TWI523206B - Epitaxial wafer and its manufacturing method - Google Patents

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TWI523206B
TWI523206B TW101138713A TW101138713A TWI523206B TW I523206 B TWI523206 B TW I523206B TW 101138713 A TW101138713 A TW 101138713A TW 101138713 A TW101138713 A TW 101138713A TW I523206 B TWI523206 B TW I523206B
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Ryoji Hoshi
Masahiro Sakurada
Izumi Fusegawa
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Shinetsu Handotai Kk
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Description

磊晶晶圓及其製造方法
本發明關於一種攝影元件製造用之磊晶晶圓及其製造方法。
作為固體攝影元件用之矽晶圓，為了於形成光電二極體(攝影元件)時，確保藉由光電效應產生載子、或藉由方阱位勢(square well potential)使該載子積存時之動作均一，使用一種可使面內及晶圓間之電阻率均等之磊晶晶圓。光電二極體形成於該磊晶層內，有時會使用2層磊晶層或多層磊晶層，該2層磊晶層或多層磊晶層，是於光電二極體形成層的下側，用以形成電阻率較低的磊晶層，以使來自光電二極體之無用電荷流通。例如，於n型矽晶圓中，成長電阻率較低的磊晶層(n+層：因摻雜劑較多，大多會附加+來表現)，並於其上成長普通電阻率之磊晶層而成之n/n+/n的結構等，較常被使用。
作為攝影元件製造用之矽晶圓的特徵，可以列舉吸雜技術(去疵技術，gettering technique)。於攝影元件中，有時會發生被稱為白缺陷(white defect)等之影像方面的缺陷，已知此為雜質等所導致。作為防止該雜質之技巧，已知有一種吸雜技術，該吸雜技術是於矽晶圓內形成氧析出 物(BMD(主體微缺陷，Bulk Micro Defect))(內部去疵(intrinsic gettering))，或於矽晶圓的下面側形成機械性損傷或變形(外部去疵(extrinsic gettering))後，利用攝影元件製造中的熱環境將雜質捕捉於應變場中。於攝影元件製造用的矽晶圓中，逐漸使用專利文獻1、2等之中所揭示之摻雜碳來提高(增加及控制)BMD之方法，以進一步提高該吸雜能力。
其次，作為關於磊晶層之特徵，之前所述之電阻率的均一性自不必說，磊晶層的厚度也具有特徵性。於磊晶層中形成光電二極體，該部分中，利用透鏡聚光並藉由濾色器而分類之光，引起光電效應，將因此而產生之載子數當作光的強度來感應。光的穿透深度根據波長而有所不同，例如光的強度變為一半，而為藍色時，深度為約0.3 μm，若為紅色，則為3 μm左右。為了有效地吸收紅色光，磊晶層之厚度需要為至少3 μm左右，因此，若合計將形成於其下部之載子加以釋放之區域，則需要4 μm以上，一般而言，會使其成長為相較於用於存儲或邏輯等目的之磊晶層的厚度更厚者。作為較厚磊晶層的記載例，於專利文獻3~5中，基本上並未進行與厚度相關的討論，但記載有2~10 μm或1~20 μm等厚度。進而於專利文獻6、7中，實施例內記載有11 μm或12 μm之磊晶層的厚度，且過去也存在用於攝影元件用途之較厚磊晶層的例子。然而，若使磊晶層的厚度加厚成長會提高成本，因此不可以無限制地使其加厚，故而實際上用於攝影元件之實際磊晶層的厚度在4~6 μm 左右為現實可行的厚度。
然而，近年來，已知矽晶圓中所包含之雜質分佈會帶來不良影響。矽晶圓一般是自藉由CZ法(柴氏單晶提拉法，Czochralski method)，也包括MCZ法(外加磁場柴氏單晶提拉法，Magnetic Czochralski method)培育的矽單晶切割得來。該些結晶成長方法中，是在石英坩堝內熔融矽原料後，從中培育矽單晶，且自石英坩堝溶析的氧原子以過飽和的狀態包含在矽單晶中。該氧原子，作為上述內部去疵的BMD而發揮作用。也就是說，通過元件製造等之熱處理製程，矽單晶中之過剩的氧原子會與Si反應而以SiO2的形態，析出於矽單晶內。此為被稱作BMD(Bulk Micro Defect)者。
