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TWI527121B - Method for manufacturing single crystal silicon wafers - Google Patents

Method for manufacturing single crystal silicon wafers Download PDF

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TWI527121B
TWI527121B TW102101161A TW102101161A TWI527121B TW I527121 B TWI527121 B TW I527121B TW 102101161 A TW102101161 A TW 102101161A TW 102101161 A TW102101161 A TW 102101161A TW I527121 B TWI527121 B TW I527121B
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germanium wafer
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岡鐵也
江原幸治
Original Assignee
信越半導體股份有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/83—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group IV materials, e.g. B-doped Si or undoped Ge

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Description

單晶矽晶圓的製造方法
本發明關於一種單晶矽晶圓的製造方法及電子裝置，該單晶矽晶圓的製造方法適合於製作攝像元件用裝置或記憶裝置，該電子裝置是使用該單晶矽晶圓的製造方法製造而成。
半導體裝置所使用之單晶矽晶圓，通常是由利用切克勞斯基法(Czochralski Method)(以下稱作[CZ法])所培育之單晶矽晶棒切割出來，並經過研磨等步驟製造而成。對該單晶矽晶圓要求以下項目：形成表層的無缺陷層(Denuded Zone：以下稱作[DZ層])；控制會影響機械強度之固溶氧濃度；及，控制形成於晶圓內部之氧析出物(內層微缺陷(Bulk Micro Defect)：以下稱作[BMD])，以自晶圓表層部去除於裝置(device)步驟中所引入之金屬污染元素(稱作吸雜(去疵，gettering))。
於通常的單晶矽晶圓中，存在內生(grown-in)缺陷，亦即在利用CZ法培育單晶矽之階段中，結晶中所產生之結晶起因之微粒(Crystal Originated Particle，COP)或氧化衍生堆疊錯誤(Oxidation Induced Stacking Fault，OSF)核(成為 OSF的產生原因之微小缺陷)。因此，作為使晶圓表層的內生缺陷消失，以形成高品質的DZ層之方法，提出一種於Ar氣氛中經高溫退火處理之添加氮(N)之晶圓(例如專利文獻1)。又，亦提出一種單晶矽(以下稱作完整結晶(perfect crystal))的培育方法，該方法係控制CZ法的培育條件，且不存在稱作COP或OSF核這樣的內生缺陷(例如專利文獻2)。
此外，存在一種於單晶矽晶圓上進行磊晶生長(epitaxial growth)，並使用磊晶層作為DZ層之方法。
內層微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)的控制於所有裝置中均較為重要，於固體攝像元件中尤其重要。其理由在於，作為光電轉換元件之固體攝像元件，係因應照射於攝像面上之光的強度來產生電荷，並將光轉換為電訊號。因此，期望遮光時亦即完全未照射光之攝像面的電荷量為「零」。電荷量係計測為電流，期望遮光時的電流亦即暗電流儘量較小。然而，若在要形成於晶圓表層上之光二極體區域中存在金屬污染或內生缺陷，則於半導體的禁帶中形成較深的位準。結果導致於未照射光之狀態下，亦經由缺陷而產生電荷。此係作為產生電流和再結合電流而周知，且將導致暗電流特性惡化亦即降低固體攝像元件的電氣特性。
然而，即便於固體攝像元件製作步驟中被導入金屬污染，若在比裝置形成區域更深的位置處形成有BMD，則由於BMD自晶圓表層部去除金屬污染元素(吸雜)，因此可防止電特性之惡化。
期望BMD的總體積(與密度×每1個BMD尺寸成比例) 較大，而且，期望於儘量靠近裝置形成區域處形成BMD(近接吸雜)，以便吸雜。其理由在於，為了將金屬等污染元素吸雜，於熱處理中，污染元素需擴散至作為吸雜位置(getter site)之BMD的位置處，但伴隨近年來的裝置製造步驟之低溫化、短時間化，污染元素的擴散距離存在減短之傾向。
另一方面，若BMD尺寸過大，則BMD本身將變成錯位(差排)產生源，並且亦會在裝置製作步驟的熱處理中產生晶圓變形，導致於光微影(photolitho)步驟中裝置圖案的對準精度降低，因而導致成品率降低之不良影響，因此需將尺寸抑制在特定大小以下。如此一來，BMD的密度及尺寸需控制在某一固定的範圍內。於記憶裝置(memory device)中亦同樣如此。
於固體攝像元件所使用之單晶矽晶圓中，可應用內質去疵法(Intrinsic Gettering：以下稱作「IG法」)，該方法係於磊晶生長等之前施行氧析出熱處理，並於內層(bulk)中形成BMD。但是，IG法由於需要高溫、長時間的熱處理，因此於成本方面、或熱處理中易產生金屬污染、或是由於熱處理而產生滑移(slip)。因此，近年來，多採用以下晶圓：從在利用CZ法培育單晶矽之階段摻雜有碳(C)之結晶切割出來之晶圓上，形成磊晶層而成之晶圓。該晶圓雖然於出貨階段並未形成BMD，但由於晶圓中存在碳，因此存在以下特徵：於400~800℃這樣的相對低溫下亦容易析出氧，且於固體攝像元件製作步驟的熱處理中亦容易形成BMD。
另一方面，當為記憶裝置時，係廣泛採用由完整 結晶切割製作而成之單晶矽晶圓。又，作為元件分離，係採用稱作淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)之結構，該結構係於形成極淺溝之後，以氧化膜掩埋溝內部。但是，存在以下問題點：於利用退火來焙燒掩埋於內部之氧化膜之步驟中，氧化膜的體積產生變化，因而於STI周邊產生較大的應力，結果導致易自STI的角落部分產生錯位。為了緩和該應力或阻止(pinning)錯位，於靠近STI底部之位置處，高密度且陡峭的曲線的BMD係較為有效(專利文獻3)。
[先行技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2002-353225號公報
專利文獻2：日本特開平08-330316號公報
專利文獻3：US2001/0055689
專利文獻4：日本特開平11-116390號公報
專利文獻5：日本專利第3763629號
專利文獻6：日本特開2010-40587號公報
專利文獻7：日本特開2009-170656號公報
專利文獻8：日本特開2001-203210號公報
專利文獻9：日本特開2003-297839號公報
專利文獻10：WO2010/119614
