專利名稱：：硅半導(dǎo)體晶片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及通過對(duì)在半導(dǎo)體晶片制造
技術(shù)領(lǐng)域：
中剛剛由硅單晶錠切割下的在儲(chǔ)存中未經(jīng)熱處理的硅晶片實(shí)施熱處理而得到的硅晶片(以下稱作"基材")，特別是對(duì)于通過抑制滑移位錯(cuò)及翹曲的產(chǎn)生而在半導(dǎo)體器件形成區(qū)域內(nèi)不包含晶體缺陷的高品質(zhì)硅晶片，以及其制造方法。
背景技術(shù)：
：用作半導(dǎo)體器件等的基材的硅晶片是通過切割硅單晶錠、對(duì)切割的錠實(shí)施熱處理、鏡面拋光等步驟而制造的。該硅單晶錠的制造方法例如是Czochralski法(CZ法)。CZ法由于容易獲得大直徑的單晶錠，或者缺陷的控制相對(duì)容易，所以占據(jù)了硅單晶錠制造的大部分。由CZ法拉伸的硅單晶(CZ硅)包括稱作"生長(zhǎng)(grownin)缺陷"的晶體缺陷。CZ硅吸入晶格中過飽和狀態(tài)的氧，但該過飽和的氧(氧析出物)導(dǎo)致在隨后實(shí)施的熱處理(退火)中誘發(fā)稱作"BMD"(塊體微缺陷)的微小缺陷。為了在硅晶片上形成半導(dǎo)體器件，要求在半導(dǎo)體器件形成區(qū)域內(nèi)不存在晶體缺陷。這是因?yàn)槿粼趹?yīng)當(dāng)形成電路的表面內(nèi)存在晶體缺陷，則由缺陷部分導(dǎo)致電路斷路等。同時(shí)要求硅晶片內(nèi)部存在適當(dāng)量的BMD。BMD用于吸收金屬雜質(zhì)等。金屬雜質(zhì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生故障。為了滿足以上要求，采用對(duì)硅晶片實(shí)施高溫退火以在硅晶片內(nèi)部誘發(fā)BMD而形成IG(內(nèi)在吸收)層并且減少存在于硅晶片表面內(nèi)的生長(zhǎng)缺陷以形成無限制地減少晶體缺陷的DZ(剝?nèi)^(qū)域)層的技術(shù)。作為具體的例子，JP-A-10-98047及JP-A-2000-281491建議了用于對(duì)添加氮的基材或者對(duì)添加氮及氫的基材實(shí)施高溫退火以減少基材表面上的生長(zhǎng)缺陷并且在基材內(nèi)部形成包括作為核心的氮的BMD的方法。然而，在前述高溫退火過程中于硅晶片的正反面上形成的DZ層中，由于在熱處理期間氧向外擴(kuò)散，氧濃度極大下降。結(jié)果是由于對(duì)位錯(cuò)缺陷在晶片正反面上延伸的抑制力明顯降低，滑移(位錯(cuò)缺陷)容易地從在退火過程中引入的正反面上的細(xì)小缺陷延伸至塊體內(nèi)，這導(dǎo)致由于該滑移位錯(cuò)的延伸而使硅晶片的強(qiáng)度下降的問題。例如，若硅晶片在由熱處理端點(diǎn)等支撐的狀態(tài)下退火，則滑移位錯(cuò)通常從圍繞晶片背面的支撐部分延伸。存在滑移位錯(cuò)從硅晶片邊緣部分延伸的情況。若硅晶片強(qiáng)度降低，則考慮晶片在制造步驟中被損傷或破壞的情況。然而，DZ層對(duì)于半導(dǎo)體器件的形成是不可避免的，需要具有DZ層且強(qiáng)度特性優(yōu)異的硅晶片。在JP-A-10-98047或JP-A-2000-281491所述的現(xiàn)有技術(shù)中，沒有注意到硅晶片強(qiáng)度的下降，由該方法制造的硅晶片無法阻止滑移位錯(cuò)的延伸。同時(shí)，為了阻止產(chǎn)生該滑移位錯(cuò)，已有人建議用于產(chǎn)生高密度BMD的方法。具體而言，JP-A-2006-40980建議了硅晶片制造方法，其中通過在氮?dú)馀c惰性氣體的混合氣體或者氨氣與惰性氣體的混合氣體氣氛中、在500至120(TC的溫度下、在1至600分鐘的時(shí)間內(nèi)對(duì)由硅單晶錠切割下的基材實(shí)施溫度迅速升高/下降的熱處理，而在BMD層內(nèi)形成1x101()個(gè)原子/cm3或更多的量的尺寸為20nm或更小的氧析出物核心。JP-A-08-213403也建議了其中通過重復(fù)若干次熱處理步驟產(chǎn)生具有1x10"個(gè)原子/(W至1x1012個(gè)原子/謡3的高濃度的BMD的硅晶片。然而，由于近年來硅晶片直徑增大，通常使用快速熱退火儀(RTA)以實(shí)施溫度迅速升高/下降的熱處理，除了產(chǎn)生滑移位錯(cuò)以外，晶片內(nèi)產(chǎn)生的翹曲也成為問題。圖1所示為由RTA熱處理引入的滑移及翹曲的示意圖?；剖怯删趁媾c晶片支撐部分之間的接觸點(diǎn)引入的。引入的滑移在110方向上延伸，這導(dǎo)致晶片在某些情況下被損傷或破壞。翹曲是晶片由于RTA熱處理期間的熱應(yīng)變而發(fā)生變形的現(xiàn)象。例如在晶片的100平面內(nèi)，出現(xiàn)山形部分及谷形部分，如圖1所示。在運(yùn)輸階段中硅晶片的翹曲等于或小于10^m。然而，若對(duì)硅晶片實(shí)施諸如RTA的熱處理，則出現(xiàn)山與谷之間的高度差達(dá)到幾十微米的情況。若翹曲變大，則半導(dǎo)體器件圖案無法在晶片表面上正確曝光，這導(dǎo)致半導(dǎo)體器件產(chǎn)量的下降。