此外，藉由CZ法所製造的矽單晶中，除了氧原子以外，還包含摻雜劑以控制電阻率。一般為IIIA族元素硼(B)或VA族元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等原子。進而於摻雜碳之矽單晶中，也包含作為雜質之碳原子。該些摻雜劑或氧/碳原子，是藉由偏析現象而被導入矽單晶中。然而，因矽熔融液內之雜質的濃度並非完全均等之原因、及成長速度根據爐內之溫度變動和結晶的直徑等而變動，因而實效的偏析係數與成長速度連動而變化，由於這些原因等，矽單晶中的雜質濃度變得不均等。此時，矽單晶的成長界面不平，一般是呈上凸形狀，且由於是一邊旋轉矽單晶一邊進行培育，因此形成同心圓狀的條紋狀濃淡分佈。此為被稱作晶面條紋(striation)或成長條紋。
近年，於攝影元件上，發生與該濃淡一致這樣的次品問題變得顯著。作為次品問題的內容，是在光未進入的狀態下亦會產生載子之暗電流、或將所產生的電荷積存於方阱位勢內時之能量障壁高度(energy barrier height)異常等。因此需要於單晶培育中降低條紋狀的雜質分佈。作為對應此之技術，於專利文獻8中，提出一種將成長速度抑制在一定範圍內的技術。
[先行技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2001-102384號公報
專利文獻2：日本特開2001-237247號公報
專利文獻3：日本特開2009-212351號公報
專利文獻4：日本特開2009-212352號公報
專利文獻5：日本特開2011-82443號公報
專利文獻6：日本特開平6-163410號公報
專利文獻7：日本特開平10-41311號公報
專利文獻8：日本特開2009-274888號公報
然而，於近年要求愈加微型化/高感度化之潮流中，僅僅如此將不再足夠，已發現有時會再次發生暗電流或電位異常之問題。本發明人分析該問題後推斷，矽晶圓中所包含的氧原子，於攝影元件製造中會擴散至磊晶層 內，其氧進行例如供體(Donor)化，會引起上述問題。雖然如專利文獻6、7般的較厚磊晶層之例子較少但仍然存在，然而該些文獻中並不涉及磊晶層中之雜質，不可謂充分。
本發明是有鑒於上述問題點而完成，其目的在於提供一種磊晶晶圓及其製造方法，該磊晶晶圓的矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層之攝影元件形成部分帶來不良影響。
本發明是為了解決上述課題而完成，提供一種磊晶晶圓的製造方法，是藉由CZ法來培育矽單晶，並由該矽單晶來製作矽晶圓，然後於該矽晶圓上成長磊晶層，藉此來製造攝影元件製造用的磊晶晶圓的方法，其特徵在於：在前述磊晶層之成長前，對因於前述攝影元件之製造中，氧自前述矽晶圓擴散至前述磊晶層，而使前述磊晶層中的氧濃度，於前述攝影元件之製造後，成為4×1017 atoms/cm3以上之區域的厚度X，進行計算；而在前述磊晶層之成長中，除了前述厚度X以外，進而以於前述攝影元件之製造後的磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長前述磊晶層。
若使用該種製造方法，可製造出一種矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層的攝影元件形成部分帶來不良影響之磊晶晶圓。
此外，於前述磊晶層之成長前，較佳為藉由下述 公式來計算厚度X，4×1017=([Oi]ini[Oi]sol(T))/2-([Oi]ini-[Oi]sol(T))/2×erf[X/{2√|(D(T)t)}]
(式中，[Oi]ini表示前述矽晶圓的初始氧濃度，T表示前述攝影元件製造中之最高溫度的熱處理製程的溫度，[Oi]sol(T)表示前述溫度T中之氧的固溶度，D(T)表示前述溫度T中之氧的擴散係數，t表示前述溫度T之熱處理製程的處理時間，erf表示誤差函數)。
如上所述，由於攝影元件之製造的熱處理製程，自矽晶圓向磊晶層中擴散之氧的濃度，可以厚度X之函數來表示。若熱處理溫度下降，則氧的擴散係數會劇烈下降，因此，如前述公式所示，僅針對攝影元件製造中之最高溫度的熱處理製程，來計算擴散之氧濃度，而成為一種無需複雜的計算，並且通用性高的計算方法。
進而，於前述磊晶層之成長中，可以成長多層磊晶層來作為磊晶層。