近年來，固體攝像元件之微小化、高靈敏度化、低快門 電壓化不斷進展，磊晶層的厚度存在變薄之傾向，磊晶層的厚度甚至可能為5μm以下。伴隨此種磊晶層之薄膜化，出現如下所述之新問題點。
磊晶層形成用之單晶矽晶圓，係由利用CZ法培育之單晶矽切割製作而成，利用CZ法的提拉爐所提拉之單晶矽，係與矽融液表面的溫度變動相關，且氧、碳、摻雜劑元素(例如磷(P))的濃度於晶圓面內係具有同心圓狀的濃淡。該濃度的濃淡係稱作條紋(striation)。
其中，形成析出物、以及擴散常數較大的氧的條紋尤其成為問題。若存在氧的條紋，則由於BMD形成熱處理中所形成之BMD係將氧條紋作為樣板而形成，因此於晶圓中出現BMD的濃淡。所形成之BMD係作為自表層移除金屬污染之吸雜源而有效，但另一方面，由於形成缺陷位準，因此造成增加作為暗電流之擴散電流之不良影響。當磊晶層較厚時，由於BMD與裝置形成區域的距離較大，因此擴散電流並非問題，但若磊晶層變薄，該影響則無法忽視，作為問題而顯著化。若將磊晶層的厚度增厚1μm左右，該問題則大幅改善，自該觀點來看，被認為對固體攝像元件的特性造成不良影響之BMD，係產生於最靠近裝置形成區域之位置處亦即DZ層正下方。
另一方面，於裝置製造步驟的熱處理中，晶圓的內層氧擴散至DZ層或磊晶層，並於磊晶層內或DZ層內形成微小的氧析出物或氧施體(oxygen donor)。該等均以將氧條紋作為樣板之濃淡而出現，且若磊晶層變薄，則由於擴散至作 為裝置形成區域之磊晶層的表層之氧量增加，因此其影響變大。其結果為，若磊晶層變薄，則該等影響顯著化，於固體攝像元件中，出現將條紋作為樣板之條紋狀圖像雜訊，導致品質顯著惡化。又，於記憶裝置中，亦造成洩漏電流增加或使金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)晶體管的閾值電壓變化等不良影響。自該等情況來考量，期望於裝置形成層並不存在微小的BMD或氧施體，而且期望濃度的濃淡亦較小。
亦即，期望氧自晶圓的內層向磊晶層或DZ層之擴散儘量較小。或者期望晶圓的氧條紋較小。
作為改善氧的條紋之方法，提出以下改善方法：改善CZ法的裝置的爐內的加熱器結構，減少矽融液表面的溫度變動(專利文獻4)。然而，由於在該方法中，亦無法完全消除條紋，因此不能謂之為充分。又，依然殘留以下問題點：於裝置製造步驟中的熱處理中，氧有時會擴散至DZ層或磊晶層，而形成微小的BMD或氧施體。
作為因磊晶層變薄所產生之另一問題點，有COP未完全消失。一般來說，於作為攝像元件用磊晶晶圓的基板來使用之單晶矽晶圓中，存在COP。例如於專利文獻5中，記載有：當於常壓下使其磊晶生長時，若磊晶層的厚度並非為2μm以上，則於磊晶層表面會發生COP並未完全消失的情況。
作為使COP消失之方法，於專利文獻6中提出一種方法，於氧氣氛中，以1300℃以上且1380℃以下進行快 速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)處理。
利用該方法可使COP消失，並可於表層上使氧向內部擴散，但並未記載RTA處理後的熱處理，由於在RTA處理中向內部擴散之氧，於後續熱處理中係按照一般的外部擴散，並且，於CZ培育階段中引入至單晶矽晶圓的內層中之氧亦如通常一般地擴散至表面，因此，不僅無法排除條紋之影響，而且於RTA處理中向內部擴散之氧、及於CZ培育階段中引入至單晶矽晶圓的內層中之氧之兩者，均於裝置熱處理中擴散至DZ層或磊晶層。因此，存在以下問題點：相較於未經RTA處理之單晶矽晶圓，更多的氧被引入至裝置形成區域中，且更多的施體或析出物等易產生於裝置形成區域中。
本發明係有鑒於上述問題點而完成，其目的在於提供一種單晶矽晶圓之方法，該方法可製造形成有靠近裝置形成區域之良好的吸雜層。
為了達成上述目的，本發明提供一種單晶矽晶圓的製造方法，其特徵在於：藉由對單晶矽晶圓進行第1熱處理，該第1熱處理是使用快速加熱和快速冷卻裝置，於含氧氣氛下，以第1熱處理溫度保持1~60秒之後，以1~100℃/秒的降溫速度冷卻至800℃以下，而使氧向內部擴散以於前述單晶矽晶圓的表面附近形成氧濃度峰值區域，之後，藉由進行第2熱處理，而使前述單晶矽晶圓內的氧凝集於前述氧濃度峰值區域中。
如此一來，利用第1熱處理於單晶矽晶圓表層使 氧向內部擴散，並進行第2熱處理，以使晶圓內部的氧凝集於氧濃度峰值區域中，藉此可於表面附近形成面內均勻的氧濃度的氧濃度峰值區域。因此，可製造一種單晶矽晶圓，該單晶矽晶圓形成有靠近裝置形成區域之均勻的吸雜層。
此時，較佳是使進行前述第1及第2熱處理之單晶矽晶圓的氧濃度為4×1017atoms/cm3(ASTM‘79)以上且16×1017atoms/cm3(ASTM‘79)以下。
若為此種氧濃度的單晶矽晶圓，可藉由第1及第2熱處理，而有效地形成充分的峰值濃度的氧濃度峰值區域。
此時，較佳是決定前述第1及第2熱處理的條件，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理，該第1及第2熱處理的條件如下：預先測定前述第1熱處理後的單晶矽晶圓、前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓、或於前述第1及第2熱處理後進行氧析出物顯著化熱處理的單晶矽晶圓的氧濃度曲線，並使前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓、或於第1及第2熱處理後進行氧析出物顯著化熱處理的單晶矽晶圓的氧濃度曲線的半幅值(FWHM，full width at half-maximum)，小於前述第1熱處理後的單晶矽晶圓的氧濃度曲線的半幅值。
藉由如此地決定第1及第2熱處理的條件，並於該條件下進行熱處理，可利用第1及第2熱處理，於晶圓表面附近確實地形成面內均勻的氧濃度的氧濃度峰值區域。
此時，較佳是將前述第1及第2熱處理的條件，決定為於前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓的表面並不形成氧析出缺陷，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱 處理。
藉由如此地決定第1及第2熱處理的條件，並於該條件下進行熱處理，可利用第1及第2熱處理，製造一種在晶圓表面不產生缺陷且更高品質的單晶矽晶圓。
此時，較佳是於含有20%以上的氧之氣氛下，以1320℃以上且為矽的熔點以下的第1熱處理溫度，進行前述第1熱處理。
如此一來，藉由進行第1熱處理，可於晶圓表層使氧有效地向內部擴散。
此時，較佳為於含有0.01%以上且未達20%的氧之氣氛下，以1290℃以上且為矽的熔點以下的第1熱處理溫度，進行前述第1熱處理。
如此一來，藉由進行第1熱處理，亦可以相對較低的溫度，於晶圓表層使氧有效地向內部擴散。
此時，較佳是於前述第2熱處理中，以400~700℃進行2~20小時的析出核形成熱處理。
藉由進行此種第2熱處理，可有效地實施高密度的析出核的形成。
此時，較佳是於前述第2熱處理中，於前述析出核形成熱處理後，以800~1200℃進行1小時以上的析出核生長熱處理。
藉由進行此種第2熱處理，可使高密度地形成之析出核生長，因而有效地穩定化。
此時，較佳是於前述第1及第2熱處理後，於前 述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
如此一來，藉由製作磊晶晶圓，可製造一種晶圓，該晶圓於磊晶層的正下方具有高密度的氧濃度峰值區域，且於磊晶層並未形成氧析出缺陷。
