TWI360591B - Verfahren zur herstellung von p¯ -dotierten und ep - Google Patents

Description

1360591 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明係關於一種自矽製造經外延塗覆之半導體晶圓（即外延 層晶圓）的方法。具體而言，本發明係關於一種由矽製成之經P_ 摻雜及經外延塗覆之半導體晶圓的製造，其特徵在於高的吸氣能 力（getter capacity)及低的層缺陷數量，因此極適合於進一步加 工以形成大尺寸積體電子元件。 • 【先前技術】 不同於重度硼摻雜、P+摻雜的半導體晶圓，所期望之使金屬雜 質遠離電活性區域的能力在經輕度硼摻雜、p_摻雜之半導體晶圓的 情況下是不足的。它們通常形成不足量的氧析出物（BMDs，「塊 體微缺陷」），該析出物能與雜質結合並依此方式作為已知的内在 吸收劑（intrinsic getters )。在由石夕製成之經輕度棚換雜之半導體 晶圓的情況中，氧析出物的成核中心會在外延塗覆期間被破壞， 其破壞程度使所得之經p_摻雜的外延層晶圓不再具有足夠的吸氣 ® 能力，假設該足夠的吸氣能力（getter capacity )係超過至少5 X 108 /立方公分之氡析出物的密度。 已知若額外以氮及/或碳摻雜半導體晶圓，可提高氧析出物成核 中心的形成且最終亦提高其吸氣能力。所摻入之氮的作用是增加 成核中心在較高溫度的穩定性，該較高溫度包括在外延塗覆時所 採用的溫度。但另一方面，氮亦在半導體晶圓之一已知為OSF環 的區域内促進氧化作用所誘發之堆疊層錯（oxidation-induced stacking faults，OSFs)的形成；因此，增多的層缺陷亦在外延沉 丄湖591 積層表面上之該區域内產生，此將對電子元件的功能有嚴重不良 办響，故應盡可能加以避免。該類型之層缺陷（LPDs，光點缺陷） ，可藉由利用雷射散射之光學方法而得見。 在EPl 143 045 A1中建議將氮濃度限制在2χ "η /立方公分 1 1〇 /立方公分的低範圍内，並且僅在由石夕製成之半導體 圓上進行外延塗覆，以考慮點缺陷而言，其在整個晶圓表面上 具有一包括或不包括0SF環的富空孔區域（v區域）。該方法的缺 # 點是由於所需之邊界條件，在單晶拉伸期間必須提高在監控及時 間方面的費用。舉例言之，必須保持在1000至900t:範圍内的低 冷部速率以改變⑽核的形態。低冷卻速率通常要求必須以低的 =速率拉伸單晶’故為不經濟的拉伸速率。另—特別的缺點是， 氮/辰度中與離析（segregatlon)相關的上升係與為限制氮濃度所做 之努力相違背。氮漠度係隨著單晶長度的增長而大幅升高，因此 可迅速地超出祕制㈣。若仍保持—低氧濃度，或許仍可避免 層缺陷；然而’為達此目的同樣需要提高在監控方面的費用，從 »而可能造成因存在的氧過少而無法形成㈣數量的氧沉積成核中 心的問題。 因此’本發明之目的在於提供一受明顯較少限制之方法。 【發明内容】 本發明係關於—種自石夕製造經ρ·摻雜及經外延塗覆之半導體晶 圓的方法，其中以柴氏（Cz〇chralski)法拉伸一石夕單晶且在該 _期門以爛、氫及敗進行掺雜，並加工以形成一經外延塗覆 之經P-摻雜的半導體晶圓。 6 1360591 、式tie之外延層晶圓由於其吸氣能力及低層缺陷密度而 特·別適合於進-步加工以形成A尺寸積體電子元件。 ，案發月人已u ’氫明顯減弱了氮在促進氧化誘發堆疊層錯 形成上的作用。其結果是存在明顯更多的間隙以藉由掺雜氣來刺 激一定數量的氧析出物成核中心，而不會同時在基材晶圓内產生 〇SF及因此紐之外延層晶圓上之層缺陷的增加。根據本發明製 造的外延層晶圓具有足夠數量的氧析出物成核中心，但幾乎不具 有任何的層缺陷。藉由使用V/G ^律，較㈣製造—單晶，該單 晶係提供-不具有任何石夕晶格間隙之團聚物的半導體晶圓。根據 定律，在拉伸單晶期間適#控制拉伸速率v與結晶邊界處之轴 向溫度梯度G的比例，此足以控制半導體晶圓上之點缺陷及其團 t物的徑向分佈。 由石夕製成之經p-_的半導體晶圓及以此藉由外延塗覆所料 的外延層晶圓均不需要纟1()啊或更高溫度下進行—特殊二處 晃，在此期間成核中心可以生長而形成具有吸氣能力的氧析出 物。該過程通常在製造元件期間發生，特別是即使在製造最新一 代元件時，僅設計-低於1(Km：之較低溫度下的短時熱處理。