除了滑移以外，高密度的位錯(cuò)存在于其中產(chǎn)生大的翹曲的硅晶片內(nèi)部。有人認(rèn)為這導(dǎo)致翹曲。若晶片直徑變?yōu)榈扔诨虼笥?00mm，則翹曲的問題變得顯著，而且該問題不可能僅通過簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)BMD濃度至如上所述的高濃度來避免。在該技術(shù)背景下，對(duì)于在器件制造過程中抑制滑移位錯(cuò)及翹曲的產(chǎn)生的半導(dǎo)體器件形成區(qū)域內(nèi)不包含晶體缺陷的高品質(zhì)硅晶片及其制造技術(shù)的要求增加。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供其中滑移位錯(cuò)及翹曲均被抑制得極小且適合于直徑增大的高品質(zhì)硅晶片及其制造方法。本發(fā)明的發(fā)明人廣泛地研究了BMD尺寸分布、滑移位錯(cuò)及翹曲之間的關(guān)系，從而可以制造滿足前述要求的優(yōu)異的硅晶片。結(jié)果是，本發(fā)明的發(fā)明人指出了用于阻止滑移位錯(cuò)及翹曲的最佳BMD尺寸分布，并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。本發(fā)明涉及以下(1)至(10)。(1)硅晶片，其中存在于與硅晶片表面的距離等于或大于20的深位置處的尺寸為20nm至40nm的BMD的密度在5x10"/cmS至5x103/cm3的范圍內(nèi)，尺寸為300nm或更大的BMD的密度等于或小于1x107/cm3。(2)如以上(1)所述的硅晶片，其包含氮。(3)如以上(1)或(2)所述的硅晶片，其包含氫。(4)如以上(1)至(3)之一所述的硅晶片的制造方法，其包括在保持硅單晶生長(zhǎng)期間晶體中心溫度由IOOO'C改變?yōu)?0(TC的冷卻速率在5'C/分鐘或更大的范圍內(nèi)的情況下生長(zhǎng)硅單晶錠；在40(TC至850'C的溫度下對(duì)從該錠切割下的基材實(shí)施熱處理30分鐘至4小時(shí)之后，在雜質(zhì)濃度為0.5體積％或更少的稀有氣體的氣氛或者在熱處理之后氧化膜厚度被抑制在2nm或更小的非氧化性氣氛中、在IIOO'C至125(TC的溫度下對(duì)該基材實(shí)施熱處理10分鐘至2小時(shí)，作為高溫退火步驟。(5)如以上(4)所述的硅晶片制造方法，其中剛剛從晶體切割下之后的基材的氧濃度在7x1017個(gè)原子/0113至9x1017個(gè)原子/0113的范圍內(nèi)。(6)如以上(4)或(5)所述的硅晶片制造方法，其中剛剛從晶體切割下之后的基材的氮濃度在1x1013個(gè)原子/113至8x10"個(gè)原子/cm3的范圍內(nèi)。(7)如以上(6)所述的硅晶片制造方法，其中由添加氮從而使氮在1x1016個(gè)原子/(^3至1x1019個(gè)原子/113的范圍內(nèi)的熔融體中生長(zhǎng)所述硅單晶錠。(8)如以上(4)至(7)之一所述的硅晶片制造方法，其中剛剛從晶體切割下之后的基材的氫濃度在1x1012個(gè)原子/0!13至5x1016個(gè)原子/cr^的范圍內(nèi)。(9)如以上(8)所述的硅晶片制造方法，其中在連續(xù)引入氫氣從而使氫氣濃度在0.01至3體積％的范圍內(nèi)的氣氛中生長(zhǎng)所述硅單晶錠。(10)如以上(4)至(9)之一所述的硅晶片制造方法，其中在高溫退火之后，通過外延法沉積硅單晶層(外延層)。本發(fā)明的硅晶片，能夠通過以下設(shè)置制造大直徑(通常為200mm或更大)的高品質(zhì)硅晶片存在于與硅晶片表面的距離等于或大于20拜的深位置處的尺寸為20腦至40nm的BMD的密度在5x10"/cr^至5x1013/0113的范圍內(nèi)，尺寸為300nm或更大的BMD的密度等于或小于1x107/cm3，從而將滑移位錯(cuò)及翹曲均抑制得極小。與晶片內(nèi)部不含BMD的鏡面晶片相比，本發(fā)明的硅晶片減少了滑移位錯(cuò)及翹曲的產(chǎn)生，還具有優(yōu)異的吸收能力。圖1為用于解釋由RTA熱處理引入的滑移及翹曲的示意圖。圖2為顯示BMD尺寸分布與滑移/翹曲之間關(guān)系的示意圖，顯示了表1至5給出的結(jié)果。圖2(A)顯示了導(dǎo)致滑移及翹曲的量被抑制為某最小值的BMD尺寸分布，而在(B)至(D)中所示的所有其他的BMD尺寸分布的組合中，滑移與翹曲至少之一的量非期望地高，如各個(gè)滑移/翹曲表中所示(x代表滑移/翹曲"不合格"，口代表滑移/翹曲"足夠好")。圖3為顯示現(xiàn)有技術(shù)BMD尺寸分布與滑移/翹曲之間關(guān)系的示意圖。具體實(shí)施例方式硅晶片根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的特征在于，存在于與硅晶片表面的距離為20^im或更大的深位置處的尺寸為20nm至40nm的BMD的密度在5x10"/ci^至5x1013/0113的范圍內(nèi)，通過本發(fā)明的發(fā)明人的下述發(fā)現(xiàn)及事實(shí)進(jìn)行介紹。