本發(fā)明涉及一種外延涂布的半導(dǎo)體晶圓(wafer)，包含由單晶硅構(gòu)成的襯底晶圓、在襯底晶圓的正面上由硅構(gòu)成的拋光外延層、從拋光外延層延伸到襯底晶圓中的潔凈區(qū)(denudedzone)以及鄰近潔凈區(qū)并具有bmd核的區(qū)域。本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的方法。

潔凈區(qū)是外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的近表面區(qū)域，其中不形成被稱作bmd(bulkmicrodefect，體內(nèi)微缺陷)的氧沉淀物。所述區(qū)域從外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的上側(cè)表面延伸到主體中。潔凈區(qū)通常作為用于容納電子部件的位置提供。

潔凈區(qū)與延伸到半導(dǎo)體晶圓主體中并且其中存在bmd核的另外的區(qū)域相鄰。bmd核通過(guò)熱處理發(fā)展成bmd。bmd作為內(nèi)部吸著劑(getter)的中心，特別是可以結(jié)合金屬雜質(zhì)。在主要用于在潔凈區(qū)中構(gòu)建電子部件的熱處理過(guò)程中bmd核也可發(fā)展成bmd。

一種趨勢(shì)追求的目標(biāo)是盡可能近地鄰近潔凈區(qū)提供最高可能密度的bmd。另一個(gè)趨勢(shì)追求的目標(biāo)是將潔凈區(qū)的深度限制于容納電子部件必需的量。

已知在具有氮化作用的氣氛中半導(dǎo)體晶圓的瞬時(shí)快速加熱和冷卻注入空位并且空位的存在支持半導(dǎo)體晶圓主體中的bmd核的成核。通過(guò)瞬時(shí)快速加熱和冷卻的熱處理也稱作rta(rapidthermalanneal，快速熱退火)處理。

us2002/0127766a1描述了一種用于生產(chǎn)半導(dǎo)體晶圓的方法，所述晶圓由包括拋光外延層、潔凈區(qū)和具有bmd核的區(qū)域的單晶硅構(gòu)成。該方法包括在沉積外延層之后的rta處理。

rta處理(特別是施用于外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的rta處理)造成與引起晶格滑移問(wèn)題相關(guān)的熱負(fù)荷。此外，rta處理還增加了外延層表面的粗糙度。通常，afm(原子力顯微鏡)測(cè)定的rms粗糙度升高，并且檢測(cè)到被稱作lls缺陷(localizedlightscatterer，局部光散射體)的相對(duì)高數(shù)目的散射光中心，其中這些缺陷的密度在外延層表面的邊緣區(qū)域中特別高。

us2002/0022351a1提出了在沉積外延層之前在氯化氫氣體和硅烷源的存在下對(duì)襯底晶圓表面進(jìn)行光滑化。然而，該方法對(duì)其沉積之后損害外延層表面粗糙度的過(guò)程沒(méi)有影響。

因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的方法，該方法提供一種外延涂布的半導(dǎo)體晶圓，其由具有關(guān)于潔凈區(qū)和bmd核以及外延層表面粗糙度的特定性能的硅構(gòu)成。

該目的通過(guò)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓實(shí)現(xiàn)，所述半導(dǎo)體晶圓包含

由單晶硅構(gòu)成的具有正面且具有背面的襯底晶圓；

在襯底晶圓的正面上由硅構(gòu)成的具有拋光表面的外延層，其中拋光表面具有相對(duì)于面積為10μm×10μm的測(cè)量窗不大于0.055nm的rms粗糙度；

從外延層的拋光表面向襯底晶圓的背面延伸遠(yuǎn)至一定深度的潔凈區(qū)，所述深度在半導(dǎo)體晶圓的中心和邊緣之間不小于6μm且不大于14μm；和

鄰近潔凈區(qū)且具有可以發(fā)展成bmd的bmd核的區(qū)域，bmd在離外延層的拋光表面不超過(guò)70μm的距離處具有不小于3.5×10⁹cm^-3的峰密度。

在外延層表面的中心區(qū)域和表面的邊緣區(qū)域之間在面積為10μm×10μm的測(cè)量窗口中通過(guò)afm確定的的rms粗糙度之差相對(duì)于中心區(qū)域的粗糙度優(yōu)選為不大于5％。

例如通過(guò)對(duì)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的沉淀-熱兩階段處理，在750至850℃的溫度下持續(xù)1至4小時(shí)(第一階段)，和在950℃至1050℃的溫度下持續(xù)8至20小時(shí)(第二階段)，使bmd核發(fā)展成bmd。然而，也可以通過(guò)與主要用于構(gòu)建電子部件目的而進(jìn)行的相當(dāng)?shù)耐庋油坎嫉陌雽?dǎo)體晶圓熱處理使bmd核發(fā)展成bmd。