即使在如上所述之成長多層電阻率或導電性不同的磊晶層之情況下，若使用本發明之磊晶晶圓的製造方法，則矽晶圓中的氧等雜質不會給攝影元件形成部分帶來不良影響。
此外，於前述磊晶層之成長中，較佳為除了厚度X以外，進而以於攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長磊晶層，且該磊晶層整體厚度成為9 μm以上 且20 μm以下。
近年之攝影元件製程中，形成閘氧化膜之熱處理為最高溫度的製程之情況較多，且在該製程後，磊晶層中的氧濃度為4×1017 atoms/cm3以上之區域的厚度估計為約3 μm左右。因此，較理想為形成厚度為9 μm以上之磊晶層，並且越厚約理想。此外，當為20 μm以下時，性價比較高。
進而，可於前述矽單晶之培育中，以使碳濃度成為1.3×1016~22×1016 atoms/cm3(ASTM'74)之方式來摻雜碳，並將氧濃度控制成為8×1017~16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，來培育矽單晶。
如此，若為摻雜碳之矽單晶之情況，若碳濃度為1.3×1016 atoms/cm3以上，則可獲得BMD提高之效果，若碳濃度為22×1016 atoms/cm3以下，則達不到矽單晶中之碳的固溶界限，因而易於單晶化。此外，若氧濃度為8×1017 atoms/cm3以上，則易於形成BMD，若氧濃度為16×1017 atoms/cm3以下，則BMD的個數、尺寸皆良好且吸雜能力提高。
此外，於前述矽單晶之培育中，可不摻雜碳，並將氧濃度控制為16×1017~24×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，來培育矽單晶。
如此一來，即使在不摻雜碳之矽單晶之情況下，藉由使氧濃度為16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上，即可使BMD充分成長。此外，若氧濃度為24×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以下，則氧析出量不會變得過大，並可 抑制發生晶圓之翹曲等其他問題之可能性。
進而，本發明提供一種磊晶晶圓，是在由矽單晶製作而成之矽晶圓上成長磊晶層而成之攝影元件製造用的磊晶晶圓，該矽單晶是藉由CZ法培育而成，其中，該磊晶晶圓的特徵在於：前述磊晶層，形成有以下區域：因於前述攝影元件之製造中，氧自前述矽晶圓擴散至前述磊晶層，而使前述磊晶層中的氧濃度，於前述攝影元件之製造後，成為4×1017 atoms/cm3以上之區域；以及，於前述攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域；並且，該氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上。
若為該種磊晶晶圓，則矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層之攝影元件形成部分帶來不良影響。
如以上說明，若使用本發明之磊晶晶圓的製造方法，則可製造一種磊晶晶圓，該磊晶晶圓之矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層之攝影元件形成部分帶來不良影響。此外，於攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度為4×1017 atoms/cm3以上之區域的厚度X之計算，亦無需複雜的計算，可利用通用性較高的方法來進行。進而，可藉由使用具有適當碳濃度、氧濃度之晶圓來作為矽晶圓，製造出具有優異的吸雜能力的磊晶晶圓。利用本發明製造而成之磊晶晶圓，可較佳地應用在數位相機或手機等中使用之被稱 作CCD(電荷耦合元件，Charge-coupled Device)或CIS(接觸式圖像感測器，Contact Image Sensor)之固體攝影元件中。
1‧‧‧矽晶圓
2‧‧‧成為緩衝層之區域
2’‧‧‧緩衝層
3‧‧‧成為有效層之區域
3’‧‧‧有效層
4‧‧‧磊晶層
5‧‧‧P型阱/閘氧化膜
6‧‧‧n型雜質注入部
7‧‧‧p型雜質注入部
8‧‧‧多晶矽電極
9‧‧‧遮光膜
10‧‧‧磊晶晶圓
第1圖是本發明之磊晶晶圓的製造方法的流程圖。
第2圖是表示對實施例1的條件下之磊晶晶圓實施熱模擬之情況下之氧濃度的分佈圖。