由本發(fā)明的發(fā)明人實(shí)施的熱處理之后仔細(xì)檢驗(yàn)晶片內(nèi)部產(chǎn)生的BMD的狀態(tài)的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人指出在BMD中存在寬的尺寸分布的事實(shí)。然后，本發(fā)明的發(fā)明人檢驗(yàn)了存在于與硅晶片表面的距離為20nm或更大的深位置處的影響滑移和翹曲的特性的BMD尺寸分布與滑移和翹曲的關(guān)系。結(jié)果是，他們獲得了下述發(fā)現(xiàn)，指出了阻止滑移的最佳BMD尺寸。即通過產(chǎn)生密度為5x10"/cm3至5x1013/cm3的尺寸為20nm至40nm的BMD，滑移的長(zhǎng)度可以被抑制為等于或小于10mm。若滑移的長(zhǎng)度等于或小于10mm，則滑移不會(huì)暴露于硅晶片的表面。即使滑移產(chǎn)生于晶片邊緣部分處，若滑移的長(zhǎng)度等于或小于10mm，則滑移不會(huì)到達(dá)半導(dǎo)體器件形成區(qū)域，也不會(huì)對(duì)器件有負(fù)面影響。若BMD尺寸小于20nm或BMD密度小于5x1()H/cm3，則BMD無法充分發(fā)揮滑移延伸的阻擋物的作用。用作滑移延伸的阻擋物的BMD的密度及尺寸沒有上限，但是由于下述原因，在實(shí)際的硅晶片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的BMD密度及尺寸的范圍的上限分別是5x1013/cm3及40nm。BMD密度的范圍通過以下事實(shí)進(jìn)行介紹。即若BMD以高密度存在，則出現(xiàn)幾乎所有的固溶氧作為BMD析出的狀態(tài)。同時(shí)，作為BMD析出的氧原子的數(shù)量無法超過固溶在CZ硅內(nèi)的氧原子的數(shù)量，而固溶氧濃度大約最大為1x10"個(gè)原子/cm3。因此，在BMD以高密度存在的狀態(tài)下，作為BMD析出的氧原子的密度約為lxlO"個(gè)原子/cm3，而且是恒定的。在該狀態(tài)下，若BMD的數(shù)量增加，則單獨(dú)的BMD尺寸變小，而若BMD尺寸變大，則數(shù)量減少。即以高密度存在的BMD的尺寸及密度的上限是存在的。因此，無法實(shí)現(xiàn)密度為5xl()U/cmS的BMD的尺寸大于40nm，也無法實(shí)現(xiàn)尺寸為20nm或更大的BMD的密度大于5x1013/cm3。因此，可以抑制滑移延伸的BMD密度及BMD尺寸的范圍可以通過調(diào)節(jié)BMD尺寸在20nm至40nm的范圍內(nèi)并調(diào)節(jié)其密度在5x10"/cm3至5x1013/cm3的范圍內(nèi)而獲得。BMD密度優(yōu)選高于該范圍。為了抑制滑移的長(zhǎng)度至5mm或更短，BMD密度更優(yōu)選等于或大于1x1012/cm3。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的另一個(gè)特征在于，尺寸為300nm或更大的BMD的密度等于或小于1x107/cm3。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的下述發(fā)現(xiàn)。即若熱應(yīng)力作用于晶片上，則在晶片內(nèi)部由作為起點(diǎn)的大尺寸BMD產(chǎn)生高密度位錯(cuò)。結(jié)果是，晶片塑性變形而導(dǎo)致翹曲。與此相反地，若作為位錯(cuò)起點(diǎn)的BMD減少，則即使熱應(yīng)力作用于晶片上，塑性變形也變得難以發(fā)生，減少了翹曲。尤其是尺寸為300nm或更大的BMD趨向于容易發(fā)揮位錯(cuò)產(chǎn)生源的作用，該BMD的密度超過1x107/cm3，晶片內(nèi)部的位錯(cuò)變得密度高，這導(dǎo)致翹曲超過20拜。因此，通過抑制尺寸為300nm或更大的BMD的密度為1x10々cn^或更小，可以抑制翹曲為20拜或更小。此外，若晶片的翹曲等于或小于20拜，則在半導(dǎo)體器件圖案暴露在半導(dǎo)體晶片上時(shí)發(fā)生的位置偏差不會(huì)超過允許的范圍。因此，若尺寸為300nm或更大的BMD的密度超過1x107/cm3，則翹曲非期望地變?yōu)榈扔诨虼笥?0)im。作為評(píng)估對(duì)滑移或翹曲的耐性的熱處理，優(yōu)選實(shí)施以3(TC/秒或更大的速率在70(TC至110(TC的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度上升/下降的熱處理以保持硅晶片在1100'C或更高的溫度下。在此，將熱處理溫度設(shè)置為等于或大于70(TC的理由是，若熱處理溫度變?yōu)榈扔诨虼笥?00'C，則滑移位錯(cuò)或翹曲的產(chǎn)生變得容易。將熱處理溫度設(shè)置為等于或小于IIOO'C的理由是，器件加工中熱處理溫度的上限約為IIOO'C，而通過檢驗(yàn)最高110(TC的^H4大致可以預(yù)測(cè)發(fā)生在器件加工熱處理中的？)1象。