單晶矽的生長方法及其製備的單晶矽錠與流程
2023-10-11 04:38:44 1
本發明是關於矽晶體的生長方法，尤其是關於單晶矽的生長方法。
背景技術：
在柴氏拉晶法(czochralskimethod)(以下有時稱直拉法)之單晶矽生長過程中，由於石英坩堝的熔解，會使得部分氧進入單晶矽中，這些氧主要存在於矽晶格的間隙位置。當間隙氧的濃度超過氧在矽中的溶解度時即發生沉澱，從而形成單晶矽中常見的氧沉澱缺陷，進而對集成電路裝置造成損害。
內質吸除(intrinsicgettering)技術，即，藉由一定程序於矽片內形成高密度氧沉澱，而可在該矽片表面形成一定深度的無缺陷的潔淨區，該潔淨區則可應用於製造裝置。然而，隨著超大規模集成電路(ulsi)之發展，特徵尺寸越來越小，必須降低單晶矽中的氧濃度以避免在裝置的有源區中形成缺陷。另外，由於目前集成電路工藝的熱預算顯著降低，因此無法充分符合於矽片體內形成氧沉澱的條件，從而影響內質吸除的效果。
可通過在直拉單晶矽中摻氮以解決上述問題。氮能夠促進直拉單晶矽中的氧沉澱，進而增強內質吸除效果。摻氮亦可提高矽片機械強度，抑制空洞型缺陷。以紅外光散射斷層掃描法(ir-lst)及掃描紅外顯微法(sirm)研究氧沉澱分布情況，研究結果表示，在摻氮濃度合適的300mm摻氮直拉矽片經過一步高溫退火後，可形成高密度的氧沉澱，並於矽片近表面處形成一定寬度的潔淨區；此外，隨著氮濃度的增加，矽片中的氧沉澱徑向分布更為均勻。
業界一般是以固相摻氮，例如採用氮化矽(si3n4)粉末，進行單晶矽摻氮，此法可較精確地控制摻氮濃度，但高純度氮化矽(si3n4)粉末難以獲得，且常因熔解困難而殘留si3n4顆粒，而難以達成單晶矽的無位錯生長。業界亦採用氣相摻氮，是在晶種熔接後導入高純度氮氣或氮/氬混合氣體，藉由氮氣導入時間以控制矽晶體摻氮濃度。氣相摻氮是藉由氮氣與矽熔體反應而達成摻氮，純度 較高，且反應形成的氮化矽較不易顆粒化，然而，由於完全依靠熱對流進行反應，工藝不易控制且摻氮濃度較不均勻。
綜上述，對於單晶矽的製造方法仍有其需求。
技術實現要素：
本發明是提供一種單晶矽的生長方法，是以柴氏拉晶法進行，是將置於坩堝內的矽原料熔化而形成熔體，並提拉該熔體而使單晶矽生長的方法；在形成熔體時通入包括氬氣氣體；以及，在提拉步驟中施加磁場。
本發明並提供一種製備晶圓的方法，包括以本發明方法所製得的單晶矽錠為原料製備該晶圓；該晶圓包含濃度為1×1013至1×1016/立方公分的氮原子。
附圖說明
圖1表示本發明的單晶矽生長方法的流程。
具體實施方式
本發明的單晶矽的生長方法是以柴氏拉晶法(又稱直拉法)為基礎，以固相摻氮配合磁場直拉單晶法(magneticfield-czochralskimethod，mcz)進行矽單晶的製備。簡言之，柴氏拉晶法為將置於坩堝內的矽原料熔化而形成熔體，並提拉該熔體而使單晶矽生長的方法。本發明中，在形成熔體時通入包括氬氣氣體；以及，在提拉步驟中施加磁場。
在本發明中，該矽原料包括多晶矽碎塊、及表面生長氮化矽的矽片。實施例中，該氮化矽可以採用化學氣相沉積法(chemicalvapordeposition)或等離子體化學氣相沉積法(plasmachemicalvapordeposition)生長，且該氮化矽之厚度為20-5000nm。
在本發明中，該磁場的強度為1000至5000高斯(gauss)。
在實施例中，該磁場為超導體傾斜磁場。具體而言，該磁場的磁力線方向與該熔體液面呈一夾角，且角度為0至45度、或45至90度，可依實際需求調整該夾角之角度。在較佳實施例中，該磁場的磁力線方向與該熔體液面呈0至10度夾角、或80至90度夾角。
本發明的單晶矽生長方法的詳細步驟包括：將表面生長氮化矽的矽片及多晶矽碎塊共同置於石英坩堝中，以預定溫度熔化；施加磁場；進行引晶步驟：採用晶種以預定拉晶速率向上拉晶，至細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；放肩步驟：降低拉晶速率，維持一線性降溫速率，使該細晶生長成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟；以及轉肩及等徑步驟：待該單晶矽錠直徑達預定後，立即提高拉晶速率並及時降溫，同時停止該線性降溫，控制坩堝上升速率，並根據該單晶矽錠的直徑變化率的速度，緩慢調節拉晶速率，使該單晶矽錠的直徑維持穩定，並繼續生長；待該單晶矽錠直徑相對穩定後，以自動等徑控工藝序進行監控。
在實施例中，該單晶矽錠的直徑是由該拉晶速率和該預定溫度所控制。
在實施例中，該矽原料為表現生長有氮化矽薄膜的矽片與多晶矽碎塊，該等矽原料是於超過氮化矽熔點溫度(即，大於1900℃)下充分混合及熔解。隨後降低該熔體溫度，進行晶種熔接，此時該熔體表面中心區域的溫度即為矽熔點溫度，接著可進行固相摻氮拉晶生長。藉此可較精確地控制矽單晶的摻氮濃度以及達成良好之摻氮均勻性。