第3圖是表示對實施例2的條件下之磊晶晶圓實施熱模擬之情況下之氧濃度的分佈圖。
以下，詳細說明本發明，但本發明並非限定於此。如上所述，較理想為矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層之攝影元件形成部分帶來不良影響之磊晶晶圓的製造方法。
本發明人，對前述問題點進行反復深入研究，結果發現，先計算出磊晶層中受到矽晶圓中的氧等雜質之不良影響之區域的厚度，除了該厚度以外，還以磊晶層不會受到氧等雜質之不良影響之區域(攝影元件形成部分)的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長磊晶層，藉此磊晶晶圓之矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層之攝影元件形成部分帶來不良影響，而完成本發明。
第1圖是表示本發明之磊晶晶圓的製造方法的流程圖。本發明之製造方法中，藉由CZ法來培育矽單晶，並由該矽單晶來製作矽晶圓1(第1圖(A))，於成長磊晶層 之前，計算在攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度為4×1017 atoms/cm3以上之區域的厚度X(第1圖(B))。其後，除了厚度X以外，進而以於攝影元件之製造後，磊晶層4中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長磊晶層4，藉此來製造攝影元件製造用的磊晶晶圓10(第1圖(C))。
如第1圖(D)所示，在製造攝影元件之步驟中，由於其熱環境，氧會自矽晶圓1擴散至磊晶層4中。其結果為，在攝影元件之製造後，會形成擴散至磊晶層4中之氧的濃度較高的區域與較低的區域。本發明中，將攝影元件之製造後之磊晶層中的氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上之距矽晶圓較近之區域，稱作緩衝層2’，將攝影元件之製造後之磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之距矽晶圓較遠之區域，稱作有效層3’。緩衝層2’、有效層3’兩者皆為攝影元件之製造前之磊晶層4。本發明中，成長之磊晶層4整體厚度，是攝影元件製造後之成為緩衝層2’之區域2的厚度與成為有效層3’之區域3的厚度之和。
例如在第1圖(D)中進行之攝影元件製造步驟中，於磊晶層4上形成P型阱/柵氧化膜5，向其內選擇性地離子注入n型雜質注入部6及p型雜質注入部7，形成傳送部與光電二極體。此外，於其上形成多晶矽電極8，於除了受光部以外之部分形成遮光膜9，而可形成攝影元件。
如前所述，由於已知於攝影元件製造中(第1圖 (D))，氧自矽晶圓擴散，會給元件特性帶來不良影響，因此，於本發明中，預先計算出作為用以排除來自矽晶圓1之影響之緩衝層2’之區域2的厚度(第1圖(B))，除以此厚度以外，進而以作為用以製作攝影元件之有效層3’之區域3的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長磊晶層4(第1圖(C))。藉此，可製作不受矽晶圓之影響，高感度且高集成度的攝影元件製造用磊晶晶圓。
其中，於攝影元件製造後成為有效層之區域，是於攝影元件之製造後之磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之區域，其厚度須為6 μm以上。於有效層形成攝影元件之情況下，將形成光電二極體(攝影元件)部分與排出部分，該光電二極體(攝影元件)部分對入射光進行光電轉換後產生載子並加以積存，該排出部分向其下排出無用電荷。另外亦形成傳送部等讀取光電二極體感應之光的強度之部分。
之前所述之光的穿透深度根據波長而有所不同，例如光的強度為一半而為藍色時，深度為約0.3 μm，若為紅色，則為3 μm左右。為了有效地吸收紅色光，光電二極體的厚度需要為至少3 μm左右。因此，製造亦包含無用電荷釋放區域之攝影元件所需之厚度，至少為4 μm以上。由於必要厚度涉及攝影元件的原始設計，並未籠統地加以規定，然而，有鑒於近來之攝影元件之高感度化發展，於本發明中規定成為有效層之區域所需厚度為6 μm以上。