此外，將溫度上升/下降的速率設(shè)置為等于或大于3(TC/秒的理由是，若溫度上升/下降的速率變?yōu)榈扔诨虼笥?0'C/秒，則作用于硅晶片上的熱應(yīng)力變大，以致于滑移或翹曲的產(chǎn)生變得顯著。因此，若在溫度范圍及溫度上升/下降的速率范圍內(nèi)阻止位錯(cuò)的產(chǎn)生，則該硅晶片是在一般的器件加工過程中不產(chǎn)生滑移位錯(cuò)及翹曲的硅晶片。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的特征在于，在前述熱處理中產(chǎn)生的滑移的長(zhǎng)度等于或小于10mm，熱處理之后晶片翹曲的量等于或小于20pm。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片包括添加氮的硅晶片以及添加氫的硅晶片。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法的發(fā)現(xiàn)?？梢岳脗鹘y(tǒng)已知的測(cè)量方法進(jìn)行BMD尺寸分布及BMD密度的測(cè)量。具體而言，該測(cè)量包括利用透射電子顯微鏡和/或紅外干涉儀(OpticalPrecipitateProfiler)等的領(lǐng)!l量。晶片內(nèi)的滑移位錯(cuò)可以通過傳統(tǒng)已知的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。例如該測(cè)量包括利用X射線物相照片的測(cè)量。此外，晶片翹曲可以通過傳統(tǒng)已知的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。具體而言，熱處理之后翹曲的量可以通過利用NIDEK公司制造的FT-90A進(jìn)行觀測(cè)而加以評(píng)估。硅晶片的制造方法根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法是制造具有前述特征的硅晶片的方法。關(guān)于在根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法中使用的硅單晶錠的生長(zhǎng)方法，優(yōu)選可以采用CZ法，但也可以采用通過控制基材內(nèi)所含氧濃度的FZ法。可以根據(jù)半導(dǎo)體硅晶片的種類、性能等適當(dāng)?shù)剡x擇生長(zhǎng)方法，而不要求包括對(duì)是否存在各種元素的摻雜劑的限制以及對(duì)所期望的錠的尺寸(直徑、重量等)的限制。用于根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法的硅單晶制造裝置尤其是不受限制的，優(yōu)選可以使用根據(jù)通常CZ法的硅單晶制造中所用的任何裝置。用于根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法的從硅單晶錠切割基材的方法是不受限制的，可以使用傳統(tǒng)已知的方法。具體而言，具有內(nèi)周刃的切割機(jī)、鋼絲鋸等可用于該方法。用于根據(jù)本發(fā)明的熱處理及高溫退火步驟中的裝置是不受限制的，優(yōu)選可以使用傳統(tǒng)己知的裝置。具體而言，用于熱處理的裝置包括分批式垂直爐，而用于高溫退火步驟的裝置包括具有除氧功能的分批式垂直爐。熱處理及高溫退火步驟均可以使用具有除氧功能的分批式垂直爐以連續(xù)地實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法的特征在于，在保持硅單晶生長(zhǎng)期間晶體中心溫度由1000'C至90(TC改變的冷卻速率在5"C/分鐘或更大的范圍內(nèi)的情況下生長(zhǎng)硅單晶錠。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的以下發(fā)現(xiàn)保持前述冷卻速率的溫度范圍影響B(tài)MD尺寸顯著減小，若在保持冷卻速率在該范圍內(nèi)的情況下進(jìn)行生長(zhǎng)，則尺寸為300nm或更大的BMD的密度被抑制為1x10々cr^或更小。此外，即使以前述冷卻速率在該溫度范圍以外的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行冷卻，也不會(huì)達(dá)到如此大的BMD尺寸減小的效果。優(yōu)選提高該溫度范圍內(nèi)的冷卻速率，更優(yōu)選將冷卻速率設(shè)置為7°C/分鐘或更大，以抑制尺寸為300nm或更大的BMD的密度為1xl07/cm3或更小。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法的另一個(gè)特征在于，在對(duì)從通過前述生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)的硅單晶錠切割下的基材在40(TC至85(TC的溫度下實(shí)施熱處理30分鐘至4小時(shí)之后，在雜質(zhì)濃度為0.5體積％或更少的稀有氣體中或者在熱處理之后氧化膜厚度被抑制在2nm或更小的非氧化性氣氛中、在IIO(TC至1250'C的溫度下對(duì)該基材實(shí)施熱處理10分鐘至2小時(shí)，作為高溫退火步驟。