襯底晶圓優(yōu)選地具有至少300mm的直徑，并且優(yōu)選由摻雜的單晶硅組成。摻雜劑是n型的，例如磷，或是p型的，例如硼。在n型摻雜的情況下?lián)诫s度優(yōu)選為n^-，在p型摻雜的情況下，優(yōu)選為p⁺，在n型摻雜的情況下，對(duì)應(yīng)于5-80ωcm的電阻率，在p型摻雜的情況下，對(duì)應(yīng)于5-20mωcm、優(yōu)選10-20mωcm的電阻率。

由單晶硅構(gòu)成的外延沉積并拋光的層覆蓋襯底晶圓的正面。正面是襯底晶圓的上側(cè)表面；背面是襯底晶圓的下側(cè)表面。外延沉積層優(yōu)選同樣地被摻雜，特別優(yōu)選以涉及n/n^-或p/p⁺外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的方式。在未拋光狀態(tài)下，外延沉積層的厚度優(yōu)選為不小于1μm且不大于12μm。

由于用于生產(chǎn)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的下述方法的實(shí)施，bmd核或已發(fā)展成的bmd在半導(dǎo)體晶圓的厚度方向上的分布是不對(duì)稱的。潔凈區(qū)的深度不小于6μm且不大于14μm。在這種情況下，bmd核或已發(fā)展成的bmd的密度以高上升速率上升到峰密度，并且不太陡峭地下降到遠(yuǎn)至襯底晶圓背面的保持實(shí)際上不變的水平。在將bmd核發(fā)展成bmd之后，半導(dǎo)體晶圓的中心和邊緣之間半徑上的bmd的峰密度不小于3.5×10⁹cm^-3，并且在離外延層的拋光表面不大于70μm的距離處。在將bmd核發(fā)展成bmd之后，在離外延層的拋光表面50μm的距離處的bmd的密度優(yōu)選不小于峰密度的70％。已發(fā)展成的bmd的從離外延層的拋光表面200μm的距離處遠(yuǎn)至襯底晶圓背面的密度優(yōu)選不大于峰密度的60％。

本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的方法，其包括

提供由單晶硅構(gòu)成具有正面且具有背面的的襯底晶圓；

在襯底晶圓的正面上沉積由硅構(gòu)成的外延層；

用氧化劑處理外延層；

在不低于1160℃且不高于1185℃的溫度范圍內(nèi)的溫度下對(duì)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行rta處理歷時(shí)不小于15秒且不超過(guò)30秒，其中將外延層暴露于由氬和氨組成的氣氛中，并且在外延層上形成氮氧化物層；

去除氮氧化物層；和

將外延層拋光。

所需的襯底晶圓的合適來(lái)源是由硅構(gòu)成的單晶，特別是，其是根據(jù)cz方法提拉的。在所述方法中，使硅在由石英組成的坩堝中熔化，并且單晶在浸入所得熔體中并成長(zhǎng)的種晶的末端生長(zhǎng)。坩堝材料部分地被熔體溶解，以這種方式提供后來(lái)用于發(fā)展bmd所需的氧。

將襯底晶圓與多個(gè)另外的襯底晶圓一起從單晶切片，并進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)和化學(xué)機(jī)械加工步驟，優(yōu)選為了獲得其正面和背面盡可能平坦且彼此平行的襯底晶圓。特別優(yōu)選具有正面和背面的襯底晶圓，其中至少正面處于拋光狀態(tài)，并且在正面和背面之間具有同樣拋光的邊緣。

根據(jù)newastm使用校準(zhǔn)因子，襯底晶圓包含濃度優(yōu)選不小于4.5×10¹⁷原子/cm³、優(yōu)選不大于7.0×10¹⁷原子/cm³的晶格間氧。元素碳和氮可以存在于襯底晶圓中，但優(yōu)選不是以通常只有通過(guò)有意添加這些元素才能實(shí)現(xiàn)的濃度。因此，碳的濃度優(yōu)選不超過(guò)8.0×10¹⁵原子/cm³，氮的濃度優(yōu)選不超過(guò)1.0×10¹²原子/cm³。雖然有意添加所提到的元素可能有助于bmd核的形成，但是為了限制形成堆垛層錯(cuò)(stackingfaults，osf缺陷)的可能性并且為了不損害襯底晶圓的電性質(zhì)，不應(yīng)該這樣進(jìn)行。