此外，於攝影元件製造後成為緩衝層之區域，是 於攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上之區域。利用氧濃度4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，對攝影元件製造後成為緩衝層之區域，與成為有效層之區域加以區分，係因考慮到，攝影元件製造之後續處理等中所進行之配線或封裝等中，會因低溫之熱處理而產生氧供體。當氧濃度減少時，氧供體會驟減。於進行本發明人之實驗數據中最易產生氧供體之450℃下、5小時之熱處理時，氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之情況下，產生載子約8×1011 atoms/cm3；氧濃度為8×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之情況下，產生載子約5×1013 atoms/cm3；進而氧濃度為12×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之情況下，產生載子約6×1014 atoms/cm3。由此可知，隨著氧濃度變為2倍、3倍，氧供體所致之載子則會過分地增加。製作光電二極體之附近的原本的摻雜劑濃度為1014~1015左右，因此，較理想為，為防止氧供體所致之載子帶來不良影響，氧供體濃度比其低2位左右。因此，將氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上之部分，作為成為緩衝層之區域，將除此以外之部分，作為製作光電二極體等之成為有效層之區域。
一般來說，磊晶層的厚度越厚，則成本越高。使磊晶層成長之步驟中，存在晶圓之裝載/卸除或預處理等步驟，決定步驟時間的最主要因素為使磊晶層成長之步驟。這是因為磊晶層之成長速度非常緩慢。因此使磊晶層加厚成長，直接關係到成本提高。由此，要達到必要厚度以上 時，一般不會加厚磊晶層的厚度。然而，本發明中，最大特徵在於，除了製作先前必要之光電二極體等所需之必要厚度以外，亦設置成為緩衝層之區域以抑制來自矽晶圓之影響。藉此，對於今後預想之微型化/高感度化之要求，可期待磊晶層之厚度增加帶來性能提高，從而可能最終提供性價比優異的產品。
此外，由於緩衝層的厚度如下進行確定，因此可節省攝影元件製造後之氧濃度確認作業。將矽晶圓與磊晶層之間的界面至磊晶層側的距離，即成為緩衝層之區域的厚度設為X，則藉由熱處理製程，自矽晶圓擴散至磊晶層中之氧的濃度C，如下式所示，可表示為厚度X的函數，表示。此外，此處erf為誤差函數的省略，一般是用於計算擴散濃度。
C(X)=([Oi]ini+[Oi]sol(T))/2-([Oi]ini-[Oi]sol(T))/2×erf[X/{2√(D(T)t)}]
(式中，[Oi]ini表示矽晶圓的初始氧濃度，T表示攝影元件製造中之最高溫度的熱處理製程的溫度，[Oi]sol(T)表示溫度T中之氧的固溶度，D(T)表示溫度T中之氧的擴散係數，t表示溫度T之熱處理製程的處理時間，erf表示誤差函數。)
根據藉此而求得之氧濃度分佈，可確定氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之厚度，即成為緩衝層之區域的厚度X。
再者，於前述公式中，利用攝影元件製造中之最高 溫度之處理溫度，來計算擴散之氧濃度，亦可計算磊晶層成長時之熱處理或攝影元件製造中之其他熱處理等全部熱處理中的氧擴散。然而，若對各個熱處理進行計算，則計算式可能變得複雜，並且可能影響計算式之通用性。另一方面，磊晶成長為高溫但時間短，且有關攝影元件製造中之熱處理之詳細內容，存在涉及元件廠商的技術之問題，於製造攝影元件之際將適宜地變更。此外，伴隨最近的攝影元件製造溫度之整體性低溫化發展，以高溫進行熱處理之步驟逐漸減少。進而，當熱處理溫度下降，則氧的擴散係數會劇烈地下降。為使擴散之氧濃度的計算式較之以上具有簡便性與通用性，利用前述式，以最高溫度的攝影元件製造步驟為代表進行試算，來決定大概估算之成為緩衝層之區域的厚度。
此外，於本發明之磊晶晶圓的製造方法中，不僅成長1層磊晶層，亦可在磊晶成長時製造攝影元件結構的一部分，而成長2層以上之多層磊晶層。於該種多層磊晶晶圓中，將各個磊晶層的厚度相加之磊晶層的整體厚度較佳為，具有前述成為緩衝層之區域及成為有效層之區域的厚度者。
形成多層磊晶層之情況下，可使電阻率或導電性不同的磊晶層多層成長。本發明的目的在於使矽晶圓中的氧等雜質不會給磊晶層的光電二極體形成部分帶來不良影響，這樣一來，即使電阻率不同，相較於矽晶圓，磊晶層中的氧原子或碳原子濃度，低到可謂沒有之程度，因此， 任一電阻率的層皆可作為成為緩衝層之區域而發揮作用。