又，提供一種電子裝置，其特徵在於：其形成於利用本發明的單晶矽晶圓的製造方法製造而成之單晶矽晶圓的前述磊晶層表面。
若為此種電子裝置，則於裝置形成區域不具有缺陷，且於其正下方形成良好的吸雜層，且為高品質。
如上所述，根據本發明，可於單晶矽晶圓的表面附近形成均勻且高濃度的氧濃度峰值區域。因此，形成靠近裝置形成區域之良好的吸雜層，而且不會對裝置形成區域造成不良影響。
第1(a)圖是藉由RTA處理使氧向內部擴散時的晶圓的深度及氧濃度的圖表。
第1(b)圖是降溫後的晶圓的深度及氧濃度的圖表。
第2圖是實施例1、比較例1中的樣品1(藉由快速加熱和快速冷卻熱處理之氧內部擴散熱處理後)的氧濃度的深度方向曲線。
第3圖是實施例1、比較例1中的樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理 之後)的氧濃度的深度方向曲線。
第4圖是表示實施例1、比較例1中的樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的氧濃度的峰值高度對於氧固定熱處理溫度之相關性之圖表。
第5圖是實施例2、比較例2中的樣品1(快速加熱和快速冷卻熱處理後)的氧濃度的深度方向曲線。
第6圖是實施例2、比較例2中的樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的氧濃度的深度方向曲線。
第7圖是實施例2、比較例2中的氧內部擴散溫度為1350℃時的樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的剖面的選擇蝕刻的結果的觀察圖。
第8圖是實施例2、比較例2中的樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的深度100μm位置處的BMD密度。
第9圖是表示實施例3、比較例3中的樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的深度100μm位置處的BMD密度與RTA溫度的關係之圖表。
第10圖是表示實施例4、5與比較例4至比較例6中的樣品2(形成磊晶層後)的氧濃度的SIMS曲線之圖表。
第11圖是實施例4、5與比較例4至比較例6中的對樣 品2(形成磊晶層後)進行追加的熱處理之後的氧濃度曲線。
本發明人，針對於晶圓表面附近形成高濃度的氧濃度峰值區域之方法，而努力研究。
首先，利用含氧氣氛的快速熱處理(Rapid Thermal Anneal，RTA)，將氧導入至單晶矽晶圓內，之後於各種溫度區域中進行熱處理之後，實施氧濃度曲線及BMD的評價。
再者，已報告有利用含氧氣氛的RTA處理，氧向內部擴散至晶圓內。例如於專利文獻7中，記載有以下方法：藉由以1100~1300℃將作為內生缺陷之COP內層整體地存在之單晶矽晶圓退火，可使COP消失，因而於表層形成無COP之DZ層，但同時由於氧自表面而外部擴散，因此將導致表層的強度降低；為了解決該問題點，於氧氣氛下進行RTA處理，而將氧導入至表層中，藉此提高表層的氧濃度。
又，記載有由於利用後續熱處理而使氧向外部擴散，且表層的氧濃度再次降低，因此形成在距表層20μm處不存在BMD之DZ層。該點與專利文獻6亦相同，基本上氧係表示出一般的擴散動態(擴散舉動)。
由該等可知，由於通常利用熱處理而使氧向外部擴散，因此一般謂之為表層的氧濃度降低，於表層形成DZ層。
有關於此，本發明人，經評價上述氧濃度曲線及BMD，結果確認為於含氧氣氛下的as RTA(RTA處理後)的氧濃度曲線係於深度為1μm至3μm左右處具有峰值。然而，當後續以某一溫度以下進行熱處理時，發現負擴散現象，該負 擴散現象係as RTA的氧濃度曲線的寬度變窄，氧濃度曲線變得陡峭，峰值氧濃度升高，亦即外觀上，於晶圓內，氧擴散至濃度較高的峰值位置處，因而完成本發明。
此處，說明負擴散現象。
利用含氧氣氛的RTA處理，製成於距晶圓表面約2μm之深度位置處具有1.28×1018/cm3的峰值氧濃度之單晶矽晶圓之後，準備以600℃熱處理4小時後之樣品A、及以800℃熱處理4小時後之樣品B。之後，將兩樣品以800℃熱處理4小時，然後以1000℃實施熱處理16小時，蝕刻其剖面的BMD並觀察。同時，利用二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer，SIMS)，測定氧濃度的深度方向的曲線。
其結果為，於樣品A中，於深度2μm的位置處形成高濃度BMD層，而且其峰值氧濃度為4×1018/cm3，表示高於as RTA之峰值濃度。進而發現，峰值氧濃度分佈的半幅值相對於as RTA的2.90μm，樣品A的半幅值為1.45μm，較窄。在一般的擴散現象中，若將濃度分佈具有峰值之物質進行熱處理，則峰值濃度伴隨著熱處理而減少，峰值的半幅值變大，但其係與此完全相反之現象。其係意味著晶圓內的氧凝集於濃度較高的位置(氧濃度峰值區域)處，外觀上表現為負擴散現象。
如此一來，氧於晶圓內凝集於濃度較高的位置處，相反而言，此係意味著可抑制氧由RTA處理所形成之自峰值氧濃度位置處向表面側之擴散。
另一方面，在樣品B的情況下，於as RTA的晶圓中所看 到之氧濃度的峰值消失，變成與通常的氧的擴散對應之氧濃度曲線。又，於距表面深度為2μm的位置處，並未形成BMD。
將該現象考慮為如下。
於600℃溫度下的氧的固溶濃度為1.5×1014/cm3。另一方面，在as RTA的晶圓的氧峰值濃度為1.28×1018/cm3，過飽和度(=峰值濃度/固溶濃度)為約8500倍之條件下，實行析出熱處理。
將氧析出反應考慮為：2Si+2O+V→SiO2+ISi‧‧‧(1)。
此處，Si為矽，O為氧，V為空位，ISi為晶格間矽。
由上述(1)的反應式及經典的均勻核形成可知，當氧濃度較高亦即過飽和度較高時，析出反應速度亦即析出核形成速度變大。
若形成析出核(或析出物)，則由於該周邊的氧濃度降低，因此局部而言，周邊的氧向析出核擴散，由析出物消耗而使析出核生長。同時，由於在熱處理中，氧自表面而外部擴散，因此表面的氧濃度降低，氧向表面擴散。當析出核的密度較小時，有助於析出核的生長之氧量相對較小，而大部分的氧並未被消耗，而是向濃度較低的表面擴散，並由表面排出。然而，若過飽和度為某值以上，則認為氧於擴散之前向析出層相位變化。其結果為，形成高濃度氧析出層(以下稱作HD-BMD層)。藉此，由析出物的生長所消耗之氧量變大，相較於表面及內層的外部擴散所產生之濃度差，由析出物的生長所產生之析出物周邊的濃度差更大，因而氧開始外 部擴散。或者外部擴散極小，因而大部分的氧向析出物擴散，氧由氧析出物所固定(消耗)。其結果為，認為晶圓內的氧係凝集(反擴散)至濃度的峰值位置處亦即HD-BMD層中。認為該現象與氧析出的難易度成比例。認為由於氧析出的難易度與某一熱處理溫度下的氧的過飽和度或空位濃度成比例，因此即便過飽和度較小，當空位濃度較高時，亦產生同樣的效果。
以下，作為實施態樣的一例，參照圖式，詳細說明本發明，但本發明並不限定於此。
本發明是一種單晶矽晶圓的製造方法，其特徵在於：藉由對單晶矽晶圓進行第1熱處理，該第1熱處理係使用快速加熱和快速冷卻裝置，於含氧氣氛下，以第1熱處理溫度保持1~60秒之後，以1~100℃/秒的降溫速度冷卻至800℃以下，而使氧向內部擴散以於單晶矽晶圓的表面附近形成氧濃度峰值區域，之後，藉由進行第2熱處理，而使單晶矽晶圓內的氧凝集於前述氧濃度峰值區域中。以下，詳細說明各步驟。
(a)起始材料
