本發(fā)明系關(guān)于硅晶體的生長方法，尤其是關(guān)于單晶硅的生長方法。
背景技術(shù)：
在柴氏拉晶法(czochralskimethod)(以下有時(shí)稱直拉法)的單晶硅生長過程中，由于石英坩堝的熔解，會(huì)使得部分氧進(jìn)入單晶硅中，這些氧主要存在于硅晶格的間隙位置。當(dāng)間隙氧的濃度超過氧在硅中的溶解度時(shí)即發(fā)生沉淀，從而形成單晶硅中常見的氧沉淀缺陷，進(jìn)而對集成電路裝置造成損害。
內(nèi)質(zhì)吸除(intrinsicgettering)技術(shù)，即，藉由一定程序于硅片內(nèi)形成高密度氧沉淀，而可在該硅片表面形成一定深度的無缺陷的潔凈區(qū)，該潔凈區(qū)則可應(yīng)用于制造裝置。然而，隨著超大規(guī)模集成電路(ulsi)的發(fā)展，特征尺寸越來越小，必須降低單晶硅中的氧濃度以避免于裝置的有源區(qū)中形成缺陷。另外，由于目前集成電路工藝的熱預(yù)算顯著降低，因此無法充分符合于硅片體內(nèi)形成氧沉淀的條件，從而影響內(nèi)質(zhì)吸除的效果。
可藉由在直拉單晶硅中摻氮以解決上述問題。氮能夠促進(jìn)直拉單晶硅中的氧沉淀，進(jìn)而增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)吸除效果。摻氮亦可提高硅片機(jī)械強(qiáng)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)研究氧沉淀分布情況，研究結(jié)果表示，在摻氮濃度合適的300mm摻氮直拉硅片經(jīng)過一步高溫退火后，可形成高密度的氧沉淀，并于硅片近表面處形成一定寬度的潔凈區(qū)；此外，隨著氮濃度的增加，硅片中的氧沉淀徑向分布更為均勻。
業(yè)界一般系以固相摻氮，例如采用氮化硅(si3n4)粉末，進(jìn)行單晶硅摻氮，此法可較精確地控制摻氮濃度，但高純度氮化硅(si3n4)粉末難以獲得，且常因熔解困難而殘留si3n4顆粒，而難以達(dá)成單晶硅的無位錯(cuò)生長。業(yè)界亦采用氣相摻氮，系于晶種熔接后導(dǎo)入高純度氮?dú)饣虻?氬混合氣體，藉由氮?dú)鈱?dǎo)入時(shí)間以控制硅晶體摻氮濃度。氣相摻氮系藉由氮?dú)馀c硅熔體反應(yīng)而達(dá)成摻氮，純度 較高，且反應(yīng)形成的氮化硅較不易顆?；?，然而，由于完全依靠熱對流進(jìn)行反應(yīng)，工藝不易控制且摻氮濃度較不均勻。據(jù)此，對于單晶硅的制造方法仍有其需求。
另一方面，使用氫氣形成鈍化層在半導(dǎo)體裝置制造領(lǐng)域已經(jīng)是被廣為所知并且常用的技術(shù)手段。在氫鈍化過程中，能夠去除缺陷對半導(dǎo)體裝置的影響。例如，該種缺陷被描述為復(fù)合或者半導(dǎo)體裝置中心的活性成分。這些中心是由懸掛鍵造成，該懸掛鍵能夠去除電荷載體或者引入不必要的電荷載體，這部分主要取決于偏壓。而懸掛鍵主要發(fā)生在表面或裝置的接口，同時(shí)其也能夠發(fā)生在空缺、微孔隙等處，其也與雜質(zhì)相關(guān)。
在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中，還存在由熱載流子引起的裝置性能下降的問題。該問題在小尺寸裝置及高壓裝置中尤其重要。當(dāng)使用高壓裝置時(shí)，信道內(nèi)的載流子具有較大的能量能夠穿透進(jìn)入絕緣層，從而使裝置的性能變差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明系提供一種單晶硅的生長方法，是以柴氏拉晶法，將置于坩堝內(nèi)的硅原料熔化而形成熔體，并提拉該熔體而使單晶硅生長的方法，其中，該硅原料包括表面生長氮化硅并摻雜氘之硅片及多晶硅碎塊；在形成熔體時(shí)通入包括氬氣的氣體；以及在提拉步驟中施加磁場。
本發(fā)明亦提供一種制備晶圓的方法，包括以前述方法所制得的單晶硅錠為原料制備該晶圓，其中，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系表示本發(fā)明的單晶硅生長方法的流程。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的單晶硅的生長方法是以柴氏拉晶法(又稱直拉法)為基礎(chǔ)，以固相摻氮配合磁場直拉單晶法(magneticfield-czochralskimethod，mcz)進(jìn)行硅單晶的制備。簡言之，柴氏拉晶法為將置于坩堝內(nèi)的硅原料熔化而形成熔體，并提拉該熔體而使單晶硅生長的方法。本發(fā)明中，該硅原料包括表面生長氮化 硅并摻雜氘的硅片及多晶硅碎塊；在形成熔體時(shí)通入包括氬氣的氣體；以及，在提拉步驟中施加磁場。
