TWI807353B - 由單晶矽製成的半導體晶圓及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體晶圓及其製造方法。該半導體晶圓由單晶矽製成，其具有根據新ASTM的氧濃度不低於5.0 x 10
17原子／cm
3且不高於6.5 x 10
17原子／cm
3；
根據新ASTM的氮濃度不低於1.0 x 10
13原子／cm
3且不高於1.0 x 10
14原子／cm
3；
該半導體晶圓的正面覆蓋有由矽製成的磊晶層；
在將覆蓋有磊晶層的晶圓在780°C的溫度下進行3小時熱處理，並在600°C的溫度下進行10小時熱處理後，該半導體晶圓包含BMD，其藉由穿透式電子顯微鏡確定BMD的平均尺寸不超過10 nm，以及藉由反應離子蝕刻確定BMD在與磊晶層相鄰的區域中的平均密度不低於1.0 x 10
11cm
-3。
Description
本發明係關於由包含氧和氮的單晶矽製成的半導體晶圓，其中，該半導體晶圓的正面係覆蓋有由矽製成的磊晶層。具有磊晶層沉積的半導體晶圓也被稱作磊晶半導體晶圓。
當根據切克勞斯基法（CZ法）從石英坩堝中所含的熔體提拉用於產生半導體晶圓的單晶時，該坩堝材料形成摻入單晶以及單晶所衍生的半導體晶圓的氧源。可以例如藉由控制氬氣流過提拉裝置的壓力和流量、或藉由在提拉單晶期間調節坩堝和晶種的旋轉、或藉由利用施加到熔體上的磁場、或藉由以上這些措施的組合而十分精確地控制摻入的氧濃度。
氧在形成BMD缺陷（BMD，塊體微缺陷）中起著重要作用。BMD是在熱處理過程中BMD晶種會生長到其中的氧沉澱物。它們充當內部吸雜劑，即充當雜質的能量槽（energy sink），因此從根本上講它們是有利的。一個例外是它們存在於用於容納電子部件的位置。為了避免在這樣的位置處形成BMD，可以在半導體晶圓上沉積磊晶層，並設置為將電子部件容納在磊晶層中。
WO 2019/ 011 638 A1公開了一種磊晶矽晶圓及其製造方法（包括磊晶後熱處理（post-epi thermal treatment））。磊晶矽晶圓包括八面體形狀的BMD，藉由IR斷層成像（IR tomography）確定其平均尺寸為13至35 nm，平均密度不低於3 x 10
8cm
-3且不高於4 x 10
9cm
-3。晶圓的鎳吸雜效率為至少90%。
儘管所公開的晶圓就鎳吸雜效率而言滿足了器件產業的當前規範，但是磊晶後熱處理實質上增加了表面缺陷的數量。
根據US 2006 0 150 894 A1，可以藉由在從經歷了預退火之單晶塊切割的基板晶圓上沉積磊晶層，來製造覆蓋有磊晶層的半導體晶圓。儘管就表面缺陷的數量而言，這種磊晶晶圓表現出了相當好的性能，但是其鎳吸雜效率仍然相對較差。
因此，本發明要解決的問題是提供一種磊晶矽晶圓，其顯示出有效的鎳吸雜效果，以及磊晶層上相對較少的表面缺陷數量。
該問題可藉由由單晶矽製成的半導體晶圓解決，該半導體晶圓係具有根據新ASTM的氧濃度不低於5.0 x 10
17原子／cm
3且不高於6.5 x 10
17原子／cm
3，根據新ASTM的氮濃度不低於1.0 x 10
13原子／cm
3且不高於1.0 x 10
14原子／cm
3，其中，該半導體晶圓的正面係覆蓋有由矽製成的磊晶層，其中，在對覆蓋有磊晶層的晶圓在780°C溫度下進行3小時熱處理並在600°C溫度下進行10小時熱處理之後，該半導體晶圓包括BMD，其藉由透射電子顯微鏡確定BMD的平均尺寸不超過10 nm，以及藉由反應離子蝕刻確定，BMD在與磊晶層相鄰區域中的平均密度不低於1.0 x 10
11cm
-3。
發明人發現，BMD的平均尺寸需要嚴格限制為不超過10 nm，以使表面缺陷的數量保持在相對較低的水準。特別地，磊晶層沉積後存在的表面缺陷數量不應藉由磊晶前熱處理（pre-epitaxial heat treatment）而顯著增加。此外，為了確保較高的鎳吸雜效率，需要存在密度較高的BMD。為了能夠獲得足夠的活性，作為內部吸雜劑，BMD的密度必須不低於1.0 x 10
11cm
