TWI654344B - 製備單晶矽半導體晶圓的方法、製備單晶矽半導體晶圓的裝置以及單晶矽半導體晶圓 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種製備單晶矽半導體晶圓的方法、一種用於進行該方法的裝置以及一種包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶矽半導體晶圓。該方法包含在石英坩堝中提供一包含n型摻雜劑的矽熔體，其中該熔體具有初始高度hM； 藉由選擇性地將熱供應至具有初始高度hm的熔體的上部體積而從側面加熱熔體，其中高度hm小於高度hM； 以抽拉速度V藉由CZ法從熔體中抽拉矽單晶； 在生長中的單晶和熔體之間的相界區域中從上方加熱熔體； 從熔體表面的區域的上方加熱熔體； 使熔體經受一磁場； 用p型摻雜劑對熔體進行反摻雜；以及 從單晶中分出單晶矽半導體晶圓。

Description

製備單晶矽半導體晶圓的方法、製備單晶矽半導體晶圓的裝置以及單晶矽半導體晶圓

本發明關於一種製備包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶矽半導體晶圓的方法，其中氧濃度和氧濃度的徑向變化相對較低。本發明還關於一種製備該半導體晶圓的裝置以及具有上述性質且直徑至少為300毫米的半導體晶圓。

具有上述性質的單晶矽半導體晶圓為特別用於製備基於絕緣柵雙極電晶體IGBT的電子元件的基材。該基材的氧濃度必須盡可能低，這是由於在製備電子元件的過程中，氧有助於熱供體的形成，其會改變電阻而損害部件的可使用性。尤其是當半導體晶圓同時期望具有至少300毫米的直徑時，對該基材的氧濃度必須較低的要求是一個挑戰。

在此情況下，半導體晶圓從中分出的單晶必須要藉由CZ法生長。藉由CZ法生長單晶矽包含在石英坩堝中熔融多晶矽，將晶種浸入所得的熔體中並向上提拉晶種，以在石英坩堝和晶種旋轉時引起材料在晶種下方開始結晶。該材料的一部分形成矽單晶，矽的單晶半導體晶圓通常從中分離出。

該矽熔體將從坩堝材料中出來的氧溶解，並且將該氧部分地引入生長中的單晶中且其部分地以氣態SiO的形式從熔體中逸出。必須採取特別的措施以確保單晶中的氧濃度足夠低以使該單晶材料適合於製備IGBT。

另一方面，晶格中氧的存在加強了單晶矽半導體晶圓對於藉由熱或機械所致的應力而帶來的滑動的阻力。當單晶中氧的濃度較低時，所面對的技術問題是：從該單晶中分離出的單晶矽半導體晶圓在邊緣區域中氧濃度下降和在邊緣區域特別容易滑動。

當該熔體摻雜了n型摻雜劑（例如磷光體）時，隨著單晶中結晶的增加，摻雜劑在熔體中得以累積。由於這種偏析效應，單晶中的比電阻朝單晶下端的方向上降低。由該單晶中分離出且適用作製備IGBT的基材的半導體晶圓在其電性能方面可能會略有不同。為了抵消在單晶長度上的比電阻的降低，可以向熔體中添加p型摻雜劑，例如硼，以補償由偏析而導致的載流子的增加。該措施稱為反摻雜，並且例如詳細描述於US2015 / 0 349 066A1中。

US2007/0 193 501A1描述了氧濃度不超過4.33×10¹⁷ 原子／立方公分的單晶矽半導體晶圓的製備，所報導的數值經轉化為新的ASTM。該文件中所包含的實施例顯示確實製備了轉化後濃度為2.6×10¹⁷ 原子／立方公分的半導體晶圓。該文件中所描述的製備方法包含藉由使用反摻雜的CZ法以使矽單晶生長以提高產率。

EP 0 926 270 A1揭露了一種環形加熱工具，使用其有利於SiO經由熔體表面逸出。

本發明的目的是說明如何提供具有甚至更低的氧濃度的單晶矽的n型摻雜半導體晶圓，尤其是氧濃度的徑向變化得以下降的晶圓，以及該半導體晶圓的產率如何可以得到優化。

本發明的目的是藉由一種製備包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶矽半導體晶圓的方法而實現，其包含： 在石英坩堝中提供包含n型摻雜劑的矽熔體，其中該熔體具有初始高度hM； 藉由選擇性地將熱供應給具有初始高度hm的熔體的上部體積而從側面加熱熔體，高度hm小於高度hM； 藉由CZ法從熔體中以抽拉速度V而抽拉矽單晶； 在生長中的單晶和熔體之間的相界區域中從上方加熱熔體； 在熔體表面的區域中從上方加熱熔體； 使熔體經受一磁場； 用p型摻雜劑對熔體進行反摻雜；以及 從單晶中分出單晶矽半導體晶圓。