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的下述發(fā)現(xiàn)。即本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在熱處理溫度為40(TC至85(TC的相對(duì)較低的溫度下實(shí)施熱處理，對(duì)于從DZ層的下端向晶片厚度的中心過渡的具有前述的高BMD密度的硅晶片的制造是顯著有效的。然后，通過隨后實(shí)施高溫退火步驟而形成該DZ層。通過低溫?zé)崽幚硇纬傻母呙芏菳MD即使在高溫退火步驟中也不會(huì)消失。若熱處理溫度低于400°C，則由于無法充分發(fā)生氧的擴(kuò)散而無法形成BMD，因此BMD密度非期望地變?yōu)榈陀?x10"/cm3。若熱處理溫度高于850'C，則由于發(fā)生BMD核心的消失，BMD密度非期望地變?yōu)榈陀?x10"/cm3。若熱處理時(shí)間小于30分鐘，則由于無法充分發(fā)生氧的擴(kuò)散而無法形成BMD，因此BMD密度非期望地變?yōu)榈陀?x10"/cm3。若熱處理時(shí)間大于4小時(shí)，則BMD總密度超過5x1013/cm3，所有BMD中尺寸為20nm或更大的BMD的密度低于5x10"/cm3，晶片制造步驟被進(jìn)一步延長(zhǎng)，這導(dǎo)致產(chǎn)量非期望地下降。需要通過隨后在雜質(zhì)濃度為0.5體積％或更少的稀有氣體氣氛中實(shí)施高溫退火步驟而抑制晶片表面上氧化膜的生長(zhǎng)。若雜質(zhì)濃度超過0.5體積％，則表面上的氧化膜非期望地超過2nm。抑制表面上的氧化膜為2nm或更小的理由是為了促進(jìn)氧向外擴(kuò)散并有利于表面附近的空穴收縮及消失。同時(shí)，若表面上的氧化膜超過2nm，則表面上的氧向外擴(kuò)散被抑制。結(jié)果是，晶片表面附近的空穴的內(nèi)壁氧化膜不會(huì)熔融，以致于非期望地在退火期間不發(fā)生空穴收縮及消失。若前述退火溫度低于1100'C，則空穴的收縮速率低，以致于接近表面的空穴非期望地仍然保留。若退火溫度超過125(TC，則由于退火爐部件的明顯惡化，部件的更換變得頻繁，這導(dǎo)致成本非期望地增加。若前述退火時(shí)間小于10分鐘，則用于空穴收縮的時(shí)間短，以致于接近表面的空穴非期望地仍然保留。若退火時(shí)間大于2小時(shí)，則總的退火時(shí)間變長(zhǎng)，這導(dǎo)致產(chǎn)量非期望地下降。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法包括剛剛從晶體切割下之后的基材的氧濃度在7x10"個(gè)原子/cr^至9x10"個(gè)原子/cn^的范圍內(nèi)的制造方法。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的下述發(fā)現(xiàn)。即通過設(shè)置剛剛從單晶錠切割下之后的基材的氧濃度為7x1017個(gè)原子/ci^或更多，若在40(TC至85(TC的溫度范圍內(nèi)實(shí)施熱處理30分鐘至4小時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)密度為5x10"/ci^或更高的高密度BMD。通過設(shè)置基材的氧濃度為9x1017個(gè)原子/0113或更低，則通過高溫退火促進(jìn)存在于硅晶片表面上的生長(zhǎng)缺陷的消失。通過設(shè)置氧濃度為9x1017個(gè)原子/cn^或更低，能夠形成寬度為5nm或更大的寬的DZ層?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)乜刂迫廴隗w內(nèi)的氧濃度、坩堝旋轉(zhuǎn)的次數(shù)等而調(diào)節(jié)具有前述氧濃度的基材的制造。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法包括剛剛從單晶錠切割下之后的基材內(nèi)的氮濃度在1x1013個(gè)原子/0113至8x10"個(gè)原子/cmS的范圍內(nèi)的制造方法。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的下述發(fā)現(xiàn)。即剛剛從單晶錠切割下之后的基材內(nèi)的氮濃度在1x1013個(gè)原子/cmS至8x1015個(gè)原子/(^3的范圍內(nèi)，貝U與未添加氮的基材的情況相比，通過前述熱處理獲得的BMD密度具有前述特征的硅晶片可以進(jìn)一步減少翹曲。若基材內(nèi)的氮濃度等于或大于1x1(^個(gè)原子/cm3，則由BMD產(chǎn)生的位錯(cuò)的延伸被抑制，從而與未添加氮的基材的情況相比，可以進(jìn)一步減少翹曲，但是若氮濃度等于或大于8x10"個(gè)原子/cm3，則發(fā)生多重結(jié)晶，這導(dǎo)致產(chǎn)量非期望地下降。可以通過在CZ法中從以1x1016個(gè)原子/0113至1x1(T個(gè)原子/cm3的量添加氮的熔融體生長(zhǎng)硅單晶錠而實(shí)現(xiàn)該基材。