成為緩衝層之區域的厚度如上所述，為依賴於攝影元件製造步驟之設計之數值，然而於近年之步驟中，形成柵氧化膜之熱處理大多為最高溫度的步驟。例如，若假設基板的初始氧濃度為14.5×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，形成氧化膜之溫度與時間為1000℃、60分鐘，則氧濃度為4×1017 atoms/cm3以上之深度為約2.6 μm。因此，可預估近年之攝影元件中，大致成為緩衝層之區域的厚度為3 μm左右。成為有效層之區域需要6 μm以上的厚度，因此，可預估攝影元件用之磊晶層的整體厚度之最低厚度為9 μm。
從以上所述可知，較理想為使磊晶層之整體厚度為9 μm以上20 μm以下。將上限定為20 μm係因為若非如此，成本可能超過性能帶來之價值。將來，若能找到改善磊晶成長技術並降低成本之手段，則可謂磊晶層越厚越好。
本發明之磊晶晶圓的製造方法中，亦含有應對白缺陷之對策，因此於先前所用之摻雜碳之矽單晶之情況下，較佳為碳濃度為1.3×1016~22×1016 atoms/cm3(ASTM'74)。若碳濃度為1.3×1016 atoms/cm3以上，則可獲得BMD提高之效果，若為22×1016 atoms/cm3以下，則達不到矽單晶中碳之固溶界限，因而易於單晶化。
此外，較佳為摻雜碳之矽單晶的氧濃度控制在8×1017~16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)。若為8×1017 atoms/cm3以上，則易於形成BMD。此外，若為16×1017 atoms/cm3以下，則BMD的個數、尺寸皆良好且吸雜能力 提高。
進而，若為不摻雜碳之矽單晶之情況下，當氧濃度為16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上時，BMD充分成長。因此，使用不摻雜碳且氧濃度為16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上之矽晶圓作為攝影元件之白缺陷對策用之矽晶圓，亦為有效。此外，若為24×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以下，則氧析出量不會變得過大，並可抑制發生晶圓之翹曲等其他問題之可能性。
[實施例]
以下，列舉本發明之實施例及比較例來進一步詳細說明，然而本發明並不限定於下述實施例。
(實施例1)
使用作為外加磁場之CZ法之MCZ法，培育碳濃度為5.4×1016 atoms/cm3(ASTM'74)、氧濃度為14.2×1017 atoms/cm3(ASTM'79)之直徑為300 mm的矽單晶，研磨由此矽單晶切出之晶圓後，將其作為矽晶圓。
此時，對氧之擴散帶來最大影響之熱處理為柵氧化熱處理，具體而言，預定於1000℃、60分鐘之乾氧環境中進行。如第2圖所示，根據前述氧濃度與該熱處理條件，利用前述公式計算出，於攝影元件製造後，磊晶層之氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以上之區域的厚度為2.3 μm。若設光電二極體形成區域深度為6 μm，則免受矽晶圓之影響所需之必要厚度為8.3 μm。再者，其中，氧的擴散係數D(T)是通過D(T)=Doexp(-Eo/kT)，Do=0.13(cm2/s)， Eo=2.53(eV)計算得來；氧的固溶度[Oi]sol(T)係通過[Oi]sol(T)=[Oi]oexp(-Eo/kT)，[Oi]o=9.00×1022(atoms/cm3)，Eoi=1.52(eV)計算得來。
因此，於矽晶圓上成長較試算而求得之8.3 μm更厚之9 μm的磊晶層，並投入至攝影元件步驟。磊晶層形成P摻雜n型之層。此外，作為攝影元件之步驟的概略，係於n型磊晶層形成P型阱/柵氧化膜，向該阱內選擇性地離子注入n型及p型雜質，形成傳送部與光電二極體。通過於其上形成多晶矽電極，於除受光部以外之部分形成遮光膜，從而形成攝影元件。
其結果為，利用實施例1未檢測出條紋狀暗電流異常。此外，於矽晶圓中藉由光散射法檢測出BMD，且認為該BMD足以抑制1×109/cm3以上之白缺陷。因此，可認為前述試算所求得之磊晶層的厚度需要為8.3 μm以上之結果被證明為妥當。
(比較例)
接著，使用自完全相同之矽單晶(碳晶濃度為5.4×1016 atoms/cm3(ASTM'74)，氧濃度為14.2×1017 atoms/cm3(ASTM'79))切出之矽晶圓，製作磊晶晶圓，該磊晶晶圓的磊晶層的厚度為6 μm，相較於由前述試算所求得之8.3 μm為更薄，除此以外其餘皆與實施例1完全相同。與實施例1同樣地，將該晶圓投入至攝影元件步驟。