作為於本發明中進行熱處理之單晶矽晶圓，可採用由利用CZ法或FZ法培育之單晶矽晶棒製作而成之單晶矽晶圓、或於該單晶矽晶圓上形成有磊晶層之磊晶晶圓。
例如，可使用於將利用CZ法培育之單晶矽晶棒切片而製成晶圓之後，在倒角、磨光及蝕刻後將晶圓的一表面鏡面研磨之單面拋光晶圓(Single Side Polish晶圓，以下稱作SSP 晶圓)或、於對晶圓的表面及背面進行雙面研磨之後，將一主表面進行最終的鏡面研磨之雙面研磨晶圓(Double Side Polish晶圓，以下稱作DSP晶圓)。或者，亦可使用進行至上述製作步驟的雙面研磨，且未進行最終的鏡面研磨步驟之晶圓(以下，稱作最終研磨前DSP晶圓)。
此時，較佳是使於本發明中進行第1及第2熱處理之單晶矽晶圓的氧濃度為4×1017 atoms/cm3(ASTM‘79)以上，更佳為8×1017 atoms/cm3(ASTM‘79)以上，並且較佳是16×1017 atoms/cm3(ASTM‘79)以下。
若是此種氧濃度的單晶矽晶圓，利用熱處理可形成更高濃度的氧濃度峰值區域，並且亦可有效防止表面的缺陷產生。
(b)第1熱處理(氧內部擴散熱處理步驟)
對如上所述之單晶矽晶圓進行第1熱處理，該第1熱處理係使用快速加熱和快速冷卻裝置，於含氧氣氛下，以第1熱處理溫度保持1~60秒之後，以1~100℃/秒的降溫速度冷卻至800℃以下，藉此使氧向內部擴散，以於單晶矽晶圓的表面附近形成氧濃度峰值區域。
於含氧氣氛下，快速升溫並進行1~60秒熱處理，藉此使氧於熱處理中自晶圓表面內部擴散，使其為熱處理溫度下的氧溶解濃度，並形成於距表面的深度方向具有與氧的擴散常數對應之簡單的衰減曲線之氧濃度分佈。之後，以1℃/秒以上且100℃/秒以下的降溫速度，快速降溫至800℃以下，於此期間，氧自表面而外部擴散，使表面側的氧濃度降低，其結果為，可形成於距表面1μm左右的深度位置處 具有氧濃度的峰值之曲線(氧濃度峰值區域)。峰值濃度及峰值位置係可以熱處理的保持溫度、時間、降溫速度及晶圓的氧濃度來控制。自生產率方面來看，降溫速度係以1℃/秒以上進行，若超過100℃/秒，則可能會產生滑動。
以下，更詳細地說明此種第1熱處理。
於第1(a)圖中，示出當使用高氧濃度單晶矽晶圓及低氧濃度單晶矽晶圓，於含有氧之稀有氣體氣氛中保持加熱，使氧自晶圓表面內部擴散時的示意圖。於第1(a)圖中，實線及虛線分別為低氧濃度晶圓及高氧濃度晶圓的氧內部擴散熱處理前的氧濃度分佈，一點鏈線及兩點鏈線分別表示低氧濃度晶圓及高氧濃度晶圓在第1熱處理溫度下保持時內部擴散之氧濃度分佈。
第1熱處理(氧的內部擴散熱處理)係於氧氣或含有氧之稀有氣體(例如Ar、N2)中保持1~60秒。於該保持中，於單晶矽晶圓的表面的氧濃度維持下述式(2)所給出之固溶濃度C0之狀態下，按照保持溫度的氧的擴散常數，氧內部擴散(第1(a)圖的一點鏈線及兩點鏈線)。
C0=9×1022×Exp(-1.52/kT)‧‧‧(2)
此處，k為波茲曼常數(Boltzmann constant)，T為絕對溫度(K)。
由於溫度越高，氧固溶界限濃度越高，因此，熱處理溫度越高，擴散至內層之氧的量越增加。又，自擴散與表面的氧濃度(溶解濃度)及晶圓(內層)的氧濃度差成比例觀點來看，所獲得之氧濃度曲線係熱處理溫度與晶圓的氧 濃度及熱處理時間之函數。
而且，加熱保持一定時間之後，若以1~100℃/秒的降溫速度降溫至800℃以下，則於降溫時，晶圓中的氧係藉由外部擴散而部分由表面排出。其結果為，如第1(b)圖的示意圖所示，氧濃度曲線係於距表層某一深度處具有峰值之形狀(第1(b)圖的一點鏈線及兩點鏈線)。亦即，形成氧濃度峰值區域。
若為1~100℃/秒之較快的降溫速度，則產生以下優點：由於可減小氧自晶圓表面而外部擴散所引起之氧量之降低，並且可使更多的空位(高濃度)凍結(=注入)於內層中，因此可促進氧析出。
此處，峰值濃度及其位置可由第1熱處理溫度(氧內部擴散熱處理溫度)、保持時間、晶圓的氧濃度及降溫速度來控制，並可適當決定為所需曲線。
作為此種第1熱處理溫度(RTA處理溫度)，若為例如1320℃以上，則可使COP消失，同時可使內生氧析出物完全消失(參照例如專利文獻10)。因此，即便使用存在內生缺陷之晶圓，亦產生以下優點：藉由第1熱處理，可於其表層形成DZ層，並降低結晶的成本。
又，可於含有20%以上的氧之氣氛下，以1320℃以上矽的熔點(約1410℃)以下的第1熱處理溫度進行第1熱處理。
先前，認為由於利用含有20%以上的氧之氣氛下的RTA處理，於晶圓中注入有晶格間矽，因此，氧析出得以被抑制， 不易形成HD-BMD層。然而，本發明人等發現以下現象：於含有20%以上的氧之氣氛的RTA處理中，若處理溫度為1320℃以上，則促進之後的氧析出。其理由雖未明確，但認為其原因在於在利用1320℃以上的RTA處理中，空位經注入。如此一來，若藉由空位注入，促進後續的析出，則更易形成HD-BMD層，因而較為有利。又，當以1320℃以上的高溫進行RTA處理時，可獲得具有9×1017 atoms/cm3以上的峰值濃度之氧濃度曲線。因此，於第2熱處理中，藉由以例如最易形成氧析出核之400℃~700℃的溫度進行熱處理，而使氧的過飽和度充分，可有效地形成HD-BMD層。
又，亦可於含有0.01%以上且未達20%的氧之氣氛下，以1290℃以上矽的熔點以下的第1熱處理溫度進行第1熱處理。
若使用氧濃度為0.01%以上且未達20%的稀有氣體氣氛(例如Ar)，則相較於氧為100%之情況，即便於更低溫之1290℃下，之後氧析出亦得以被促進。即，由於以低於氧為100%之氣氛時的溫度之RTA溫度有效地空位注入，因此以更低溫的RTA溫度，可獲得與為100%氧且高溫的RTA溫度時同樣的氧析出，因而可實現步驟的低溫化。
再者，作為本發明中所使用之快速加熱和快速冷卻裝置，可使用單晶圓式或批次式的RTA裝置，並可使用市售的RTA裝置(例如MattsonTechnology公司製造，Helios)。
(c)第2熱處理(氧固定熱處理步驟)
於第1熱處理之後，藉由進行第2熱處理，因而使單晶 矽晶圓內的氧凝集於氧濃度峰值區域中。
如此一來，藉由使氧凝集於氧濃度峰值區域中以形成氧析出核，並使其生長，因而於晶圓表面附近形成高濃度氧析出層(HD-BMD層)。
較佳為於該第2熱處理中，以400~700℃進行2~20小時的析出核形成熱處理。
藉由以此種溫度、時間進行析出核形成熱處理，可不使表面附近的氧濃度峰值消失地形成析出核，使氧有效地凝集於氧濃度峰值區域。
進而，較佳為於上述析出核形成熱處理後，以800~1200℃進行1小時以上的析出核生長熱處理。
如此一來，由於藉由在析出核形成熱處理後，進行更高溫的析出核生長熱處理，可使氧更有效地凝集於氧濃度峰值區域，因此可使內層內所形成之析出核生長，並使其穩定化。
於該第2熱處理中，可使用市售之立式熱處理裝置或臥式熱處理裝置來進行熱處理。作為氣氛氣體，亦可為O2、N2、Ar或該等混合氣體、或H2氣體中的任一者。
氧析出現象係取決於氧的過飽和度、點缺陷的濃度及C或N之雜質濃度，且極為繁雜，形成前述HD-BMD層之條件係該等所有因子的函數，不可單值決定其條件。尤其，已知於點缺陷中，空位係促進氧析出物的形成，而且空位濃度因RTA處理的氣氛或溫度而大不相同。
於例如NH3氣氛的RTA處理中注入空位，而且RTA處理的最高溫度越高，注入之空位濃度越高；並且降溫速度越 大，注入之空位濃度越高(例如專利文獻8)。報告有相反地於O2氣氛的RTA處理中，注入有抑制氧析出之晶格間矽(例如專利文獻9)。
因此，於本發明中，較佳為預先如下所述般藉由預備實驗調查形成第1熱處理及第2熱處理的氧濃度峰值區域、及產生氧向該區域的凝集之條件。