本發明另提供一種包含氧、熱供體和至少一種n型摻雜劑且具有不小於300毫米的直徑的單晶矽半導體晶圓。該半導體晶圓的氧濃度小於2.2×10¹⁷ 原子／立方公分，較佳小於2.0×10¹⁷ 原子／立方公分，並且徑向上與平均值的偏差不大於5%。該半導體晶圓中的熱供體的密度不大於3×10¹³ ／立方公分。

較佳地，包含徑向位置為130至150毫米的邊緣區域中的氧濃度與平均值的偏差不超過10%。

發明人已經發現，為了實現該目的，必須採取一系列措施。流動條件和熔體中的溫度場的產生阻礙氧從坩堝材料的溶解，並促進SiO經由熔體表面而從熔體逸出，並促使氧以由單晶中心至單晶邊緣均勻分佈的方式吸收於生長中的單晶中。此外，在單晶的抽拉過程中，控制單晶的抽拉速率和冷卻速率，以使單晶中熱供體的濃度保持較低。

包含n型摻雜劑的矽熔體較佳藉由使多晶矽和n型摻雜劑，諸如磷在石英坩堝中熔化而被提供。

在單晶抽拉過程中，熱量從至少三個位置供應給熔體。從生長中的單晶和熔體之間的相界區域的上方，從熔體的表面區域的上方，以及選擇性地從熔體的一側到上半部分。此外，可以額外地從下方加熱熔體，以例如減少該三個位置中的至少一個的加熱輸出，同時確保保持總加熱輸出。例如，為了保護石英坩堝並且防止坩堝壁的上部失去其形狀並傾倒到熔體中，減少來自側面的熱量供應可能是有利的。

對熔體的熱量供應，較佳使得在相界區域中在從上方加熱熔體的情況下，加熱輸出以總加熱輸出的比例計係不小於5%且不大於15%，並且在表面區域中從上方加熱熔體的情況下不小於5%且不大於15%。若對熔體額外從下方加熱，則為此消耗的加熱輸出以由側面加熱熔體而消耗的加熱輸出的比例計較佳不大於5%。

從側面的熱量供應必須選擇性地朝向熔體體積的上部。換句話說，在晶體生長過程開始時，並不會發生刻意從熔體體積的下部的側面加熱，並且較佳係直到熔體的初始體積的70%已成為單晶時都不會發生。否則無法產生熔體中所希望的流動條件和所希望的溫度場。因此，該方法包含選擇性地向具有初始高度hm的熔體的上部體積供應熱量，其中高度hm小於熔體的初始高度hM。hm：hM的比例較佳係不大於0.75。藉由升高石英坩堝而對由單晶的結晶所致的熔體的下降進行補償。

此外，對熔體從上方進行的加熱特別是發生在生長中的單晶和熔體之間的相界區以及在熔體表面的區域中，尤其在圍繞生長中的單晶的隔熱罩和石英坩堝壁之間的熔體表面的區域中。二個區域的加熱藉由二個實際上不受彼此影響的加熱工具進行，這是因為隔熱罩阻擋了藉由該二個加熱工具之一對相應其它區域進行的額外加熱。

在生長中的單晶和熔體之間的相界區域中，從上方加熱熔體特別用來控制生長中的單晶和熔體之間的相界處的軸向溫度梯度G。已知抽拉速度V和軸向溫度梯度G的商V／G對內部點缺陷（矽間隙原子和空位）及其附聚物（agglomerates）的形成具有決定性的影響。可以藉由模擬而大致計算軸向溫度梯度G，並且藉由形成生長中的單晶的直接環境（ immediate environment）（熱區）而實質影響軸向溫度梯度G。藉由CZ法以抽拉速度V而抽拉矽的單晶，較佳的抽拉速度V應具有使在生長的單晶矽間隙原子中不會形成附聚物的V／G，以及其存在會促進盡可能低的熱供體的形成的自由空位濃度，其中該自由空位濃度較佳係不大於3×10¹⁴ ／立方公分。因此，特別較佳的是控制商V／G，以使從單晶的中心到邊緣，空位占主要地位，而不會形成可檢測為COP缺陷（晶體原生粒子（crystal originated particles））的附聚物，及／或從單晶的中心到邊緣，矽間隙原子占主導地位，不會形成可檢測為Lpit缺陷（大蝕坑）的附聚物。

