TWI566276B - 磊晶晶圓 - Google Patents

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Description

磊晶晶圓
本發明係關於半導體裝置形成時的熱處理製程中，可抑制矽基板側的雜質擴散於磊晶層之磊晶晶圓。
半導體離散元件形成用基板係使用在含高濃度雜質的矽基板上，具有矽磊晶層(其係含有較該矽基板更低濃度雜質，以下簡稱「磊晶層」)的磊晶晶圓。
此種磊晶晶圓係在半導體裝置形成時的熱處理製程中，會發生矽基板中所含的高濃度雜質，擴散於磊晶層的固態層擴散現象。
特別係當雜質為磷的情況，因為其擴散速度較快於其他雜質，因而在半導體裝置形成時的熱處理製程中，磊晶層的雜質濃度(比電阻)在深度方向會出現緩坡斜率，躍遷寬度(transition width)(在具有不同雜質濃度的矽基板與磊晶層之邊界附近，雜質濃度進行躍遷區域的寬度：圖2中的Tw)擴大的現象會明顯發生。
因為此種躍遷寬度的擴大，會對半導體裝置的崩潰電壓等原本必要的裝置特性造成不良影響，因而期待即便半導體裝置形成時的熱處理製程後，躍遷寬度仍狹窄，且在矽基板與磊晶層間具有急遽電阻分佈的磊晶晶圓。
獲得躍遷寬度較狹窄、且電阻率分佈呈急遽、安定的磊晶晶圓之製造方法，有揭示在矽單晶上氣相沉積由矽單晶薄膜構成的保護層後，再將已氣相沉積該保護層的矽單晶收容於反應容器內的狀態下，對該反應容器內施行乾式蝕刻，再將該反應容器內施行排淨(purge)，俾使上述所需矽單晶層進行氣相沉積的技術(例如日本專利特開平10-50616號公報(專利文獻1))。
再者，有揭示：在晶圓表面上，磊晶成長出電阻率10~1500Ωcm、且厚0.15~3.0μm的第1矽單晶膜，再於上述第1矽單晶膜上，磊晶成長出電阻率較小於上述第1矽單晶膜的第2矽單晶膜之技術(例如日本專利特開平2007-81045號公報(專利文獻2))。
然而，該等專利文獻1、2所記載的技術，並非屬於在半導體裝置形成時的熱處理製程中，抑制矽基板所含的高濃度雜質擴散於磊晶層之技術。
本發明係為解決上述技術課題而完成，其目的在於提供：在半導體裝置形成時的熱處理製程中，能抑制矽基板所含的高濃度雜質，擴散於磊晶層的磊晶晶圓。
本發明的磊晶晶圓，其特徵在於：在磷濃度為1019atoms/cm3級、氧濃度為1.3×1018atoms/cm3以下的矽基板上，設有磷濃度為1016atoms/cm3級、膜厚為0.5~20μm的矽磊晶層。
根據本發明，可提供在半導體裝置形成時的熱處理製程中，能抑制矽基板所含的高濃度雜質，擴散於磊晶層的磊晶晶圓。
發明者等確認到磊晶晶圓係含有雜質為磷、且其濃度為1019atoms/cm3級高濃度雜質的矽基板，且當在該矽基板上設有含有雜質為磷、且雜質濃度較該矽基板低3位數的1016atoms/cm3級低濃度雜質之磊晶層時，在半導體裝置形成時的熱處理製程中，會有躍遷寬度大幅變寬的傾向，因此為解決該等技術課題，經深入鑽研的結果，遂完成本發明。
以下，針對本發明磊晶晶圓的實施形態，參照所附圖式進行詳細說明。
圖1所示係本發明實施形態的磊晶晶圓概略圖，圖2所示係為說明躍遷寬度Tw用的雜質分佈圖。
本發明實施形態的磊晶晶圓1係如圖1所示，特徵在於：在矽基板10上設有磊晶層20，上述矽基板10係磷濃度為1019atoms/cm3級、氧濃度在1.3×1018atoms/cm3以下，磊晶層20係磷濃度為1016atoms/cm3級。
依此當在含有磷濃度為1019atoms/cm3級之高濃度雜質的矽基板10上，設置低3位數雜質濃度之1016atoms/cm3級低濃度雜質的磊晶層20時，藉由將矽基板10的氧濃度設為1.3×1018atoms/cm3以下，在半導體裝置形成時的熱處理製程中，可大幅抑制矽基板中所含高濃度雜質擴散於磊晶層的情形。
當上述氧濃度超過1.3×1018atoms/cm3時，因為在半導體裝置形成時的熱處理製程中，躍遷寬度Tw會大幅變寬，因而最好避免。