例如，準備已分配氧濃度之晶圓，並改變第1熱處理條件(氣氛氣體、溫度、保持時間、降溫速度)以進行熱處理，因而準備樣品1，並在於樣品1中進行之第1熱處理的基礎上，進而改變第2熱處理條件(溫度及時間)以進行熱處理，因而準備樣品2。此時，第2熱處理係可於兩個階段中進行上述析出核形成熱處理及析出核生長熱處理，亦可進而進行另外的熱處理。
又，當第1熱處理及第2熱處理不充分時，氧的擴散距離過小，因而難以發現差異。此時，期望準備樣品3，該樣品3係除於樣品2的熱處理條件下進行熱處理以外，進而例如以800℃保持4小時，之後升溫至1000℃並於1000℃下保持16小時，藉此進行使氧析出物顯著化之氧析出物顯著化熱處理。
之後，測定各樣品的深度方向的氧濃度曲線，求出具有氧濃度曲線自主表面上的值開始增加之第一區域及、自前述第一區域的最大值開始減少之第二區域，且第一區域及第二區域的氧濃度為最大值的1/2之位置間的寬度(半幅值)。而且，較佳為求出樣品2或樣品3的半幅值小於樣品1 的半幅值之第1熱處理條件與第2熱處理條件之組合，並於該組合條件下進行第1熱處理及第2熱處理。
或者，較佳為選擇蝕刻樣品2(進行第1熱處理及第2熱處理)，求出於表面未出現缺陷之第1熱處理條件與第2熱處理條件之組合，並於該組合條件下進行第1熱處理及第2熱處理。
或者，最佳為求出樣品的半幅值滿足上述條件，且未出現表面缺陷之第1熱處理條件與第2熱處理條件之組合，並於該組合條件下進行第1熱處理及第2熱處理。
若於如此決定之條件下實施第1熱處理及第2熱處理，則表面無缺陷，而且可於距表層1μm左右的深度處形成高密度且均勻的HD-BMD層，而且可製作由HD-BMD層而使氧自晶圓外部擴散至表面側得以被極力抑制之單晶矽晶圓。
再者，亦可於前述預備實驗中，將第2熱處理條件作為裝置製造步驟的熱處理條件來進行預備實驗，並決定第1熱處理條件。此時，藉由省略第2熱處理，僅實施並出貨第1熱處理，可利用裝置製造步驟的熱處理，於距晶圓表層1μm左右的深度處，形成高密度且均勻的HD-BMD層。而且，存在以下優點：可由HD-BMD層而使氧自晶圓外部擴散至表面側得以被極力抑制，並可確保目標品質，同時可大幅抑制熱處理成本。
(d)氧化膜移除清洗步驟
於第2熱處理(當省略第2熱處理時，為第1熱處理)後，為移除已形成於晶圓表面及背面之氧化膜，例如，使用 市售之濕式清洗裝置，將晶圓浸漬於滿足5%濃度的HF水溶液之清洗槽中，以移除氧化膜。之後，連續進行所謂RCA清洗(依照SC1清洗槽、SC2清洗槽之順序浸漬晶圓)即可。
本發明亦可如上所述般地，對磊晶生長後的晶圓進行本發明的熱處理，亦可準備除磊晶晶圓以外之晶圓，來作為於上述(a)步驟中進行本發明的熱處理之單晶矽晶圓，並於進行上述(b)~(d)步驟之本發明的熱處理後的晶圓的表面形成磊晶層。藉此，可製造一種磊晶晶圓，該磊晶晶圓之磊晶層產生缺陷得以被抑制，且於磊晶層下1μm左右的深度處，形成高密度且均勻的HD-BMD層。
再者，當使用最終研磨前DSP晶圓作為起始材料時，亦可視需要於磊晶生長步驟前，實施將一主表面進行最終的鏡面研磨之步驟。
此時，較佳為於電阻率為5mΩcm以下的單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
此種電阻率的晶圓的摻雜劑濃度大致為1×1019/cm3以上，極高。當於其上方使一般電阻率為5Ωcm左右(摻雜劑濃度大致為1×1016/cm3)之磊晶層生長時，高濃度含有例如P(磷)般之離子半徑大於Si之摻雜劑之晶圓的晶格常數係大於磊晶層的晶格常數。因此，由晶格失配，而易產生錯配(misfit)錯位。然而，如本發明所述，由於藉由熱處理而於表層形成HD-BMD層之單晶矽晶圓，係緩和高密度存在於表層之BMD由於晶格常數的差而產生之應力，因此，可抑制於磊晶生長中所產生之錯配錯位的產生。
根據如上所述之本發明，可於表層形成較淺的DZ層，同時於DZ層正下方面內均勻地且以2μm左右較窄的寬度形成陡峭且高密度的BMD。該BMD密度係高於單晶矽培育中所引入之氧於內層中形成之BMD的密度，而且形成於內層BMD與裝置形成區域之間。因此，可遮蔽將內層的氧條紋作為樣板之面內不均勻的條紋模樣的BMD密度分佈對裝置之影響，並可製作具有面內均勻的特性之裝置。
而且，當內層整體地形成高密度的BMD時，析出物過量，而導致晶圓翹曲，但如本發明所述，亦存在以下優點：藉由形成高密度但形成層的寬度較小的BMD層，使析出物佔晶圓整體之總量變小，因而可抑制由析出過多所引起之翹曲之產生。
又，於裝置熱處理中，可抑制氧自內層晶圓擴散至DZ層或磊晶層中。藉此，由於可抑制晶圓的氧擴散至DZ層或磊晶層中，而形成微小氧析出物或氧施體化，因此可防止裝置特性之惡化。
又，藉由形成於DZ層或磊晶層正下方之陡峭的BMD，可謀求緩和裝置的元件分離所使用之STI底部的應力，並抑制滑動產生。
[實施例]
以下，示出實施例及比較例，來更具體地說明本發明，但本發明並不限定於此。
(實施例1、比較例1)
利用CZ法來培育p型、氧濃度為6.5×1017 atoms/cm3， 電阻率為20Ωcm之單晶矽晶棒，將其切片而切割為晶圓狀，於倒角、磨光及蝕刻後，對晶圓的表面及背面進行雙面研磨，將一主表面進行最終的鏡面研磨。藉此，準備一種直徑為12英寸(300mm)且厚度為775μm之雙面研磨晶圓(DSP晶圓)。
繼而，使用市售之RTA裝置(MattsonTechnology公司製造，Helios)，對於複數片前述DSP晶圓，於100%氧氣氛中，以升溫速度50℃/秒自室溫升溫至1350℃，保持10秒後，再以30℃/秒的降溫速度降溫至800℃，因而進行快速加熱和快速冷卻熱處理(RTA處理)即氧內部擴散熱處理，選出其中一片，作為樣品1。
繼而，對於經前述RTA處理(氧內部擴散熱處理)之晶圓，使用市售之立式爐(國際電氣有限公司(Hitachi Kokusai Electric Co.,Ltd.)製造VERTEX-Ⅲ)，使爐內為氧濃度為5%之N2氣體氣氛，分配400℃、500℃、600℃、700℃及800℃之熱處理溫度，每各兩片分別保持(氧固定熱處理)4小時之後，將其取出。將各兩片之中的第一片作為樣品2。第2片係使用市售之立式爐(國際電氣有限公司製造VERTEX-Ⅲ)，投入至保持為氧濃度為5%之N2氣體氣氛、600℃之爐內，並以5℃/分升溫至800℃，以800℃保持4小時，再以5℃/分升溫至1000℃，然後追加保持16小時之氧析出物顯著化熱處理，且以3℃/分降溫至600℃，然後自爐內取出，作為樣品3。
而且，選擇蝕刻樣品2，調查表面有無缺陷產生，於所有樣品中均未檢測出表面缺陷。
又，樣品1係利用SIMS測定氧濃度的深度方向分佈；樣品3係利用SIMS測定氧濃度的深度方向分佈，進而藉由剖面的選擇蝕刻，進行BMD的深度方向分佈之觀察。
第2圖係樣品1(利用快速加熱和快速冷卻熱處理進行之氧內部擴散熱處理後)的氧濃度的深度方向曲線。示出於距表面1μm左右的深度處具有峰值濃度之分佈，峰值濃度為1.28×1018atoms/cm3，峰值濃度的高度(圖中A)為1/2之半幅值(圖中的B)為2.90μm。
第3圖係樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的氧濃度的深度方向曲線。當氧固定熱處理溫度為400℃至700℃時，獲得於約2μm的深度位置處具有明確的氧濃度的峰值之分佈。峰值氧濃度的高度為1/2之半幅值係於400℃、500℃、600℃及700℃下，分別為1.1μm、1.5μm、1.0μm及1.1μm，任一情況下均小於as RTA的樣品1的半幅值2.90μm。由此可知，於氧固定熱處理溫度400~700℃下，利用RTA處理所導入之氧的峰值位置處晶圓內的氧聚集。即，可知氧的外部擴散得以被抑制。另一方面，當以800℃進行熱處理時，氧濃度曲線的峰值消失，成為與所謂外部擴散對應之曲線。
