圓狀、半月狀或棒狀的OSF凹陷。使用光學顯微鏡以2.5 mm的視區直徑，在晶圓直徑方向掃描晶圓，藉由計數OSF凹陷的數量，以每觀察面積的OSF凹陷數量確定OSF表面密度(每平方釐米的缺陷)。OSF表面密度等於或大於100 cm-2 的面積被定義為OSF區域。以下表1描述了用這種方法測定的OSF區域的內徑和外徑[cm]。
至於氣泡狀空隙聚集體的數量相對於基材中空隙總數的比率，藉由上述方法確定的值列於下表中。
4.磊晶晶圓的生產及其評估
製備磊晶晶圓，藉由切片上述方法生長的矽晶體，鏡面製作該基材晶圓，以及藉由磊晶法在基材晶圓上沉積矽單晶層(磊晶層)。
5.磊晶晶圓的BMD測定
磊晶晶圓的BMD藉由以下方法測定。首先，將藉由上述方法製備的磊晶晶圓在1000℃下進行16小時的熱處理，然後用Raytex Corp.製造的BMD分析儀(MO-4)測定BMD密度。
6.磊晶晶圓的磊晶層缺陷的測定
磊晶晶圓的磊晶層缺陷藉由以下方法測量。首先，用KLA-Tencor Corp.製造的顆粒計數器SP-1測量磊晶晶圓，確定等於或大於0.09 μm的LPD(光點缺陷)的位置。之後，用AFM測量LPD位置，確定作為不同於附著到表面的外來物的磊晶層缺陷的LPD。在確認的磊晶層缺陷中，對應於基材OSF區的位置產生的磊晶層缺陷定義為N引起的缺陷，而從OSF區內部產生的磊晶層缺陷定義為H引起的缺陷。表1描述了用這種方法確定的H引起的缺陷和N引起的缺陷的數量。
應當指出，在表1所述的所有磊晶晶圓中，BMD密度都等於或大於2×108 cm-3 。在所有實施例中，與比較例相比，改善了H引起的缺陷產生，並且没有產生N引起的缺陷。
第1圖所示為添加氫引起的磊晶層缺陷外貌的照片。
第2圖所示為藉由切克勞斯基方法生長的矽錠塊中缺陷區域和氮濃度之間的關係圖。(a)所示為磊晶沉積之前基材中缺陷區域和氮濃度之間的關係圖。(b)所示為拉晶過程中矽晶體錠塊中缺陷區域和氮濃度分布的示意圖。
第3圖所示為缺陷區域和是否存在磊晶層缺陷的示意圖。
第4圖所示為穿透式電子顯微鏡所拍攝的照片，顯示了與本發明相關的矽晶圓中氣泡狀空隙聚集體。
第5圖所示為穿透式電子顯微鏡所拍攝的照片，顯示了與本發明相關的矽晶圓中的空隙。
第6圖所示為氮濃度及V/G和磊晶層缺陷之間的關係圖，其中該磊晶層缺陷係使用具有藉由本發明方法添加的氫和氮的基材在磊晶晶圓中引起。
第7圖所示為就添加的氮和氫的量而言磊晶層缺陷的產生條件圖。

Claims (5)

  1. 一種用於製備磊晶晶圓的方法，其包括：藉由切克勞斯基方法(Czochralski method)生長矽晶體的步驟，該步驟包括添加氫和氮到矽熔體中，並從矽熔體生長氮濃度為3×1013 cm-3 至3×1014 cm-3 的矽晶體，其中係藉由在氫分壓為0.1 mbar至0.4 mbar的氛圍下生長矽單晶而添加氫到該矽熔體中，且其中該矽晶體在1100至1200℃下的冷卻速率係至少為3.5℃/分鐘，藉由機械加工該矽晶體以製備矽基材的步驟，以及在該矽基材表面形成磊晶單晶矽層的步驟。
  2. 如請求項1的方法，其中在該矽晶體中的氮濃度為5×1013 cm-3 至2×1014 cm-3 。
  3. 如請求項1或2的方法，其中該氫分壓為0.2 mbar至0.35 mbar。
  4. 如請求項1或2的方法，其中具有聚集的多個不規則空隙的氣泡狀空隙聚集體的數量，相對於該矽基材中存在的空隙總數係低於0.4。
  5. 一種具有形成在矽基材晶圓表面的磊晶層的磊晶晶圓，該矽基材晶圓的氮濃度為3×1013 cm-3 至3×1014 cm-3 ，其中具有聚集的多個不規則空隙的氣泡狀空隙聚集體的數量，相對於該矽基材中存在的空隙總數係低於0.4。
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