優(yōu)選可以采用傳統(tǒng)已知的方法作為將氮添加至熔融體的方法。具體而言，添加方法包括將具有氮化物薄膜的晶片浸入熔融體中的方法。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法包括剛剛從單晶錠切割下之后的基材內(nèi)的氫濃度在1x1012個(gè)原子/113至5x10"個(gè)原子/ci^的范圍內(nèi)的制造方法。這是基于本發(fā)明的發(fā)明人的下述發(fā)現(xiàn)。艮P，即使氧濃度相對(duì)較低，可以通過添加氫實(shí)現(xiàn)lxlO力cr^或更高的更優(yōu)選的BMD密度。低氧濃度對(duì)于形成具有進(jìn)一步減少的晶體缺陷的DZ層是有效的。即使在低溫?zé)崽幚碇袑?shí)施退火相對(duì)較短的時(shí)間，可以通過添加氫實(shí)現(xiàn)前述BMD密度。該特征在可以低成本制造具有進(jìn)一步減少的表面缺陷的退火晶片的方面是有利的。氫濃度必須為1x1012個(gè)原子/113或更高，以實(shí)現(xiàn)前述效果，但是若氫濃度超過5x10"個(gè)原子/cm3，則由于氫而非期望地產(chǎn)生氣泡缺陷?？梢酝ㄟ^在晶體生長(zhǎng)期間將氫氣連續(xù)地引入氣氛中，從而使氫氣濃度在0.01至3體積％的范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)該基材。若氫氣濃度小于0.01%,則基材內(nèi)的氫濃度非期望地不會(huì)達(dá)到1x1012個(gè)原子/(^3或更高。若氫氣濃度超過3%，則基材內(nèi)的氫濃度超過5x10"個(gè)原子/cm3,這導(dǎo)致非期望的氣泡缺陷的產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的制造方法包括在高溫退火之后通過外延法沉積硅單晶層(外延層)的硅晶片的制造方法。下面參考實(shí)施例更詳細(xì)地闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于實(shí)施例。實(shí)施例退火晶片及外延晶片的制造方法以如下方式制造退火晶片及外延晶片。(1)熔融體的制備將硅及為獲得所期望的電阻率的摻雜劑裝入拉伸爐中的坩堝內(nèi)。(2)單晶錠的生長(zhǎng)利用加熱器加熱坩堝而制備熔融體之后，將種晶浸入熔融體內(nèi)并拉起，在控制坩堝的旋轉(zhuǎn)次數(shù)及種晶的旋轉(zhuǎn)次數(shù)的同時(shí)，形成頸部及擴(kuò)大直徑的部分。在形成擴(kuò)大直徑的部分之后，通過加熱器輸出功率及拉伸速率控制其直徑，生長(zhǎng)直桶部分，從而使其長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定的長(zhǎng)度(直徑為200mm的晶片lOOOmm;直徑為300mm的晶片500mm)。然后，形成減小直徑的部分，通過與熔融體分離而制造各個(gè)單晶錠。所得單晶錠的傳導(dǎo)類型是p型(摻雜硼)及n型(摻雜磷)。通過以下方式獲得晶體中心溫度從IOO(TC至90(TC改變的冷卻速率。即通過熱傳導(dǎo)分析計(jì)算晶體生長(zhǎng)期間晶體中心部分的溫度分布，獲得在IOO(TC至卯(TC的范圍內(nèi)的晶體生長(zhǎng)軸向的平均溫度梯度G[°C/mm]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得晶體生長(zhǎng)速率的平均值V[mm/分鐘]，測(cè)定VxG['C/分鐘]作為冷卻速率。利用一種可商購的熱傳導(dǎo)分析軟件FEMAG實(shí)施熱傳導(dǎo)。根據(jù)前述方法計(jì)算的晶體中心溫度從1000。C至卯(TC改變的冷卻速率的上升及下降，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的將由具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的金屬(例如銀)等制成的熱屏蔽板置于晶體中心溫度從IOOO'C至900'C改變的位置，適當(dāng)?shù)厮錈崞帘伟?，或者適當(dāng)改變熱屏蔽板的結(jié)構(gòu)以改變拉伸速率。(3)基材內(nèi)氧濃度、氮濃度及氫濃度的調(diào)節(jié)以如下方式實(shí)施基材內(nèi)氧濃度、氮濃度及氫濃度的調(diào)節(jié)1)氧濃度通過控制坩堝的旋轉(zhuǎn)次數(shù)等實(shí)施氧濃度的調(diào)節(jié)，以控制晶體內(nèi)的氧濃度。通過紅外吸收法測(cè)量基材內(nèi)的氧濃度，使用JEITA值(JapanElectronicsandInformationTechnologyIndustriesAssociation)作為換算系數(shù)o2)氮濃度初步獲得混入液體內(nèi)的氮與添加在晶體內(nèi)的氮濃度之間的關(guān)系，由弓I入所期望的基材內(nèi)的氮濃度測(cè)定熔融體內(nèi)的氮濃度以實(shí)施氮濃度的調(diào)節(jié)，將具有氮薄膜的基材浸入熔融體內(nèi)以控制混入熔融體內(nèi)的氮。