自樣品3的BMD的剖面觀察結果來看，當以400℃、500℃、600℃及700℃進行氧固定熱處理時，於距晶圓表面2μm前後之深度位置處且於寬度為約3μm較窄的區域處，形成高密度且陡峭的BMD；當以800℃進行氧固定熱處理時，於距晶圓表面比約20μm更深的位置處形成BMD。
可知一般而言，BMD係與氧濃度分佈成比例，當以400℃、500℃、600℃及700℃進行氧固定熱處理時，氧濃度具有陡峭的峰值部分，與此相對，當以800℃進行氧固定熱處理時，於深度方向氧濃度平穩地增加，BMD分佈亦呈現平穩的變化，而並不具有峰值部分。
第4圖係樣品3的氧濃度的峰值高度對於氧固定熱處理溫度之相關性。由第4圖可知，若氧固定熱處理的析出核形成步驟的溫度為300℃以上750℃以下的溫度，則出現氧濃度的峰值，因而成為本發明的第2熱處理條件。進而可知更期望氧固定熱處理(第2熱處理)的析出核形成步驟的溫度為400℃以上700℃以下。
(實施例2、比較例2)
利用CZ法，培育p型、氧濃度為6.5×1017 atoms/cm3，電阻率為20Ωcm之單晶矽晶棒，將其切片而切割為晶圓狀，於倒角、磨光及蝕刻後，對晶圓的表面及背面進行雙面研磨，將一主表面進行最終的鏡面研磨。藉此，準備一種直徑為12英寸(300mm)且厚度為775μm之雙面研磨晶圓(DSP晶圓)。
繼而，使用市售之RTA裝置(MattsonTechnology公司製造，Helios)，於100%氧氣氛中，以升溫速度50℃/秒將複數片前述DSP晶圓自室溫升溫至X℃，保持10秒後，以30℃/秒的降溫速度降溫至800℃，進行快速加熱和快速冷卻熱處理(RTA處理)亦即氧內部擴散熱處理。X℃為1300℃、1320℃、1330℃及1350℃。選出於各溫度下進行氧內部擴散熱處理之晶圓之中的一片，作為樣品1。
繼而，對於各兩片經前述RTA處理(氧內部擴散熱處理)之晶圓，使用市售之立式爐(國際電氣有限公司製造VERTEX-Ⅲ)，於爐內，在氧濃度為5%之N2氣體氣氛、450℃下，保持(氧固定熱處理)4小時之後取出。將其中的第1片作為樣品2。第2片係使用市售之立式爐(國際電氣有限公司製造VERTEX-Ⅲ)，投入至保持為氧濃度為5%之N2氣體氣氛、600℃之爐內，以5℃/分升溫至800℃，以800℃保持4小時，再以5℃/分升溫至1000℃，然後追加保持16小時之氧析出物顯著化熱處理，以3℃/分降溫至600℃，然後自爐內取出，作為樣品3。
而且，選擇蝕刻樣品2，並調查表面有無缺陷產生，於所有樣品中均未檢測出表面缺陷。
又，樣品1係利用SIMS測定氧濃度的深度方向分佈；樣品3係利用SIMS測定氧濃度的深度方向分佈，進而藉由剖面的選擇蝕刻，進行BMD的深度方向的分佈之觀察。
第5圖是樣品1(快速加熱和快速冷卻熱處理後)的氧濃度的深度方向曲線。均表示於距晶圓表面1μm左右的深度處具有峰值濃度之分佈。
第6圖是樣品3(實施快速加熱和快速冷卻熱處理、氧固定熱處理及氧析出物顯著化熱處理之後)的氧濃度的深度方向曲線。當氧內部擴散溫度為1320℃以上時，出現氧濃度的峰值。將峰值濃度的半幅值與樣品1比較，當氧內部擴散熱處理溫度為1320℃時，自2.2μm減少至0.27μm；當為1330℃時，自2.4μm減少至0.86μm；當為1350℃時，自 2.9μm減少至1.6μm。另一方面，當氧內部擴散溫度為1300℃時，峰值消失濃度，成為與所謂外部擴散對應之曲線。
第7圖表示當氧內部擴散溫度為1350℃時的樣品3的剖面的選擇蝕刻的結果。由第7圖可知，於距表面2μm之深度處且於寬度為數μm之較窄的區域形成高濃度的BMD層。當於1320℃以上進行氧內部擴散熱處理時，觀察到同樣的高密度BMD層，但於1300℃下並未觀察到。
第8圖表示樣品3的深度100μm位置處的BMD密度。深度為100μm之BMD密度係表示原本內層存在之氧是否形成BMD，而並非於RTA處理(氧內部擴散熱處理)中高濃度氧層內部擴散至表層之氧。於第8圖中，作為參考，亦顯示於1200℃、1250℃及1280℃下經RTA處理(氧內部擴散熱處理)之樣品的BMD密度。
由第8圖可知，當為於100%氧氣氛下經RTA處理(氧內部擴散熱處理)之樣品時，處理溫度最大為1300℃，且溫度越高，BMD密度越減少，因而再現先前的見解。亦即，認為藉由於氧氣氛的RTA處理中自表面注入晶格間矽，氧析出得以被抑制。另一方面，若超過1300℃，則與至今為止的見解不同，BMD轉而顯示出增加傾向。其理由雖不明確，但認為係由於在高於1300℃之溫度下產生空位注入，因此提高氧析出。
由該等結果，若使第1熱處理為於1320℃以上之RTA處理(氧內部擴散熱處理)，則由內部擴散所注入之氧濃度變高，而且，亦注入有空位，其結果為，於後續氧固定 熱處理(此時為450℃)中為極高的氧的飽和度，而且受空位之影響而獲得更易析出之協同效果。
(實施例3、比較例3)
利用CZ法，培育p型、氧濃度為6.5×1017 atoms/cm3，電阻率為20Ωcm之單晶矽晶棒，將其切片而切割為晶圓狀，於倒角、磨光及蝕刻後，對晶圓的表面及背面進行雙面研磨，並將一主表面進行最終的鏡面研磨。藉此，準備一種直徑為12英寸(300mm)且厚度為775μm之雙面研磨晶圓(DSP晶圓)。
繼而，使用市售之RTA裝置(MattsonTechnology公司製造，Helios)，於氧濃度為19%之Ar氣體氣氛中，以升溫速度50℃/秒將複數片前述DSP晶圓自室溫升溫至X℃，保持10秒後，再以30℃/秒的降溫速度降溫至800℃，進行快速加熱和快速冷卻熱處理(RTA處理)亦即氧內部擴散熱處理。X℃為1250℃、1270℃、1290℃及1310℃。選出經氧內部擴散熱處理之晶圓之中的一片，作為樣品1。
繼而，對於各兩片經前述RTA處理(氧內部擴散熱處理)之晶圓，使用市售之立式爐(國際電氣有限公司製造VERTEX-Ⅲ)，於爐內，並於氧濃度為5%之N2氣體氣氛、450℃下，保持(氧固定熱處理)4小時之後，將其取出。將其中的第1片作為樣品2，第2片係使用市售之立式爐(國際電氣有限公司製造VERTEX-Ⅲ)，投入至保持為氧濃度為5%之N2氣體氣氛、600℃之爐內，追加以5℃/分升溫至800℃、以800℃保持4小時，再以5℃/分升溫至1000℃，保持 16小時之氧析出物顯著化熱處理，以3℃/分降溫至600℃之後，自爐內取出，作為樣品3。
而且，選擇蝕刻樣品2，調查表面有無缺陷產生，於所有樣品中均未檢測出表面缺陷。
樣品1係利用SIMS測定氧濃度的深度方向分佈；樣品3係利用SIMS測定氧濃度的深度方向分佈，進而藉由剖面的選擇蝕刻進行BMD的深度方向的分佈之觀察。
於表1中，示出由樣品1(氧內部擴散熱處理後)的氧濃度曲線所求出之半幅值、樣品3有無氧濃度峰值、及當出現氧濃度峰值時由氧濃度曲線所求出之半幅值。
由表1可知，RTA溫度(氧內部擴散熱處理的溫度)為1290℃以上的高溫，且於樣品3中氧濃度曲線具有峰值，而且半幅值小於樣品1，該當於本發明的熱處理條件。另一方面，當未達1290℃時，於樣品3中於氧濃度曲線的峰值消失，成為與一般的氧的外部擴散對應之氧濃度分佈，並非該當於本發明的熱處理條件。
第9圖示出樣品3的深度100μm位置處的BMD密度及RTA溫度。