本發(fā)明的硅原料系包括硅片及多晶硅碎塊，其中，該硅片的表面系具有氮化硅生長及氘的摻雜。實(shí)施例中，該氮化硅可以采用化學(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition)或等離子體化學(xué)氣相沉積法(plasmachemicalvapordeposition)生長，且該氮化硅的厚度為20-5000nm。
該硅片系于表面生長氮化硅后，接著，以離子注入法摻雜氘離子。在一實(shí)施例中，該離子注入法的注入能量范圍為1kev至800kev，且劑量為1×1012至1×1018離子/cm2。
本發(fā)明中，該磁場的強(qiáng)度為1000至5000高斯(gauss)。
實(shí)施例中，該磁場為超導(dǎo)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(shí)際需求調(diào)整該夾角的角度。在較佳實(shí)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(fā)明的單晶硅生長方法的詳細(xì)步驟包括：將表面生長氮化硅并摻雜氘的硅片、及多晶硅碎塊共同置于石英坩堝中，以預(yù)定溫度熔化；施加磁場；進(jìn)行引晶步驟：采用晶種以預(yù)定拉晶速率向上拉晶，至細(xì)晶長度達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，降低拉晶速率進(jìn)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(xì)晶生長成預(yù)定直徑的單晶硅錠后，進(jìn)入轉(zhuǎn)肩等徑步驟；以及轉(zhuǎn)肩及等徑步驟：待該單晶硅錠直徑達(dá)預(yù)定后，立即提高拉晶速率并及時(shí)降溫，同時(shí)停止該線性降溫，控制坩堝上升速率，并根據(jù)該單晶硅錠的直徑變化率的速度，緩慢調(diào)節(jié)拉晶速率，使該單晶硅錠的直徑維持穩(wěn)定，并繼續(xù)生長；待該單晶硅錠直徑相對穩(wěn)定后，以自動(dòng)等徑控工藝序進(jìn)行監(jiān)控。
實(shí)施例中，該單晶硅錠的直徑系由該拉晶速率和該預(yù)定溫度所控制。
實(shí)施例中，該硅原料為生長有氮化硅薄膜并摻雜氘的硅片與多晶硅碎塊，該等硅原料系于超過氮化硅熔點(diǎn)溫度(即，大于1900℃)下充分混合及熔解。隨后降低該熔體溫度，進(jìn)行晶種熔接，此時(shí)該熔體表面中心區(qū)域的溫度即為硅熔點(diǎn)溫度，接著可進(jìn)行固相摻氮拉晶生長。藉此可較精確地控制硅單晶的摻氮濃度以及達(dá)成良好的摻氮均勻性。
本發(fā)明亦提供一種制備晶圓的方法，包括以如前述方法所制得的單晶硅錠為原料制備該晶圓，其中，該晶圓包含濃度為1×1013至1×1016/立方公分(cubiccentimeter)的氮原子。
實(shí)施例中，該晶圓包含濃度為1×1012至1×1018/立方公分的氘原子。
實(shí)施例中，將該單晶硅錠進(jìn)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(shí)施例
以下將結(jié)合示意圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，應(yīng)理解具本領(lǐng)域通常知識者可以對此處描述之本發(fā)明進(jìn)行修改，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)該被理解為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛認(rèn)知，而并非作為對本發(fā)明的限制。
為了清楚，不描述實(shí)際實(shí)施例的全部特征。在下列描述中，不詳細(xì)描述眾所周知的功能和結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈儠?huì)使本發(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實(shí)際實(shí)施例的開發(fā)中，必須做出大量實(shí)施細(xì)節(jié)以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個(gè)實(shí)施例改變?yōu)榱硪粋€(gè)實(shí)施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費(fèi)時(shí)間的，但是對于具本領(lǐng)域通常知識者來說僅僅是常規(guī)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(fā)明。根據(jù)下面的說明和申請專利范圍，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，圖式均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