-3。根據實施例，該鎳吸雜效率為至少95%。鎳吸雜效率定義為：鎳(Ni)的總有意污染量減去兩個晶圓表面區域上的Ni量與Ni的總有意污染量的比。
根據一個實施態樣，該半導體晶圓係具有根據新ASTM的間隙氧濃度不低於5.0 x 1017原子/cm3且不高於6.5 x 1017原子/cm3。
根據一個實施態樣，該半導體晶圓係具有根據新ASTM的氮濃度不低於1.0 x 1013原子/cm3且不高於1.0 x 1014原子/cm3。藉由使用FTIR光譜儀確定在波長為1107cm-1的間隙氧濃度的紅外線吸收。該方法係根據SEMI MF1188執行。該方法已根據國際可追溯標準進行了校準。
藉由使用FTIR光譜儀測定紅外線吸收在波長為240cm-1、250cm-1和267cm-1的氮濃度。測量前，將被測材料加熱至600℃，持續6小時。在測量期間將樣品冷卻至10 K。藉由具有已知氮濃度的標準品校正該方法。
與SIMS的相關性如下：氮濃度FTIR(原子/cm3)=0.6 *氮濃度SIMS(原子/cm3)。
從半導體晶圓的中心到邊緣來確定BMD的尺寸和密度，並分別藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)和反應離子蝕刻(RIE)來進行評估。例如在JP2007 123 543 A2中，公開的RIE原理。
BMD的平均尺寸定義為平均對角線尺寸。
表面缺陷可以檢測為LLS(局部光散射缺陷)。基於光散射操作的檢測工具是可商購的。
根據一實施態樣，BMD的平均密度在與磊晶層相鄰的區域中沿深度方向逐漸降低。
根據一實施態樣，在與磊晶層和半導體晶圓正面之間的界面間隔不小於2μm且不大於7μm、以及深度至少為35μm的半導體晶圓的區域中存在差排環。
本發明還關於一種用於製造半導體晶圓的方法，該半導體晶圓由單晶矽製成的，該方法包括：在包含氫氣的氣氛中根據CZ法從含氮的熔體中提拉單晶，該氣氛中氫氣的分壓不小於5Pa且不大於30Pa，使得在具有均勻直徑的單晶截面中，氧濃度不低於5.0 x 1017原子/cm3且不高於6.5 x 1017原子/cm3，氮濃度不低於1.0 x 1013原子/cm3且不高於1.0 x 1014原子/cm3；控制提拉速度V，使得具有均勻直徑截面的單晶在Pv區域中生長；從具有均勻直徑的單晶截面分離半導體晶圓；將半導體晶圓從不低於600℃的溫度以不低於0.5℃/min且不高於2℃/min的速率熱處理到不高於900℃的目標溫度；將半導體晶圓從該目標溫度以不低於0.5℃/min且不高於2℃/min的速率冷卻至不高於600℃的溫度；以及在經熱處理的半導體晶圓的正面上沉積矽磊晶層，以形成磊晶半導體晶圓。
Pv區域是空位占主導地位、但由於在單晶結晶期間不會在其中形成晶體原生顆粒(COP)和氧化誘發堆疊錯誤(OSF)而分類為無缺陷的區域。藉由控制V/G、提拉速度V以及單晶與熔體間界面處的溫度梯度G，在Pv區域中生長單晶。
根據本發明的方法包括在沉積磊晶層之前，將半導體晶圓從600°C熱處理至不高於900℃，較佳為600℃至850℃的目標溫度。較佳地，該熱處理步驟在氮氣或氬氣或二者混合物的環境中進行。半導體晶圓從600℃加熱至目標溫度的速率不低於0.5℃/min且不高於2℃/min，較佳為1℃/min。半導體晶圓從目標溫度冷卻至600℃的速率不低於0.5℃/min且不高於2℃/min，較佳為1℃/min。較佳地，在半導體晶圓達到目標溫度後立即進行冷卻。或者，可將半導體晶圓保持在目標溫度持續不超過180分鐘。為了防止BMD尺寸變大導致表面缺陷，目標溫度應不高於900°C，並且升溫速率應不低於0.5 °C／min且不高於2 °C／min。
根據一實施態樣，透過控制在具有均勻直徑的單晶截面中氧的摻入，使得氧濃度不低於5.0 x 10
17原子／cm
3且不高於6.5 x 10
17原子／cm
3。
根據一實施態樣，透過控制在具有均勻直徑的單晶截面中氮的摻入，使得氮濃度不低於1.0 x 10
13原子／cm
3且不高於1.0 x 10
14原子／cm