本發明亦提供一種製備晶圓的方法，包括以如前述方法所製得的單晶矽錠為原料製備該晶圓；其中，該晶圓包含濃度為1×1013至1×1016/立方公分(cubiccentimeter)的氮原子。
在實施例中，是將該單晶矽錠進行切薄、表面磨削、研磨、邊緣處理、洗滌等步驟，而形成該晶圓。
實施例
以下將結合示意圖對本發明進行更詳細的描述，其中表示了本發明的較佳實施例，應理解具本領域通常知識者可以對此處描述之本發明進行修改，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應該被理解為對於本領域技術人員的廣泛認知，而並非作為對本發明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述眾所周知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目 標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於具本領域通常知識者來說僅僅是常規工作。
在下列段落中參照圖式以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面的說明和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
本發明是採用固相摻氮加磁場直拉單晶法(mcz)進行矽單晶摻氮。其程序步驟大致包括：熔化、引晶、拉晶、放肩、轉肩、等徑。參照圖1，是說明本發明的單晶矽生長方法的一實施例，包括：
s100：將矽原料置於石英坩堝中，以預定溫度熔化，其中該矽原料包括表面生長氮化矽的矽片及多晶矽碎塊
s200：施加磁場；
s300：引晶步驟：採用晶種以預定拉晶速率向上拉晶，至細晶達到預定長度；
s400：放肩步驟：降低拉晶速率，維持一線性降溫速率，使該細晶生長成預定直徑的單晶矽錠；以及
s500：轉肩及等徑步驟：待該單晶矽錠直徑達預定後，立即提高拉晶速率並及時降溫，同時停止該線性降溫，使該單晶矽錠之直徑維持穩定，並繼續生長。
本發明的固相摻氮是以表面生長有氮化矽薄膜的矽片作為矽原料，而製備電子級的氮化矽薄膜，可在矽襯底上進行氣相沉積獲得，例如：在相對高溫下進行化學氣相沉積(cvd)，或，在溫度相對較低的低壓條件下進行等離子體輔助化學氣相沉積(pecvd)。其反應式如下：
3sih4(g)+4nh3(g)→si3n4(s)+12h2(g)
3sicl4(g)+4nh3(g)→si3n4(s)+12hcl(g)
3sicl2h2(g)+4nh3(g)→si3n4(s)+6hcl(g)+6h2(g)
其中，g表示氣態，s表示固態。
藉由cvd或pecvd，可於矽襯底上形成厚度為20-5000nm的氮化矽層。
將上述具有氮化矽薄膜的矽片與多晶矽碎塊置於坩堝中，導入氬氣，並於1900-2000℃(即高於氮化矽熔點之溫度)下進行充分混合熔合，以形成熔體。隨後將熔體溫度降低，使矽熔體表面中心區域的溫度為約1400℃(即矽熔點溫度)。
對坩堝及其內的熔體施加磁場，較佳是施加超導體傾斜磁場。該磁場的磁力線方向與該熔體液面呈0至45度夾角、或45至90度夾角；其中，以0至10度夾角、或80至90度夾角為最佳。該磁場強度為1000至5000高斯(gauss)。
進行晶種熔接，並以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；在放肩步驟中降低拉速，維持一個線性降溫速率，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟；待單晶矽錠直徑生長至預定要求後，迅速向上提升拉晶速率，及時降溫，同時停止線性降溫，給予坩堝上升速率，根據單晶矽錠直徑變化率速度，緩慢調節拉速，待單晶矽錠直徑相對穩定後，以自動等徑控工藝序監控後續程序。
以本發明的方法，能夠較精確地控制單晶矽棒中的摻氮濃度，並達成良好的摻氮均勻性。依據本方法所產生的單晶矽棒或矽晶片中，所含氮原子濃度是在1×1013至1×1016/立方公分的範圍內。
對前述所得的氮摻雜單晶矽片進行高溫退火(rta)步驟，可消除該矽片表面層深度為約0.5微米(μm)範圍內之晶體原生顆粒(crystaloriginatedparticle，cop)缺陷。可將該表面層的cop密度減少至約50％或更少。且所得矽片表面也沒有容積微缺陷(bulkmicrodefect，bmd)。
上述特定實施例之內容是為了詳細說明本發明，然而，該等實施例是僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下針對本發明所進行之各種變化或修改是落入本發明之一部分。