襯底晶圓的拋光正面是外延涂布的，優(yōu)選通過(guò)cvd(化學(xué)氣相沉積)并優(yōu)選在單晶圓反應(yīng)器中進(jìn)行。襯底晶圓在單晶圓反應(yīng)器中的涂布可以已知的方式進(jìn)行，例如如us2010/0213168a1中所述。優(yōu)選的沉積氣體包含三氯硅烷作為硅源。沉積溫度優(yōu)選不低于1110℃且不超過(guò)1180℃，特別優(yōu)選1130℃。此外，沉積氣體優(yōu)選包含n型或p型摻雜劑。沉積的外延層的厚度優(yōu)選不小于1μm且不大于12μm。該方法步驟的結(jié)果是由單晶硅構(gòu)成的外延涂布的半導(dǎo)體晶圓。

為了準(zhǔn)備rta處理，優(yōu)選清潔所述半導(dǎo)體晶圓并且用氧化外延層的暴露表面的氧化劑處理外延沉積層。所得氧化物層的厚度大于天然氧化物的厚度。優(yōu)選地，進(jìn)行rca清潔，包括首先用包含氫氧化銨、過(guò)氧化氫和水的sc-1清潔溶液，然后用包含氯化氫、過(guò)氧化氫和水的sc-2清潔溶液處理半導(dǎo)體晶圓。外延沉積層的后續(xù)氧化處理優(yōu)選使用臭氧作為氧化劑進(jìn)行。

氧化之后的外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的rta處理包括將所述晶圓快速加熱至不低于1160℃且不超過(guò)1185℃的溫度范圍內(nèi)的溫度、優(yōu)選達(dá)1170℃的溫度，并將外延涂布的半導(dǎo)體晶圓在該溫度下保持不小于15秒且不超過(guò)30秒的時(shí)間。外延涂布的半導(dǎo)體晶圓從起始溫度(其優(yōu)選在550℃至650℃的范圍內(nèi))以優(yōu)選不低于20℃/s且不超過(guò)100℃/s的升溫速率加熱。特別優(yōu)選在35-75℃/s范圍內(nèi)的升溫速率。

為了避免發(fā)生滑移，rta處理溫度應(yīng)盡可能低。因此，rta處理以這樣的方式進(jìn)行，用氧化劑處理的外延層暴露于由氬和氨的混合物組成的氣氛中。氬與氨的比率優(yōu)選為10:1至24:1，特別優(yōu)選為20：1。在這種氣氛中，預(yù)期的空位注入可以在比氮?dú)鈿夥罩械偷臏囟认乱l(fā)。

為了通過(guò)rta處理使外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的負(fù)載最小化，優(yōu)選在rta處理期間外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的背面且因此襯底晶圓的背面在rta處理溫度下暴露于沒(méi)有任何氮化作用的或幾乎沒(méi)有任何氮化作用的氣氛。合適的氣氛優(yōu)選由氮?dú)饨M成。該措施額外地減少了產(chǎn)生滑移的風(fēng)險(xiǎn)。

在rta處理結(jié)束時(shí)，外延涂布的半導(dǎo)體晶圓被快速冷卻，優(yōu)選冷卻至不高于500℃的溫度。為此，關(guān)閉rta裝置的輻射加熱就足夠了。

由于在由氬和氨組成的氣氛中對(duì)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行rta處理，在外延層上由氧化物層形成包含氮氧化硅的層且在下文被稱作氮氧化物層。優(yōu)選通過(guò)蝕刻去除氮氧化物層。優(yōu)選使用包含不少于0.8％且不超過(guò)2.0％氟化氫的含水蝕刻劑作為蝕刻劑。由于正面的粗糙度會(huì)增加并且會(huì)因此產(chǎn)生顆粒，因此不提供通過(guò)拋光來(lái)除去氮氧化物層。

僅在已經(jīng)除去氮氧化物層之后才拋光外延沉積層。材料去除不小于0.05μm且不大于0.2μm的化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)是優(yōu)選的，并且可以通過(guò)使用例如由appliedmaterialsinc.提供的拋光工具來(lái)進(jìn)行。在cmp之后，外延涂布的半導(dǎo)體晶圓有利地進(jìn)行最終清潔。

此外，優(yōu)選的是，在去除氮氧化物層之后且在cmp之前，首先清潔外延涂布的半導(dǎo)體晶圓，然后用氧化劑、優(yōu)選用臭氧處理。再次特別優(yōu)選的是包括首先用sc-1清潔溶液然后用sc-2清潔溶液處理半導(dǎo)體晶圓的rca清潔。