由第9圖可知，認為當為於氧濃度為19%之Ar氣體氣氛下經RTA處理之樣品之情況下，由於RTA溫度最大為1270℃，且溫度越高，BMD密度越減少，因此藉由自表面注入晶格間矽，氧析出得以被抑制。另一方面，若超過1270℃，則BMD轉而顯示出增加傾向。
當於100%氧氣氛中經RTA處理時，若超過1300℃，則BMD增加(第8圖)，但當為氧為19%之Ar氣體氣氛時，自更低溫之1270℃開始，氧析出提高(第9圖)。該結果為，認為由於相較於在氧為100%之氣氛下經RTA處理之情況，當於氧為未達20%之氣氛下進行RTA處理(氧內部擴散熱處理)時，以更低溫進行氧析出，因此RTA溫度為1290℃以上且形成HD-BMD層。
(實施例4、5、比較例4至比較例6)
利用CZ法，培育p型、氧濃度為6.5×1017 atoms/cm3，電阻率為20Ωcm之單晶矽晶棒，將其切片而切割為晶圓狀，於倒角、磨光及蝕刻後，將晶圓的表面及背面雙面研磨，並將一主表面進行最終的鏡面研磨。藉此，準備一種直徑為12英寸(300mm)且厚度為775μm之雙面研磨晶圓(DSP晶圓)。
繼而，使用市售之RTA裝置(MattsonTechnology公司製造，Helios)，對於複數片前述DSP晶圓，於100%氧氣氛中，以升溫速度50℃/秒自室溫升溫至1350℃，保持10秒後，再以30℃/秒的降溫速度降溫至800℃，進行快速加熱和快速冷卻熱處理(RTA處理)亦即氧內部擴散熱處理。選出其中一片作為樣品1，利用SIMS測定氧濃度曲線。測定之 氧濃度的峰值濃度為1.2×1018atoms/cm3，峰值濃度的半幅值為2.90μm。
繼而，準備四片經前述RTA處理(氧內部擴散熱處理)之晶圓，進而準備一片未經RTA處理之晶圓(Ref：比較例6)。
對於該等晶圓，使用市售之立式爐(國際電氣有限公司製造VERTEX-Ⅲ)，於爐內的氧濃度為5%之N2氣體氣氛下實施氧固定熱處理(於析出核形成步驟後連續實施析出核生長步驟)。於表2中，示出實施例4、5及比較例4、5的氧固定熱處理條件。
之後，進行氧化膜移除清洗，使用市售之磊晶生長裝置(應用材料有限公司(Applied Materials Co.,Ltd.)製造Centura)，形成厚度為8μm之磊晶層，作為樣品2。
使用SIMS測定樣品2的氧濃度曲線，由選擇蝕刻評價表面有無缺陷。調查樣品2的氧濃度曲線中有無氧濃度峰值、及當出現氧濃度峰值時由氧濃度曲線所求出之半幅值。該等結果示於表2。
第10圖表示實施例4、5及比較例4至比較例6的樣品2的氧濃度的SIMS曲線。由第10圖及表2可知，於實施例4中，出現明確的氧濃度的峰值。而且可知峰值氧濃度的半幅值係小於氧固定熱處理前的樣品1的半幅值2.90μm，自該點來看，係該當於本發明的熱處理條件。進而，於實施例4中，亦未產生表層缺陷。又，關於實施例5，由於亦出現明確的氧濃度的峰值，且峰值氧濃度的半幅值係小於氧固定熱處理前的樣品1的半幅值，因此該當於本發明的熱處理條件。但由產生表層缺陷，可知更佳為實施例4的條件。
另一方面，自比較例4至比較例6並未出現氧濃度的峰值來看，並非該當於本發明的熱處理條件。
本發明的實施例4係於追加熱處理前，與比較例4或比較例6同樣地，距表面最大8μm之範圍，即磊晶層中的氧濃度變高。其原因在於，於RTA處理(氧內部擴散熱處理)中內部擴散至晶圓內之氧的量高於原本存在於晶圓中之氧濃度，此係於磊晶生長中熱擴散至磊晶層中。
然而，由於在RTA處理中面內均勻地向內部擴散之氧擴 散至磊晶層中，因此磊晶層中的氧的分佈係面內均勻。進而，在實施例4的情況下，由第10圖可知，由於利用氧固定熱處理，於磊晶層正下方形成高密度的HD-BMD層，因此，當之後進行追加熱處理時，內層擴散之氧係為於該HD-BMD層中使氧析出物生長而被消耗，因而向磊晶層中之擴散得以被抑制。
第11圖係對實施例4、5及比較例4至比較例6的樣品2(磊晶層形成後)，進行1000℃/8小時的熱處理來作為追加的熱處理後的氧濃度曲線。上述HD-BMD層之效果的結果係如第11圖所示，追加熱處理後的磊晶層中的氧濃度少於比較例6的氧濃度。藉此，由於裝置製造步驟中的氧的施體化或析出物的形成得以被顯著抑制，因此可防止裝置特性之惡化。
進而，若原本存在於內層中之氧係形成稱作條紋之面內條紋狀(同心圓圖案)的濃淡，並直接擴散至磊晶層中，則將其濃淡作為樣板，擴散至磊晶層中之氧亦形成條紋狀的濃淡。其結果為，若於裝置熱處理中擴散至磊晶層之氧得以施體化，或形成析出物，則由於該等亦變成條紋狀的分佈，因此裝置特性亦作為條紋狀特性群而出現。然而，如本發明所述，若原本存在於內層中之氧向磊晶層中之擴散得以被抑制，則可防止如上所述之不良情況之產生。而且，於實施例4、5的樣品中，磊晶層正下方的氧濃度係於追加熱處理中顯著增加，於該區域中形成與該氧濃度分佈相同形狀的陡峭且高密度的BMD層，對近接吸雜有效地發揮作用。由於該 高濃度BMD層的面內均勻的氧析出核得以生長，該氧析出核係由於RTA處理中面內均勻地向內部擴散之氧形成，且面內均勻地形成BMD，因此不會如先前所述地，由內層的氧條紋引起條紋狀BMD濃淡。
比較例4係氧固定熱處理的析出核形成步驟的熱處理溫度為800℃，於該階段中並未形成HD-BMD層，於該狀態下進行1000℃、16小時的長時間熱處理，作為析出核生長步驟(表2)。
因此，氧係按照一般的擴散而外部擴散，表面的氧濃度顯著降低。藉此，於後續磊晶生長中及磊晶生長後的追加熱處理中，擴散至磊晶層中之氧較少。但是，無法於磊晶層正下方形成高密度的BMD，因而無法期待近接吸雜的效果。進而，存在以下問題點：形成於遠離磊晶層之位置處之BMD，係原本存在於晶圓中之氧作為BMD顯著化而成，形成由條紋引起之條紋狀的BMD濃淡。進而，仍然存在擴散至磊晶層中之氧的面內分佈為由氧條紋引起之條紋狀的分佈之問題點。
比較例5係僅進行RTA處理(氧內部擴散熱處理)，而並不進行氧固定熱處理之磊晶生長之晶圓(表2)。
此時，由於並未實施氧固定熱處理，因此並不形成HD-BMD層。因此，於磊晶生長或追加熱處理之際，氧係以一般的外部擴散而向表面擴散，但由於原本存在於晶圓中之氧及於RTA處理中內部擴散之氧的兩者均外部擴散，因此於AsEpi(磊晶生長後)及磊晶生長後經追加熱處理之樣品中，擴散至磊晶層中之氧量均為最大(第10圖、第11圖)。此 係與單純地提高晶圓的氧濃度之情況等價之結果。
比較例6(Ref)係未實施氧內部擴散熱處理、氧固定熱處理中的任一者之一般的磊晶晶圓(表2)。
此時，由於原本存在於晶圓內之氧係僅按照一般的外部擴散而擴散，並不具有抑制氧向磊晶層之擴散之效果，因此磊晶生長後經追加熱處理之下一磊晶層中(第11圖的深度為0~約8μm)的氧濃度大於實施例4的氧濃度。
於比較例4至比較例6中，氧濃度曲線係自表面向內層緩慢增加，BMD曲線亦為與此相同的分佈，自該點來看，無法於磊晶層正下方且於陡峭且寬度較窄的區域中形成高密度BMD。又，於比較例4至比較例6中，所形成之BMD及擴散至磊晶層中之氧濃度分佈係將條紋作為樣板之不均勻的分佈。
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。

Claims (25)

  1. 一種單晶矽晶圓的製造方法，其特徵在於：藉由對單晶矽晶圓進行第1熱處理，該第1熱處理是使用快速加熱和快速冷卻裝置，於含氧氣氛下，以第1熱處理溫度保持1~60秒之後，以1~100℃/秒的降溫速度冷卻至800℃以下，而使氧向內部擴散以於前述單晶矽晶圓的表面附近形成氧濃度峰值區域，之後，藉由進行第2熱處理，而使前述單晶矽晶圓內的氧凝集於前述氧濃度峰值區域中。