3。根據一實施態樣，在包含氫氣的氣氛中提拉分離出半導體晶圓的矽單晶，其中，氫氣的分壓係不低於5 Pa且不高於30 Pa。
在提拉單晶期間，比率V/G必須保持在較窄的範圍內，在該範圍內，單晶在Pv區域中結晶時具有適當過量的空位。這是藉由控制提拉速度V來控制比率V/G而完成的。具體地，選擇提拉速度V使得具有均勻直徑截面的單晶在Pv區域中生長。
較佳在具有均勻直徑的整個單晶截面中以所述方式來控制提拉速度V，使得從該截面切下的全部半導體晶圓都在Pv區域中生長。該截面內單晶的直徑和所得半導體晶圓的直徑較佳為不小於200 mm，更佳為不小於300 mm。
隨後對從具有均勻直徑的單晶截面切下之半導體晶圓的上側表面和下側表面以及邊緣進行一個或多個機械處理步驟以及至少一個拋光步驟。
在對半導體晶圓進行如上所述的熱處理後，將磊晶層以本身已知的方式沉積在半導體晶圓已拋光的上側表面（正表面）上。
該磊晶層較佳係由單晶矽構成，且較佳厚度為2 µm至7 µm。
磊晶層沉積期間的溫度較佳為1100°C至1150°C。
磊晶沉積後，由於向外擴散，所以該半導體晶圓不含任何可測量濃度的氫。
半導體晶圓和磊晶層摻雜有電活性摻雜劑（例如硼），較佳係類似於pp摻雜之磊晶半導體晶圓的摻雜。
在另一實施態樣中，該晶圓是nn摻雜的磊晶晶圓。
磊晶半導體晶圓在與磊晶層相鄰的區域中形成BMD，BMD的平均尺寸不大於10 nm，並且BMD的密度不小於1.0 x 10
11cm
-3，前提是該磊晶晶圓已經在780°C的溫度下進行了3小時的熱處理，並且隨後在600°C的溫度下進行了10小時的熱處理。熱處理類比了用於製造電子裝置的低熱預算工藝步驟。TEM用於確定BMD的平均尺寸，RIE用於確定BMD的密度。
本發明的磊晶半導體晶圓適用於客戶的低熱預算裝置週期。
實施例
利用水平磁場，以高於0.45 mm／min的提拉速率提拉300 mm單晶矽晶錠，使得具有均勻直徑的晶錠截面在Pv區域內生長。向熔體中添加氮，並在包含氫氣（分壓為10 Pa）的氣氛中提拉晶體。正確設計熱區可確保徑向v/G足夠小，從而獲得無附聚空位缺陷的矽晶圓。
藉由RT–FTIR測量的晶錠氮濃度為1.2 cm
-3至9 x 10
13cm
-3。藉由RT–FTIR測量的間隙氧濃度為5.8 x 10
17cm
-3至6.0 x 10
17cm
-3。
將晶錠切成段，單個為300 mm的矽晶圓，之後再進行研磨、清理、雙側拋光以及鏡面拋光。
測試晶圓用於熱處理和磊晶沉積。在每個測試晶圓上，進行典型磊晶層厚度為2.8 μm的磊晶沉積步驟，並對所得的半導體晶圓進行最終清潔。
進行兩種不同類型的磊晶前熱處理：
實施例 1：
從600°C開始，以+1 °C／min的速率升溫至850°C的目標溫度，之後無須保持，立即以1 °C／min的速率降溫至600°C。
實施例 2：
從600°C開始，以1 °C／min的速率升溫至893°C的目標溫度，之後無須保持，立即以1 °C／min的速率降溫至600°C。
比較例：
從600°C開始，以10 °C／min的速率升溫至700°C的溫度，之後以1 °C／min的速率升溫至1000°C，之後無須保持，立即以10 °C／min的速率降溫至700°C。
在使磊晶半導體晶圓在780°C的溫度下進行3小時熱處理，並在600°C的溫度下進行10小時熱處理之後，藉由RIE確定平均BMD密度。
藉由TEM測定，BMD的平均尺寸係不超過20 nm。
僅藉由示例的方式給出了以上較佳實施態樣的描述。根據所示揭露內容，本領域技藝人士將不僅理解本發明及其附帶的優點，而且還將發現對所揭露之結構和方法的各種明顯改變和修改。因此，本申請人尋求涵蓋如後附申請專利範圍及其等效物所定義的屬於本發明的精神和範圍內的所有此類變更和修改。
圖1係顯示根據實施例1和實施例2的一個磊晶前熱處理的溫度變化速率。
圖2係顯示如藉由熱處理目標溫度所示之實施例1和實施例2的平均BMD密度。在使磊晶半導體晶圓在780°C的溫度下進行3小時熱處理，並在600°C的溫度下進行10小時熱處理之後，藉由RIE確定平均BMD密度。