禾U用二次離子質(zhì)量分析裝置(SMS)測(cè)量基材內(nèi)的氮濃度。通過使用偏析系數(shù)0.0007，基于添加在熔融體內(nèi)的氮濃度以及晶體固化比，獲得等于或小于5x10"個(gè)原子/cm3的氮濃度。3)氫濃度在添加高濃度硼的晶體內(nèi)初步制造晶體，同時(shí)在以各種不同的體積比生長(zhǎng)晶體期間將氫混入氣氛中，通過紅外吸收譜測(cè)量由所得晶體切割下的硅晶片，由氫-硼對(duì)的濃度獲得氫濃度。通過該方法初步獲得混合的氫的體積比與添加在晶體內(nèi)的氫濃度之間的關(guān)系，通過控制混合的氫的體積比而測(cè)定引入基材內(nèi)的氫濃度。通過從硅單晶制造裝置的氬氣引入口引入氫而實(shí)施氫的混合，從而使氫具有其與氬氣的預(yù)定體積比。(4)基材的切割方法將利用鋼絲鋸以多片的形式切割由前述方法生長(zhǎng)的各個(gè)單晶錠的直桶部分的相同部分并對(duì)它們實(shí)施鏡面加工而獲得的基材用作基材。(5)熱處理(低溫?zé)崽幚砑案邷責(zé)崽幚?將所得的基材置于具有清除功能的分批式垂直型熱處理爐內(nèi)，反應(yīng)室內(nèi)的溫度保持在預(yù)定的溫度下，在氬氣氣氛內(nèi)以預(yù)定的時(shí)間實(shí)施熱處理(低溫?zé)崽幚?。然后，在相同的爐中于氬氣氣氛內(nèi)以預(yù)定的時(shí)間(200mm:1小時(shí)；300mm:2小時(shí))對(duì)它們實(shí)施高溫?zé)崽幚?1200°C)(以下將熱處理之后的晶片稱作"退火晶片")。(6)外延層沉積利用氣相生長(zhǎng)裝置在一部分退火晶片的表面上沉積厚度為5pm的外延層(以下將沉積外延層的退火晶片稱作"外延晶片")。退火晶片及外延晶片的測(cè)量與評(píng)估實(shí)施由前述方法獲得的退火晶片及外延晶片的以下測(cè)量與評(píng)估，即(1)BMD尺寸分布的測(cè)量，(3)滑移長(zhǎng)度的測(cè)量及翹曲的評(píng)估(RTA熱處理)，及(4)DZ層寬度的測(cè)量。對(duì)于添加氮的晶片，(2)測(cè)量氮濃度。(1)BMD尺寸分布通過紅外干涉法及透射電子顯微鏡測(cè)量BMD尺寸分布。使用由AXENTTechnologiesInc.制造的OPP(紅外干涉儀，OpticalPrecipitateProfiler)作為基于紅外干涉法的缺陷評(píng)估裝置。測(cè)量位于距離各個(gè)退火晶片及外延晶片表面的深度為20nm、100pm及300拜的位置的三個(gè)部分。由對(duì)透射激光的位相差實(shí)施電信號(hào)處理得到的信號(hào)強(qiáng)度獲得BMD尺寸，三個(gè)部分所得數(shù)值的平均值用作代表值。將檢測(cè)靈敏度設(shè)置為允許測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度為80nm或更大的八面體BMD的靈敏度。測(cè)定BMD尺寸作為八面體析出物的對(duì)角線長(zhǎng)度。作為透射電子顯微鏡的樣品，由位于距離各個(gè)退火晶片及外延晶片表面的深度為20nm、100及300pm的位置的部分取樣，由測(cè)量得到的顯微照片獲得BMD尺寸。測(cè)定BMD尺寸作為八面體析出物的對(duì)角線長(zhǎng)度。由視野內(nèi)觀察到的BMD數(shù)量以及對(duì)應(yīng)于所觀測(cè)的區(qū)域的樣品體積獲得BMD密度。對(duì)于BMD密度及BMD尺寸，測(cè)定由三個(gè)部分所得數(shù)值的平均值作為代表值。由OPP及TEM得到的BMD尺寸分布獲得尺寸為20nm至40nm的BMD的密度以及尺寸為300nm或更大的BMD的密度。(2)退火晶片及外延晶片內(nèi)的氮濃度從退火晶片及外延晶片取樣，然后拋光至最高20urn以去除晶片表面上氮的向外擴(kuò)散層，禾U用SIMS測(cè)量晶片內(nèi)的氮濃度。(3)退火晶片及外延晶片內(nèi)的滑移長(zhǎng)度及其翹曲在以下條件下使用RTA(快速熱退火儀)對(duì)退火晶片及外延晶片實(shí)施退火10次。插入室溫升溫5(TC/分鐘保持1100°C，l分鐘氣氛氬降溫3(TC/分鐘取出室溫利用NIDEK公司制造的FT-90A測(cè)量RTA熱處理之前與RTA熱處理之后的退火晶片及外延晶片的翹曲。利用X射線物相照片觀測(cè)RTA熱處理之后的退火晶片，測(cè)定所觀測(cè)的滑移長(zhǎng)度的最大長(zhǎng)度作為代表值。(4)退火晶片的DZ層的寬度在研磨深度Xpm處對(duì)退火晶片表面實(shí)施再研磨。利用由MITSUIMINING&SMELTINGCO.，LTD.制造的LSTD掃描儀(MO-6)測(cè)量存在于實(shí)施再研磨之后的退火晶片整個(gè)表面上的缺陷。因?yàn)橛蒑O-6獲得的檢測(cè)深度是距離晶片表面最高為1Mm的深度，再研磨至X之后檢測(cè)的缺陷存在于距離原始的退火晶片表面X至(X+1)深度處。