上述氧濃度的下限值較佳係0.5×1018atoms/cm3以上。若上述氧濃度未滿0.5×1018atoms/cm3時，因為矽基板10的強度會降低，因而在磊晶層20形成時，會發生諸如翹曲、錯位差排等不良情況，所以最好避免。
上述磊晶層20的膜厚係配合所使用的半導體裝置用途而適當設計，具體較佳係0.5μm以上且20μm以下。
其次，針對本發明磊晶晶圓之製造方法進行說明。
本發明的磊晶晶圓之製造方法，係包括有：製造磷濃度為1019atoms/cm3級、氧濃度為1.3×1018atoms/cm3以下的矽基板之步驟；以及在上述矽基板上，形成磷濃度為1016atoms/cm3級、且膜厚為0.5~20μm之磊晶層的步驟。
製造上述矽基板的步驟，具體係依照下述方法實施。首先，利用柴式長晶法(Czochralski method)，生成磷濃度為1019atoms/cm3級、氧濃度為1.3×1018atoms/cm3以下的矽單晶錠(ingot)。
利用柴式長晶法施行的矽單晶錠生成，係依照周知方法實施。
具體而言，將多晶矽及既定量的磷填充於石英坩堝中，藉由加熱石英坩堝，而加熱多晶矽並形成矽融液後，再使從該矽融液的液面上方接觸晶種結晶，一邊使晶種結晶與石英坩堝進行旋轉並一邊拉晶，擴徑至所需直徑而生成直筒部。
依此所獲得的矽單晶錠係利用周知方法加工成為矽基板。
具體而言，將矽單晶錠利用內周刀片或線鋸等切片成晶圓狀之後，經由外周部的倒角、研磨、蝕刻、拋光等加工步驟，便製得至少裝置形成面成為鏡面的矽基板。另外，此處所記載的加工步驟僅為例示而已，本發明並不僅侷限於此加工步驟。
其次，在所製得矽基板的裝置形成面上，形成磷濃度為1016atoms/cm3級、膜厚為0.5~20μm的磊晶層。磊晶層的形成係利用諸如：氣相磊晶法(CVD法)、有機金屬氣相沉積法(MOCVD法)或分子束磊晶法(MBE法)等周知方法便可形成。
本發明的磊晶晶圓之製造方法，因為具備上述構成，因而可製造本發明的磊晶晶圓。又，因為在矽基板10與磊晶層20之間，並無必要形成如專利文獻2所示的中間層，因而亦具有提升生產性的效果。
[實施例]
以下，針對本發明根據實施例進行更具體的說明，惟本發明並不因下述實施例而限定解釋。
(實施例及比較例)
準備磷濃度為5×1019atoms/cm3、氧濃度分別為1.0×1018、1.3×1018、1.8×1018atoms/cm3之直徑6吋(150mm)的矽基板。接著，該等矽基板上，利用氣相磊晶法(CVD法)分別形成磷濃度為3×1016atoms/cm3、膜厚為7μm的磊晶層，便製得3種磊晶晶圓。然後，對該等磊晶晶圓在氧100%環境中，依溫度1050℃施行60分鐘熱處理，然後在同溫度下，從氧100%環境切換為氮100%環境，更進一步施行270分鐘熱處理。將該熱處理設為裝置形成熱處理。
然後，針對已施行上述熱處理過的磊晶晶圓，利用二次離子質譜分析法(SIMS)測定磷濃度的深度方向分佈。又，上述熱處理前的磊晶晶圓之磷濃度深度方向分佈，亦是利用同一方法進行測定。
然後，利用所獲得雜質濃度分佈，分別計算出躍遷寬度Tw。
表1所示係本實施例及比較例的評價結果。
由表1得知，當矽基板的氧濃度在1.3×1018atoms/cm3以下的情況(實施例1、2)，相較於氧濃度為1.8×1018atoms/cm3的情況(比較例1)，躍遷寬度Tw的擴大被抑制至60%以下。
1．．．磊晶晶圓
10．．．矽基板
20．．．磊晶層
Tw．．．躍遷寬度
圖1為本發明實施形態的磊晶晶圓概略圖。
圖2為說明躍遷寬度Tw用的雜質分佈圖。
1．．．磊晶晶圓
10．．．矽基板
20．．．磊晶層

Claims (1)

  1. 一種磊晶晶圓，其特徵在於：在磷濃度為1019atoms/cm3級、氧濃度為1.3×1018atoms/cm3以下的矽基板上，設有磷濃度為1016atoms/cm3級、膜厚為0.5~20μm的矽磊晶層；矽基板與矽磊晶層之邊界附近的磷濃度之躍遷寬度為0.5μm。
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