在熔體表面的區域中從上方加熱熔體有助於產生將矽單晶中的氧濃度限制到小於2.2×10¹⁷ 原子／立方公分所需的流動條件和熔體的溫度場。

此外，對熔體施加一磁場，較佳係CUSP場，即具有對於石英坩堝的旋轉軸上的軸對稱的場線結構的磁場。該磁場較佳具有700至1300高斯的最大磁通密度。具有最低磁通密度的磁場的平面較佳在熔體表面上方80毫米至160毫米的距離處或者在熔體表面下方120毫米至220毫米的距離處。

為了進一步減少熱供體的形成，本方法較佳包含在500°C至400°C的溫度內以不小於0.15°C／分鐘和不大於0.6°C／分鐘，更佳不大於0.25°C／分鐘的冷卻速率使生長中的矽單晶冷卻。已發現熱供體的濃度隨增加冷卻速率而降低。然而，不應該尋求大於0.6°C／分鐘的冷卻速率，因為這對徑向空位濃度的均勻性是不利的。因此，應考慮冷卻速率通常隨增加抽拉速度而增加的事實。

為了減少在單晶進一步加工為單晶矽半導體晶圓的部分中的比電阻的變化，將熔體用p型摻雜劑進行反摻雜，較佳藉由將包含p型摻雜劑的氣體，例如二硼烷和氬氣的混合物通到熔體的表面。然後將該氣體引入到熔體上方的氣氛中，距離熔體表面較佳5毫米至50毫米處。

為了提高單晶矽的半導體晶圓的產率，有利且較佳的是僅在因為其均勻直徑而適於製備半導體晶圓的單晶部分的至少20%，特別較佳至少30%已經結晶時，開始進行反摻雜。只要反摻雜尚未開始，在單晶中形成差排的情況中，一直到這個時刻所結晶的材料仍可被再熔化，並且再熔化的材料仍可在新的晶體生長嘗試中共同使用，這是因為所得熔體與晶體生長過程開始時原來使用的熔體具有相同的組成。若再熔化的材料已經含有二種類型的摻雜劑，就不再是這個情況。在晶體生長過程開始時，差排形成的相對頻率是最大的，因而，有利的是在反摻雜之前等待盡可能長的時間。

本發明還提供了一種藉由CZ法製備單晶矽半導體晶圓的裝置，其包含： 一用於接收矽熔體的石英坩堝，其中該熔體具有初始高度hM； 一用於使熔體經受磁場的儀器； 一用於遮罩生長中的單晶矽的隔熱罩； 一第一加熱工具，用於從側面加熱具有下邊界的熔體，該下邊界在距離熔體表面hs處，距離hs小於熔體的初始高度hM； 一第二加熱工具，用於在生長中的單晶和熔體之間的相界區域中從上方加熱熔體；以及 一第三加熱工具，用於從上方加熱熔體，其在石英坩堝壁和隔熱罩之間圍繞隔熱罩佈置。 一用於使熔體經受磁場的儀器較佳係一使熔體經受CUSP型磁場的儀器。

熔體的高度hM是指熔體的最大初始高度。若該石英坩堝具有凸起的向下彎曲的底部，則熔體的初始高度hM是指在石英坩堝中間的熔體的初始高度。

用於從側面加熱熔體的第一加熱工具較佳係電阻加熱工具，並且具有下邊界。第一加熱工具的下邊界和熔體表面之間的初始距離hs約等於熔體的上部體積的初始高度hm的長度，並且小於熔體的初始高度hM。比例hs：hM較佳係不大於0.75。

用於從上方加熱熔體的第二個和第三加熱工具較佳包含具有環形加熱元件的電阻加熱工具。在第三加熱工具中，環的橫截面縱橫比（高度與寬度）較佳係不大於0.35，以便能夠向熔體的表面釋放最多的熱。第三加熱工具的環與石英坩堝壁之間的距離以及該環與隔熱罩之間的距離較佳係各自不小10毫米。第三加熱工具較佳係藉由放置在其上的隔熱蓋而與上方絕熱。