  2. 如請求項1所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，使進行前述第1及第2熱處理之單晶矽晶圓的氧濃度為4×1017atoms/cm3(ASTM‘79)以上且16×1017atoms/cm3(ASTM‘79)以下。
  3. 如請求項1所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，決定前述第1及第2熱處理的條件，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理，該第1及第2熱處理的條件如下：預先測定前述第1熱處理後的單晶矽晶圓、前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓、或於前述第1及第2熱處理後進行氧析出物顯著化熱處理的單晶矽晶圓的氧濃度曲線，並使前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓、或於第1及第2熱處理後進行氧析出物顯著化熱處理的單晶矽晶圓的氧濃度曲線的半幅值，小於前述第1熱處理後的單晶矽晶圓的氧濃度曲線的半幅值。
  4. 如請求項2所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，決定前述第1及第2熱處理的條件，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理，該第1及第2熱處理的條件如下：預先測定前述第1熱處理後的單晶矽晶圓、前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓、或於前述第1及第2熱處理後進行氧析出物顯著化熱處理的單晶矽晶圓的氧濃度曲線，並使前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓、或於第1及第2熱處理後進行氧析出物顯著化熱處理的單晶矽晶圓的氧濃度曲線的半幅值，小於前述第1熱處理後的單晶矽晶圓的氧濃度曲線的半幅值。
  5. 如請求項1所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，將前述第1及第2熱處理的條件，決定為於前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓的表面並不形成氧析出缺陷，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理。
  6. 如請求項2所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，將前述第1及第2熱處理的條件，決定為於前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓的表面並不形成氧析出缺陷，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理。
  7. 如請求項3所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，將前述第1及第2熱處理的條件，決定為於前述第1及第2熱處理 後的單晶矽晶圓的表面並不形成氧析出缺陷，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理。
  8. 如請求項4所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，將前述第1及第2熱處理的條件，決定為於前述第1及第2熱處理後的單晶矽晶圓的表面並不形成氧析出缺陷，並於該決定條件下進行前述第1及第2熱處理。
  9. 如請求項1至請求項8中的任一項所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於含有20%以上的氧之氣氛下，以1320℃以上且為矽的熔點以下的第1熱處理溫度，進行前述第1熱處理。
  10. 如請求項1至請求項8中的任一項所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於含有0.01%以上且未達20%的氧之氣氛下，以1290℃以上且為矽的熔點以下的第1熱處理溫度，進行前述第1熱處理。
  11. 如請求項1至請求項8中的任一項所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第2熱處理中，以400~700℃進行2~20小時的析出核形成熱處理。
  12. 如請求項9所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第2熱處理中，以400~700℃進行2~20小時的析出核形 成熱處理。
  13. 如請求項10所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第2熱處理中，以400~700℃進行2~20小時的析出核形成熱處理。
  14. 如請求項11所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第2熱處理中，於前述析出核形成熱處理後，以800~1200℃進行1小時以上的析出核生長熱處理。
  15. 如請求項12所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第2熱處理中，於前述析出核形成熱處理後，以800~1200℃進行1小時以上的析出核生長熱處理。
  16. 如請求項13所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第2熱處理中，於前述析出核形成熱處理後，以800~1200℃進行1小時以上的析出核生長熱處理。
  17. 如請求項1至請求項8中的任一項所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
  18. 如請求項9所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶 層。
  19. 如請求項10所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
  20. 如請求項11所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
  21. 如請求項12所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
  22. 如請求項13所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
  23. 如請求項14所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
  24. 如請求項15所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶 層。
  25. 如請求項16所述之單晶矽晶圓的製造方法，其中，於前述第1及第2熱處理後，於前述單晶矽晶圓的表面形成磊晶層。
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