本發(fā)明系采用固相摻氮加磁場直拉單晶法(mcz)進(jìn)行硅單晶摻氮。其程序步驟大致包括：熔化、引晶、拉晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑。參照圖1，是說明本發(fā)明的單晶硅生長方法的一實(shí)施例，包括：
s100：將硅原料置于石英坩堝中，以預(yù)定溫度熔化，其中該硅原料包括表面生長氮化硅并摻雜氘的硅片及多晶硅碎塊；
s200：施加磁場；
s300：引晶步驟：采用晶種以預(yù)定拉晶速率向上拉晶，至細(xì)晶達(dá)到預(yù)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(xì)晶生長成預(yù)定直徑的單晶硅錠；以及
s500：轉(zhuǎn)肩及等徑步驟：待該單晶硅錠直徑達(dá)預(yù)定后，立即提高拉晶速率并及時(shí)降溫，同時(shí)停止該線性降溫，使該單晶硅錠的直徑維持穩(wěn)定，并繼續(xù)生長。
本發(fā)明的固相摻氮系以表面生長有氮化硅薄膜的硅片作為硅原料，而制備電子級的氮化硅薄膜，可于硅襯底上進(jìn)行氣相沉積獲得，例如：在相對高溫下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(cvd)，或，在溫度相對較低的低壓條件下進(jìn)行等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(pecvd)。其反應(yīng)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(tài)，s表示固態(tài)。
藉由cvd或pecvd，可于硅襯底上形成厚度為20-5000nm的氮化硅層。
將上述具有氮化硅薄膜的硅襯底進(jìn)行氘離子注入，注入能量范圍為1kev至800kev，且劑量為1×1012至1×1018離子/cm2。
將上述具有氮化硅薄膜的硅片與多晶硅碎塊置于坩堝中，導(dǎo)入氬氣，并于1900-2000℃(即高于氮化硅熔點(diǎn)的溫度)下進(jìn)行充分混合熔合，以形成熔體。隨后將熔體溫度降低，使硅熔體表面中心區(qū)域的溫度為約1400℃(即硅熔點(diǎn)溫度)。
對坩堝及其內(nèi)的熔體施加磁場，較佳系施加超導(dǎo)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(qiáng)度為1000至5000高斯(gauss)。
進(jìn)行晶種熔接，并以預(yù)定拉晶速率向上拉晶，待細(xì)晶長度達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，降低拉晶速率進(jìn)入放肩步驟；在放肩步驟中降低拉速，維持一個(gè)線性降溫速率，形成預(yù)定直徑的單晶硅錠后，進(jìn)入轉(zhuǎn)肩等徑步驟；待單晶硅錠直徑生長至預(yù)定要求后，迅速向上提升拉晶速率，及時(shí)降溫，同時(shí)停止線性降溫，給予坩堝上升速率，根據(jù)單晶硅錠直徑變化率速度，緩慢調(diào)節(jié)拉速，待單晶硅錠直徑相對 穩(wěn)定后，以自動(dòng)等徑控工藝序監(jiān)控后續(xù)程序。
以本發(fā)明的方法，能夠較精確地控制單晶硅棒中的摻氮濃度及摻氘濃度，并達(dá)成良好的摻雜均勻性。依據(jù)本方法所產(chǎn)生的單晶硅棒或硅芯片中，所含氮原子濃度系在1×1013至1×1016/立方公分的范圍內(nèi)，所含氘原子濃度系在1×1012至1×1018/立方公分的范圍內(nèi)。
對前述所得的氮摻雜單晶硅片進(jìn)行高溫退火(rta)步驟，可消除該硅片表面層深度為約0.5微米(μm)范圍內(nèi)的晶體原生顆粒(crystaloriginatedparticle，cop)缺陷。可將該表面層的cop密度減少至約50％或更少。且所得硅片表面也沒有容積微缺陷(bulkmicrodefect，bmd)。
在熔融狀的硅中加入氘原子，可使氘原子存儲于單晶硅錠之間隙中，同時(shí)可降低氧及碳雜質(zhì)之含量。又，以此方法所得單晶硅錠制備為晶圓，當(dāng)在該晶圓上形成裝置時(shí)，氘原子能夠擴(kuò)散出，并與閘介電層與半導(dǎo)體接口處的懸掛鍵進(jìn)行結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而避免熱載流子的穿透，降低漏電流，提高裝置的性能與可靠性。
上述特定實(shí)施例之內(nèi)容系為了詳細(xì)說明本發(fā)明，然而，該等實(shí)施例系僅用于說明，并非意欲限制本發(fā)明。熟習(xí)本領(lǐng)域之技藝者可理解，在不悖離后附申請專利范圍所界定之范疇下針對本發(fā)明所進(jìn)行之各種變化或修改系落入本發(fā)明之一部分。