較佳地，本發明的裝置的組成部分是朝向熔體表面的玻璃管，其下端在距離熔體表面5毫米至50毫米的距離處。在反摻雜的過程中，使包含p型摻雜劑的氣體通過玻璃管。

本發明的裝置更包含一包圍生長中的單晶的冷卻裝置。

與本發明方法的上述實施態樣相關的特徵可以相應地應用於本發明的裝置。反之，與本發明裝置的上述實施態樣相關的特徵可以相應地應用於本發明的方法。在附圖和申請專利範圍的描述中闡明了本發明實施態樣的這些特徵和其它特徵。這些單獨的特徵可以分別地或組合地作為本發明實施態樣而實現。該特徵更進一步描述用於保護其自身權益的有利實施方式。

下面參考附圖對本發明進行更具體地描述。

根據圖1的裝置包含一容納石英坩堝2的殼體1。該石英坩堝2可以旋轉、升高和降低。矽的熔體3位於石英坩堝2中，且從上方、從側面以及在所示實施例中從下方進行加熱。在殼體1外部的是用於使熔體3經受磁場的裝置9。佈置在石英坩堝2周圍的第一加熱工具4可用於從側面對熔體3進行加熱。用於從在生長中的單晶6和熔體3之間的相界區域中從上方加熱熔體3的第二加熱工具5位於與熔體3的表面7的短距離處，而第三加熱工具8用於在熔體3的表面7區域中從上方而對熔體進行加熱。位於第二個和第三加熱工具之間的是圍繞生長中的單晶6的隔熱罩10，其中該單晶6是由熔體3的表面7向上抽拉。在單晶6的生長期間，隔熱罩10的下端11與熔體3的表面7之間的距離基本保持不變，因為雖然單晶6在生長，但升高了石英坩堝2以使熔體3的表面7不會下降也不會升高。與隔熱罩10同心排列且被其包圍的是冷卻裝置15。位於石英坩堝2的下方的是用於從下方加熱熔體的第四加熱工具12。

如圖2所示，在單晶6的抽拉期間，隔熱罩的下端11之間的距離基本上不會改變。這不適用於第一加熱工具4的下邊界和熔體7的表面之間的距離hs，這是由於單晶6在生長過程中石英坩堝2的升高。

第三加熱工具8的構造可以如圖3所示。該加熱工具基本上包含用作加熱元件的環13和用於將電力供應到環中且將環保持在熔體表面7上的電源14。

在具有根據本發明特徵的裝置中藉由CZ法抽拉矽單晶，並將其加工成直徑為300毫米n型摻雜半導體晶圓。

該半導體晶圓的大部分的氧濃度小於2.2×10¹⁷原子/立方公分(新ASTM)，並且到邊緣區域的氧濃度的徑向分佈都非常均勻。

圖4顯示了該半導體晶圓的間隙氧濃度[O_i]作為徑向位置r的函數的典型分佈，圖5以較高解析度顯示了包含徑向位置130至150毫米的邊緣區域中的相應濃度分佈。

這些半導體晶圓中的熱供體的密度小於3×10¹³/立方公分，並且藉由電阻測量而得知。電阻測量係在743℃歷時10秒的RTA熱處理之前和之後進行。由電阻差計算的摻雜劑濃度對應熱供體的密度。

在某些情況下，對具有均勻直徑的單晶部分的抽拉和反摻雜同時開始進行，並且在某些情況下，僅在其40%的長度已經結晶之後才加入反摻雜物。已經發現，當要求半導體晶圓符合從半導體晶圓的中心至邊緣的氧濃度小於2.2×10¹⁷原子/立方公分且比電阻偏離平均值不超過13%時，後面的反摻雜的產率提高了10%。

應理解以上說明性實施態樣的描述為示例性的。本揭露因此能夠使本領域技藝人士理解本發明及其相關優點，並且理解對本領域技藝人士而言顯而易見的對於所描述的結構和製程的改變和修改。因此，所有這些改變和修改以及等同物將被申請範圍的保護範圍所涵蓋。