其結果為，於完成之攝影元件中，檢測出實施例1中未見之條紋狀暗電流異常。另一方面，於矽晶圓中，檢 測出BMD，且認為該BMD足以藉由光散射法抑制1×109/cm3以上之白缺陷。利用X射線形貌術(X-Ray Topography)及光散射法對其進行晶圓面內觀察，將觀察到同心圓狀的條紋圖案(條紋狀的部分)，於X射線中作為繞射強度的濃淡，於光散射法中作為BMD密度的多少。將這些條紋狀分佈與條紋狀暗電流不良圖案進行比較後，可知相似性較高。因此，可認為因晶面條紋而導致不良產生。
根據實施例1之試算結果，免受矽晶圓影響之必要厚度為8.3 μm。由此可認為6 μm的磊晶層的厚度下，會產生問題。
此外，對比較例與實施例1中使用之磊晶晶圓，實施模擬攝影元件製造步驟之熱模擬。對該些晶圓使用SIMS(二次離子探針質譜儀，Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer)，自表面向深度方向測定氧濃度之分佈。其結果為，比較例中使用之晶圓中，伴隨自表面向深處行進，氧濃度慢慢變高，且距表面3.7μm(距矽晶圓磊晶層界面2.3 μm)之處之氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)。另一方面，實施例1中使用之晶圓之情況下，與第2圖所示同樣地，伴隨自表面向深處行進，氧濃度慢慢變高，且深度為約6.5 μm(距矽晶圓磊晶層界面2.5 μm)之處之氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)。
通過以上描述，可確認以下內容為必要事項：作為有效層之必要深度為大致6 μm；應具有足夠的緩衝層；作為有效層發揮作用所需之其氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM'79)以下。
(實施例2)
與比較例與實施例1中使用之矽晶圓不同，利用不摻雜碳且將氧濃度提高為17×1017atoms/cm3(ASTM'79)而培育之矽單晶，來形成矽晶圓。使用該氧濃度不同的矽晶圓，於實施模擬攝影元件製造步驟之熱模擬後，測定氧濃度分佈，並進行確認實驗以確認可否獲取足夠的有效層厚度。此時，設想攝影元件製造步驟的條件變更，將實施例1中使用之熱模擬中之氧化膜形成熱處理，設為1000℃、30分鐘與一半的時間。
由該氧濃度及熱處理條件計算而得之磊晶層中的氧濃度，成為如第3圖所示之濃度，且滿足氧濃度為4×1017atoms/cm3(ASTM'79)之厚度試算為1.9μm。因此，於該未摻雜碳之高氧濃度矽晶圓上成長厚度為8μm的磊晶層，該磊晶層被預測為可獲得6μm以上的有效層。其後，實施將氧化膜形成熱處理設為1000℃、30分鐘之元件模擬熱處理。
使用SIMS(二次離子探針質譜儀，Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer)，自表面向深度方向測定氧濃度之分佈。隨著自表面向深處行進，氧濃度慢慢變高，且距表面6.2μm(距矽晶圓磊晶層界面1.8μm)之處之氧濃度為4×1017atoms/cm3(ASTM'79)。也就是說，確保了如計算所預測的形成光電二極體所需要的有效層的厚度6μm。又，在矽晶圓中藉由光散射法檢測出BMD，且認為該BMD足以抑制1×109/cm3以上之白缺陷。
如以上所述，若事前得知攝影元件製程的熱處理條件與矽晶圓的氧濃度，則使用本發明的製造方法，能事前預測用以確保有效層的厚度之磊晶層的厚度來成長磊晶層，藉此，能製造出一種磊晶晶圓，其矽晶圓中的氧等的雜質的不良影響不會到達磊晶層的攝影元件形成部分，而可降低不良率。
再者，本發明並不限定於上述實施形態。上述實施形態僅為示例，具有與本發明的申請專利範圍所記載之技術思想實質相同的構成，並發揮相同作用效果之所有發明，均包含在本發明的技術範圍內。
1‧‧‧矽晶圓
2‧‧‧成為緩衝層之區域
2’‧‧‧緩衝層
3‧‧‧成為有效層之區域
3’‧‧‧有效層
4‧‧‧磊晶層
5‧‧‧P型阱/閘氧化膜
6‧‧‧n型雜質注入部
7‧‧‧p型雜質注入部
8‧‧‧多晶矽電極
9‧‧‧遮光膜
10‧‧‧磊晶晶圓

Claims (10)