根據本發明’自⑦製成之經p-_的半導體晶圓，係以柴氏法 拉伸-石夕單晶，且在該拉伸期間’以爛、氫及氮進行摻雜：製造 的。雖,然同相氫聽進行摻雜之方法基本上U知的（例如EP ⑽州則所述），但其是不同的内容，無法由此推導出本發 明。由於錢以相對高之濃度存切中將趨向於在其中形成微 泡，所以應注意不能達_成微泡所需之濃度。此確實可藉由在 7 1360591 氫分屢低於3毫巴的悟π π & #„ / ”早晶㈣現1於氫之抑制層缺 /古，’，讀係在拉伸單晶期間保持氫分壓在0.2毫巴至 2.5毫巴的範圍内。 $ ㈣言’應將I x 1G,5 /立方公分作為錢度的上限。 右^ 標準，即使藉由額外摻雜氫也無法避免所製之外 延層日日圓在OSF環的區域^且# 曰 圍係大於！ X i的層缺陷。較佳的氮濃度範 濃度低至該範圍之外，則二：]X1°I5/立方公分。若氮 則形成不足的氧析出物成核中心，特別是 ί = 的情況T°相反地，若待塗覆之半導體 曰夕曰過高，料使在低氮妓㈣況下，也會形成過 '日、陷因此’較佳係同時考慮氧濃度，此係藉由在拉伸單 曰曰期間，控制氧濃度的減少而對於由離析引發之氮濃度增長作出 反應。若氮濃度由於離析而上升至i χ 1〇15 /立方公分則單晶 中的氧濃度應不超過6 χ 1〇17/立方公分，較佳不超過$ $ "〇17 /立方公分°因為㈣體量的減少而使得藉由掛堝壁進入炼融體 =減少’因此通常單晶在根據柴氏法拉伸時，其所接收的氧隨 7長度的增長而減少。此外’有許多不同的選擇可用以以經控 j的方式來減少氧濃度，且可視需要相互組合使用。例如，若提 阿磁=強度則單晶内的氧濃度下降，從而使熔融體内的對流減 ^。若降低_的轉速、減少拉伸裝置内的氣壓或提高通過拉伸 、置並在坩堝上方經過之氣體的流速，亦可實現相似的效果。 將根據柴氏法製造並_、氫及氮摻雜的單晶㈣成晶圓。這-較佳是借助於鋼_來進行，因以此方式可在單—操作中製造大 8 1360591 量的半導體晶圓。這些直徑較佳為200毫米或3〇〇毫米的矽半導 體晶圓係含有濃度範圍為丨x 10i7 /立方公分至丨χ ι〇π /立方