1‧‧‧殼體

2‧‧‧石英坩堝

3‧‧‧熔體

4‧‧‧第一加熱工具

5‧‧‧第二加熱工具

6‧‧‧單晶

7‧‧‧熔體的表面

8‧‧‧第三加熱工具

9‧‧‧用於使熔體經受一磁場的儀器

10‧‧‧隔熱罩

11‧‧‧隔熱罩的下端

12‧‧‧第四加熱工具

13‧‧‧環

14‧‧‧電源

15‧‧‧冷卻裝置

hM, hm, hs‧‧‧高度

圖1是具有本發明特徵的用於藉由CZ法製備單晶矽半導體晶圓的裝置在單晶抽拉之前的示意圖。

圖2顯示在單晶抽拉過程時之根據圖1的裝置。

圖3顯示用於在熔體表面的區域中從上方加熱熔體的加熱工具的可能構造。

圖4顯示半導體晶圓的間隙氧濃度[O_i]作為徑向位置r的函數的典型分佈。

圖5以較高解析度顯示包含徑向位置130至150毫米的邊緣區域中的相應濃度分佈。

Claims (16)

1. 一種製備包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶矽半導體晶圓的方法，包含：在石英坩堝中提供一包含n型摻雜劑的矽熔體，其中該熔體具有初始高度hM；藉由將熱選擇性地供應至具有初始高度hm的熔體的上部體積而從側面加熱熔體，其中高度hm小於高度hM；以抽拉速度V藉由CZ法從熔體中抽拉矽單晶；在生長中的單晶與熔體之間的相界區域中從上方加熱熔體；在熔體表面的區域中從上方加熱熔體；使熔體經受一磁場；用p型摻雜劑對熔體進行反摻雜；以及從單晶中分出單晶矽半導體晶圓。
2. 如請求項1所述的方法，更包含用一第一加熱輸出從下方加熱熔體，該第一加熱輸出以從側面對熔體進行加熱的第二加熱輸出的比例計係不大於5%。
3. 如請求項1或2所述的方法，包含用一第三加熱輸出在相界區域中從上方加熱熔體，該第三加熱輸出以總加熱輸出的比例計係不小於5%且不大於15%。
4. 如請求項1或2所述的方法，包含用一第四加熱輸出在熔體表面區域中從上方加熱熔體，該第四加熱輸出以總加熱輸出的比例計係不小於5%且不大於15%。
5. 如請求項1或2所述的方法，其中在反摻雜期間，將一包含p型摻雜劑的氣體引入到距離熔體表面5毫米至50毫米處的熔體上方的氣氛中。
6. 如請求項1或2所述的方法，更包含在開始反摻雜之前，抽拉至少20%的具有均勻直徑的單晶部分。
7. 如請求項1或2所述的方法，包含控制抽拉速度V，使得在生長中的單晶中的矽間隙原子不形成附聚物(agglomerate)且自由空位的濃度不大於3×10¹⁴/立方公分。
8. 如請求項1或2所述的方法，更包含以不小於0315℃/分鐘且不大於0.6℃/分鐘的冷卻速率在500℃至400℃的溫度範圍使生長中的矽單晶冷卻。
9. 如請求項1或2所述的方法，包含使熔體經受一CUSP型磁場。
10. 一種藉由CZ法製備單晶矽半導體晶圓的裝置，包含：一用於接收矽熔體的石英坩堝，其中該熔體具有初始高度hM；一用於使熔體經受磁場的儀器；一用於遮罩生長中的矽單晶的隔熱罩；一第一加熱工具，用於從側面加熱具有下邊界的熔體，該下邊界在距離熔體表面hs處，距離hs小於熔體的初始高度hM；一第二加熱工具，用於在生長中的單晶和熔體之間的相界區域中從上方加熱熔體；以及一第三加熱工具，用於從上方加熱熔體，其在石英坩堝壁和隔熱罩之間圍繞隔熱罩佈置。
11. 如請求項10所述的裝置，其中第三加熱工具包含一橫截面高度與寬度的縱橫比不大於0.35的環。
12. 如請求項10或11所述的裝置，其中該用於使熔體經受磁場的儀器係產生一CUSP型磁場。
13. 如請求項10或11所述的裝置，更包含一佈置於第三加熱工具上方且使第三加熱工具與上方絕熱的蓋。
14. 如請求項10或11所述的裝置，更包含一從下方加熱石英坩堝的第四加熱工具。
15. 如請求項10或11所述的裝置，更包含一包圍生長中的單晶的冷卻裝置。
16. 一種單晶矽半導體晶圓，其包含氧、熱供體和至少一種n型摻雜劑且具有不小於300毫米的直徑，其中氧濃度小於2.2×10¹⁷原子/立方公分且徑向上與平均值的偏差不大於5%，並且熱供體的密度不大於3×10¹³/立方公分。