  1. 一種磊晶晶圓的製造方法，是藉由CZ法來培育矽單晶，並由該矽單晶來製作矽晶圓，然後於該矽晶圓上成長磊晶層，藉此來製造攝影元件製造用的磊晶晶圓的方法，其特徵在於：在前述磊晶層之成長前，對因於前述攝影元件之製造中，氧自前述矽晶圓擴散至前述磊晶層，而使前述磊晶層中的氧濃度，於前述攝影元件之製造後，成為4×1017 atoms/cm3以上之區域的厚度X，進行計算；而在前述磊晶層之成長中，除了前述厚度X以外，進而以於前述攝影元件之製造後的磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長前述磊晶層。
  2. 如請求項1所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述磊晶層之成長前，藉由下述公式來計算前述厚度X，4×1017=([Oi]ini+[Oi]sol(T))/2-([Oi]ini-[Oi]sol(T))/2×erf[X/{2√|(D(T)t)}](式中，[Oi]ini表示前述矽晶圓的初始氧濃度，T表示前述攝影元件製造中之最高溫度的熱處理製程的溫度，[Oi]sol(T)表示前述溫度T中之氧的固溶度，D(T)表示前述溫度T中之氧的擴散係數，t表示前述溫度T之熱處理製程的處理時間，erf表示誤差函數)。
  3. 如請求項1所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述磊晶層之成長中，成長多層磊晶層來作為前述磊晶層。
  4. 如請求項2項所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述磊晶層之成長中，成長多層磊晶層來作為前述磊晶層。
  5. 如請求項1至請求項4中任一項所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述磊晶層之成長中，除了前述厚度X以外，進而以於前述攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上的厚度之方式，來成長前述磊晶層，且該磊晶層整體厚度成為9 μm以上且20 μm以下。
  6. 如請求項1項至請求項4中任一項所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述矽單晶之培育中，以使碳濃度成為1.3×1016~22×1016 atoms/cm3(ASTM'74)之方式來摻雜碳，並將氧濃度控制成為8×1017~16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，來培育前述矽單晶。
  7. 如請求項5所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述矽單晶之培育中，以使碳濃度成為1.3×1016~22×1016 atoms/cm3(ASTM'74)之方式來摻雜碳，並將氧濃度控制成為8×1017~16×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，來培育前述矽單晶。
  8. 如請求項1至請求項4中任一項所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述矽單晶之培育中，不摻雜碳，並將氧濃度控制成為16×1017~24×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，來培育前述矽單晶。
  9. 如請求項5所述之磊晶晶圓的製造方法，其中，於前述矽單晶之培育中，不摻雜碳，並將氧濃度控制成為16×1017 ~24×1017 atoms/cm3(ASTM'79)，來培育前述矽單晶。
  10. 一種磊晶晶圓，是在由矽單晶製作而成之矽晶圓上成長磊晶層而成之攝影元件製造用的磊晶晶圓，該矽單晶是藉由CZ法培育而成，其中，該磊晶晶圓的特徵在於：前述磊晶層，形成有以下區域：因於前述攝影元件之製造中，氧自前述矽晶圓擴散至前述磊晶層，而使前述磊晶層中的氧濃度，於前述攝影元件之製造後，成為4×1017 atoms/cm3以上之區域；以及，於前述攝影元件之製造後，磊晶層中的氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域；並且，該氧濃度未滿4×1017 atoms/cm3之區域的厚度成為6 μm以上。
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