公分㈣，此對餘ρ-型換雜。隨後，對該等晶圓進行標準加工 步驟’其目的在於去除機械損傷並形成平坦且平行的側面及光滑 的邊緣。該些加X步驟包括藉由研磨及/或抛光晶圓側面而進行之 機械加工、以蝕刻劑進行之處理、於兩個側面的至少一者進行拋 光、及圓化並拋光邊緣。在經拋光的側面上，外延沉積—石夕薄層。 外延薄層的厚度較佳為丨至5微米。該外㈣層含有ρ型換_， 較佳為删，此意味著還可關於一經ρ/ρ-摻雜的外延層晶圓1的 》辰度範圍較佳為2 X 1〇16 /立方公分至丨χ 1〇15 /立方公分。 外延層晶圓可以在外延層下方對應於塗覆前之半導體晶圓體積 的塊體内形成大量的氧析出物’這使其具有足夠的吸氣能力。所 形成之聽的濃度至少為5χ1〇立方公分較佳為1〇9至1〇1〇 /立方公分。針對大於0.09微米的缺陷’在—名義直徑為毫 米之外延層晶圓的面積中，層缺陷的數量較佳係少於4〇。 下面參考附圖及實施例進一步闡述本發明。 【實施方式】 以柴氏法製造直徑為扇毫米之經g雜的石夕單晶，並進—牛 加工以形成經Ρ-摻雜的半導體晶圓。為達比較之目的 二 導體晶圓僅額外以氮捧雜，而另-部分半導體晶圓則以根據2 明之方式額外地以氮及濃度約為i χ 1()16 /立衫 外延塗覆該好導體晶圓，從而獲得經咖掺雜的外延=圓雜。 9 1360591 第1至12圖所示為對痤p-摻雜之半導體晶圓的缺陷測量所得到 的結果（第1至4圖），以及對經p/γ摻雜之外延層晶圓的缺陷測 量所得到的結果（第5至12圖）。在i〇〇〇°c下熱處理16小時以形 成氧析出物之後’以Mitsui Mining and Smelting製造的MO-4型 雷射散射測量裝置測量BMD密度；在存在水蒸汽的情況下，於 ii〇o°c下氧化1小時之後，利用光學顯微鏡測量0SF密度，利用 KLATencor製造的SP1型顆粒計數器測量層缺陷密度。根據 φ ASTM標準F121-83,該些半導體晶圓具有相同的氧濃度7 2χ 1〇n /立方公分。 由圖式的比較顯示出，在限制於額外以氮摻雜時（第i2、$、 6、9及10圖）’雖然可藉由將氮濃度由i 3 χ 1〇,5 /立方公分（第 2、6及10圖）降低至h2 χ 1〇丨4，立方公分（第i、5及9圖） 而顯著減少層缺陷密度，但在形成有〇SF環的邊緣區域内無法達 到此減少效果。若氮濃度為！ 3 x 1〇15 /立方公分，則區域 在整個晶圓表面上延伸（第2圖），雖然能滿足BMD密度的要求 •(第6圖）’但無法滿足層缺陷密度的要求。 層缺陷係大量存在於外延層晶圓的整個表面上（第1〇圖）。將 氮濃度降低至1.2 X ΙΟ" /立方公分的作用是使得〇SF區域僅存 在於半導體晶圓的邊緣區域内（第⑽），雖然該外延層晶圓仍滿 足BMD密度的要求（第5圖），但不再滿足層缺陷密度的要求。 —具有大量，_且對應於半導體晶圓之⑽區域的區域係存在 於邊緣區域内（第9圖）。 然如本發明前文所述，僅#額外以氫摻雜絲氮濃度下降至12 1360591 • · 10 /立方公分（第3、7及11圖），方能在外延層晶圓之整個 表面上減少層缺陷。由第4、8及12圖可以看出，在13 X 1〇i5 / - 立方公分的過高氮濃度的情況下，即使額外以氫摻雜也不再具有 • 所期望的作用。若氮濃度為1 ·3 X 1〇15 /立方公分，則〇sF區域 仍舊延伸在整個晶圓表面上（第4圖）。雖然同樣的滿足BMD密 度的要求（第8圖），但無法滿足層缺陷密度的要求。大量的層缺 陷係存在於外延層晶圓的整個表面上（第12圖）。若以氫摻雜並 φ 合降低氮濃度至1.2 x 1 〇14 /立方公分，可不再形成OSF區域 (第3圖）’因此在第3圖内僅顯示30 /立方公分的〇SF密度的 偵測極限，外延層晶圓亦滿足BMD密度的要求（第7圖），且此 時亦滿足層缺陷密度的要求。且在外延層晶圓上僅發現少量的層 缺陷（約28個大於〇·〇9微米的缺陷）（第u圖）。 第13圖顯示出，對於不同的氧濃度及氮濃度，如何額外以氫摻 雜平移氮極限濃度。超過該氮極限濃度將導致〇31?環的形成，因 而導致層缺陷的增加。藉由在給定的氧濃度下以氫摻雜，氮濃度 # ▼以提高幾乎-個數量級，此有利於形成穩定的成核中心。下邊 界線是由小符號表示之資料點的最適合線（best fit Hne)，其顯示 未額外以氫摻雜的氮極限濃度。上邊界線是由較大符號表示之資 料點的最適合線，其顯示若額外以氫換雜時，所形成之〇sf環的 作用。14些邊界線將位於其下方且未形成〇SF環（因此未生成外 延層缺陷）的區域，與位於其上方且形率〇SF環（因此已生成外 延層缺陷）的區域劃分開。 本發明之改進係如第13圖所示，其顯示參數氧及氮的濃度範

Claims (1)

1360591 100年8月申請專利範圍替換本

十、申請專利範圍： 1. 一種自矽製造經P_摻雜及經外延塗覆之半導體晶圓之方法， 其包含： 在0.2毫巴至2.5毫巴的氫分壓下，以柴氏（Czochralski) 法拉伸一矽單晶； 在拉伸期間，以硼、氫及氮摻雜該矽單晶； 控制氮濃度（CN)於一大於lx 1014 /立方公分且小於 1 X 1015 /立方公分之範圍中，並依照一氧濃度（C〇)控制該矽單 晶内之氮濃度使得該氮濃度於一上邊界濃度及一下邊界濃度之 範圍中，其中該上邊界濃度係由下式計算： CN = 2715 X 1014x exp(-0.91 X 10_17x C〇);以及 該下邊界濃度係由下式計算： CN = 235 X 10,4x exp(-0.91 x 10'17x C〇) 5 其中C〇及CN的單位為1/立方公分； 加工該矽單晶以形成一經p—摻雜之半導體晶圓；以及 外延塗覆該半導體晶圓。 2. 如請求項1之方法，其包含以一控制方法在拉伸該單晶期間 減少該單晶内之氧含量。 3. 如請求項1或2之方法，其包含製造一經ρ/ρΊ#雜之外延晶 圓0 13