藉由TEM測定，BMD的平均尺寸不超過10 nm。
圖3係顯示實施例1和實施例2的鎳吸雜效率（GE）。
吸雜測試包括用鎳對晶圓進行可再現的旋塗污染，然後在氬氣下於600°C進行10小時金屬驅入，最終冷卻速率為3°C／min。然後，藉由使用氫氟酸和硝酸的混合物逐步蝕刻，隨後藉由感應耦合電漿質譜儀（ICPMS）對各個蝕刻溶液進行分析，來評估晶圓表面上和晶圓表面附近的金屬輪廓。
圖4係顯示對根據實施例1在磊晶沉積前進行了熱處理的50個測試磊晶半導體晶圓進行LLS測量的結果。關於LLS的尺寸大於50 nm的結果類似於圖5中所示結果。
圖5係顯示對在磊晶沉積前未進行熱處理的50個測試磊晶半導體晶圓進行LLS測量的結果。對於LLS測量，在斜入射模式下使用KLA Tencor Technologies Corporation製造的SP3檢測工具。
圖6係顯示BMD在深度方向上至約150 µm的深度d的分佈（正方形：實施例1；菱形：實施例2）。
圖7係顯示實施例1在深度方向上根據蝕刻尺寸（任意單位，a.u.）存在的差排環。差排環的存在對吸雜效率至關重要。在磊晶層與半導體晶圓間的界面附近存在無差排環區是防止磊晶層中出現缺陷的關鍵。
圖8係顯示根據比較例之磊晶前熱處理的溫度變化速率。
圖9係顯示根據比較例生產之磊晶半導體晶圓上LLS位置的圖。本發明人係假設，LLS數量增加與BMD平均尺寸的增加有關。
Claims (7)
- 一種由單晶矽製成的半導體晶圓，其具有根據新ASTM的氧濃度不低於5.0 x 1017原子/cm3且不高於6.5 x 1017原子/cm3，根據新ASTM的氮濃度不低於1 x 1013原子/cm3且不高於1.0 x 1014原子/cm3，其中，所述半導體晶圓的正面覆蓋有由矽製成的磊晶層，其中，在將覆蓋有所述磊晶層的所述晶圓在780℃的溫度下進行3小時熱處理，並在600℃的溫度下進行10小時熱處理後，所述半導體晶圓包含BMD，其藉由穿透式電子顯微鏡確定所述BMD的平均對角線尺寸不超過10nm，以及藉由反應離子蝕刻確定，在與所述磊晶層相鄰的區域中的所述BMD的平均密度係不低於1.0 x 1011cm-3。
- 如請求項1所述的晶圓，其中，所述半導體晶圓的鎳吸雜效率為至少95%，該鎳吸雜效率定義為：鎳(Ni)的總有意污染量減去兩個晶圓表面區域上的Ni量與Ni的總有意污染量的比。
- 如請求項1及2中任一項所述的晶圓，其中，所述BMD的平均密度在與所述磊晶層相鄰的區域中沿深度方向降低。
- 如請求項1及2中任一項所述的晶圓，其中，在與所述磊晶層和所述半導體晶圓正面之間的界面間隔不小於2μm且不大於7μm且深度為至少35μm的所述半導體晶圓的區域中存在差排環。
- 如請求項1及2中任一項所述的晶圓，其中，所述氧濃度不低於5.7 x 1017原子/cm3且不高於6.2 x 1017原子/cm3。
- 一種用於製造由單晶矽製成的半導體晶圓的方法，所述方法包括：在包含氫氣的氣氛中，根據CZ法從含氮的熔體中提拉單晶，所述氣氛中氫氣的分壓不低於5Pa且不高於30Pa，使得在具有均勻直徑的單晶 的截面中，氧濃度不低於5.0 x 1017原子/cm3且不高於6.5 x 1017原子/cm3，氮濃度不低於1.0 x 1013原子/cm3且不高於1.0 x 1014原子/cm3；控制提拉速度V，使得具有均勻直徑的截面中的單晶在Pv區域中生長；從具有均勻直徑的單晶截面分離所述半導體晶圓；將所述半導體晶圓從600℃的溫度以不低於0.5℃/min且不高於2℃/min的速率熱處理至至少850℃但不高於900℃的目標溫度；將所述半導體晶圓從所述目標溫度以不低於0.5℃/min且不高於2℃/min的速率冷卻至600℃的溫度；以及在經熱處理後的半導體晶圓的正面上沉積矽磊晶層，以形成磊晶半導體晶圓。
- 如請求項6所述的方法，包括將半導體晶圓保持在所述目標溫度持續不超過180分鐘。
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