以下基于實(shí)施例并參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。

提供由直徑為300mm的單晶硅構(gòu)成的雙側(cè)拋光的襯底晶圓。根據(jù)實(shí)施例b1的襯底晶圓包含濃度為6.1×10¹⁷至6.7×10¹⁷原子/cm³(newastm)的晶格間氧(interstitialoxygen)，并且為p型摻雜的，電阻率為18至19.5mωcm。根據(jù)實(shí)施例b2的襯底晶圓包含濃度為5.3×10¹⁷原子/cm³至5.6×10¹⁷原子/cm³(newastm)的晶格間氧，并且為n型摻雜的，電阻率為29至30ωcm。使用根據(jù)本發(fā)明的一系列方法步驟處理襯底晶圓以形成具有拋光外延層的半導(dǎo)體晶圓。外延沉積層的厚度分別為4μm(實(shí)施例b1)和9μm(實(shí)施例b2)。根據(jù)實(shí)施例b1的半導(dǎo)體晶圓是p/p⁺外延涂布的半導(dǎo)體晶圓，根據(jù)實(shí)施例b2的半導(dǎo)體晶圓是n/n^-外延涂布的半導(dǎo)體晶圓。外延沉積層的電阻率在29-30ωcm范圍內(nèi)。

在所有半導(dǎo)體晶圓的情況下，rta處理的溫度為1175℃，在該溫度下的rta處理的持續(xù)時(shí)間分別為15秒和25秒(實(shí)施例b1)和15秒、25秒和30秒(實(shí)施例b2)。將所有的半導(dǎo)體晶圓以75℃/s的升溫速率加熱到1175℃的溫度，并在該溫度下在比率為20:1的氬和氨的氣氛中處理外延沉積層。此后，半導(dǎo)體晶圓以35℃/s的降溫速率冷卻。

在rta處理之后，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步處理半導(dǎo)體晶圓以形成具有拋光的外延層的半導(dǎo)體晶圓，并且隨后進(jìn)行熱處理以發(fā)展bmd。該熱處理在氮?dú)庀逻M(jìn)行，并且包括經(jīng)3小時(shí)的時(shí)間將半導(dǎo)體晶圓首先加熱至800℃的溫度，隨后經(jīng)16小時(shí)的時(shí)間加熱到1000℃的溫度。使用來(lái)自raytexcorporation的mo441型檢測(cè)儀器通過(guò)在斷裂邊緣處的激光散射進(jìn)行bmd檢測(cè)。

關(guān)于確定的潔凈區(qū)深度和確定的bmd密度的數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1。數(shù)據(jù)具有以下含義：

“hz”表示在rta處理溫度下rta處理的持續(xù)時(shí)間；

“dz1av.”是指在半導(dǎo)體晶圓半徑上平均的潔凈區(qū)深度；

“bmdav.”是指在半導(dǎo)體晶圓半徑上平均的bmd密度；

“bmd峰”是指在半導(dǎo)體晶圓中心確定的bmd的峰密度；和

“bmd50μm”是指在半導(dǎo)體晶圓的徑向中心50μm深度處發(fā)現(xiàn)的bmd的密度。

表1

表1中關(guān)于“dzav.”的數(shù)據(jù)表明，潔凈區(qū)的深度隨著rta處理的持續(xù)時(shí)間的增加而減小，關(guān)于“bmd50μm”的數(shù)據(jù)表明，隨著rta處理的持續(xù)時(shí)間增加，相對(duì)于在50μm深度處的峰密度的差異變得越來(lái)越小。實(shí)際上在所有情況下，潔凈區(qū)的深度至少對(duì)應(yīng)于外延層的厚度。

圖1到圖3以代表性的方式示出了根據(jù)實(shí)施例b1的半導(dǎo)體晶圓在徑向中心(r＝0mm)、半徑r＝75mm和半徑r＝140mm的bmd的深度分布

表2

表2包含相對(duì)于面積為10μm×10μm的測(cè)量窗的rms粗糙度的值。數(shù)據(jù)表明，如果根據(jù)本發(fā)明去除氮氧化物層，則特別是在外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的邊緣區(qū)域中的rms粗糙度得到改善。標(biāo)準(zhǔn)偏差σ不大于5％。

根據(jù)本發(fā)明的氮氧化物層的去除對(duì)于在拋光外延層之后在拋光表面上發(fā)現(xiàn)的lls缺陷的數(shù)目也是特別有利的。表3包含關(guān)于散射光中心數(shù)目的指示，這些散射光中心在rta處理之前和在cmp之后在兩個(gè)外延涂布的半導(dǎo)體晶圓的外延層表面上發(fā)現(xiàn)且尺寸為120nm或更大。根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)生產(chǎn)了半導(dǎo)體晶圓之一，而另一個(gè)以幾乎相同的方式，但沒(méi)有去除氮氧化物層。

表3