將檢測(cè)靈敏度設(shè)置為允許測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度為100nm的生長(zhǎng)缺陷的靈敏度。通過將由MO-6檢測(cè)的缺陷總數(shù)除以測(cè)量區(qū)域的面積及測(cè)量深度1pm而計(jì)算出缺陷的體積密度。實(shí)施再研磨的同時(shí)，以不同方式改變研磨深度X，在所測(cè)缺陷的體積密度變?yōu)?.1個(gè)/cn^或更小時(shí)，測(cè)定研磨深度作為DZ層的寬度。表1至表5顯示了在不同條件下的測(cè)量與評(píng)估的結(jié)果。退火晶片及外延晶片的各測(cè)量結(jié)果及評(píng)估結(jié)果對(duì)于由前述方法在不同條件(氧濃度、氮濃度、氫濃度、冷卻時(shí)間及熱處理時(shí)間)下獲得的晶片，由前述方法獲得的晶片的前述測(cè)量(1)及評(píng)估(3)的結(jié)果如表1至表5所示。對(duì)于具有200mm的晶片直徑、各種傳導(dǎo)類型(p或n)、不同的氮濃度、氫濃度及氧濃度并且實(shí)施各種不同的低溫?zé)崽幚?溫度，時(shí)間)及高溫退火處理的退火晶片測(cè)量的BMD尺寸分布，通過評(píng)估試驗(yàn)獲得的滑移及翹曲的量匯總于表1中作為實(shí)施例。對(duì)于具有300mm的晶片直徑、各種傳導(dǎo)類型(p或n)、不同的氮濃度、氫濃度及氧濃度并且實(shí)施各種不同的低溫?zé)崽幚?溫度，時(shí)間)及高溫退火處理的退火晶片測(cè)量的BMD尺寸分布，通過評(píng)估試驗(yàn)獲得的滑移及翹曲的量匯總于表2中作為實(shí)施例。對(duì)于具有200mm及300mm的晶片直徑、各種傳導(dǎo)類型(p或n)、不同的氮濃度、氫濃度及氧濃度并且實(shí)施低溫?zé)崽幚砑案邷赝嘶鹛幚淼耐庋泳瑴y(cè)量的BMD尺寸分布，通過評(píng)估試驗(yàn)獲得的滑移及翹曲的量匯總于表3中作為實(shí)施例。對(duì)于具有200mm的晶片直徑、各種傳導(dǎo)類型(p或n)、不同的氮濃度、氫濃度及氧濃度并且實(shí)施各種不同的低溫?zé)崽幚?溫度，時(shí)間)及高溫退火處理的退火晶片測(cè)量的BMD尺寸分布，通過評(píng)估試驗(yàn)獲得的滑移及翹曲的量匯總于表4中作為實(shí)施例及比較例。.對(duì)于具有300mm的晶片直徑、各種傳導(dǎo)類型(p或n)、不同的氮濃度、氫濃度及氧濃度并且實(shí)施各種不同的低溫?zé)崽幚?溫度，時(shí)間)及高溫退火處理的退火晶片測(cè)量的BMD尺寸分布，通過評(píng)估試驗(yàn)獲得的滑移及翹曲的量匯總于表5中作為實(shí)施例及比較例。RTA熱處理之前的晶片的所有翹曲量均等于或小于10nm。添加氮的退火晶片及外延晶片內(nèi)的氮濃度與生長(zhǎng)時(shí)所測(cè)氮濃度相比保持不變。表內(nèi)的BMD密度(1)是指尺寸為20nm至40nm的BMD的密度，而BMD密度(2)是指尺寸為300nm或更大的BMD的密度。表1至表3應(yīng)理解為，具有任意直徑的退火晶片及外延晶片，無論這些硅晶片的傳導(dǎo)類型如何，在滿足以下條件時(shí)，即各基材內(nèi)的氧濃度在7x10"個(gè)原子/cn^至9x10卩個(gè)原子/cm3的范圍內(nèi)，低溫?zé)崽幚淼臏囟仍?0(TC至85(TC的范圍內(nèi)，低溫?zé)崽幚淼臅r(shí)間設(shè)定為30分鐘至4小時(shí)，以及晶體中心溫度由IOO(TC至90(TC改變的冷卻速率設(shè)定為5'C/分鐘或更大，則BMD密度(1)在5x10"/cm3至5x1013/cm3的范圍內(nèi)，BMD密度(2)變?yōu)榈扔诨蛐∮趌x107/cm3。因此，應(yīng)理解的是，滑移長(zhǎng)度變?yōu)?0mm或更小，而翹曲量被抑制為20阿或更小。應(yīng)理解的是，即使BMD密度(2)是恒定的，若基材的氮濃度變?yōu)榈扔诨虼笥?x1013個(gè)原子/0113，則翹曲減少。尤其是若氮濃度為1x1013個(gè)原子/cm3或更大且BMD密度(2)為1x106/113或更小，則所有翹曲變?yōu)榈扔诨蛐∮?0pm。應(yīng)理解的是，即使氧濃度及熱處理?xiàng)l件是恒定的，若氫濃度變?yōu)榈扔诨虼笥趌x1(^個(gè)原子/cm3，則BMD密度(1)變大，而滑移被進(jìn)一步縮短。尤其是若低溫?zé)崽幚頊囟鹊扔诨蛐∮?0(TC且熱處理時(shí)間等于或大于30分鐘，則BMD密度(1)變?yōu)榈扔诨虼笥?x1012個(gè)原子/^3，而滑移長(zhǎng)度可被抑制為5mm或更小。在所有水平上DZ層的寬度等于或大于5Kim。尤其是若氮濃度等于或大于1x10'3個(gè)原子/cm3，或者若氧濃度為7x10"個(gè)原子/cm3，則DZ層的寬度等于或大于7^im，這導(dǎo)致更寬的寬度。由表4及表5可以看出，若基材內(nèi)的氧濃度小于7x1017個(gè)原子/cm3，則BMD密度(1)變?yōu)樾∮?x10"/cm3。結(jié)果是滑移長(zhǎng)度超過10mm。若硅單晶生長(zhǎng)期間的氫氣體積比超過3%，則產(chǎn)生導(dǎo)致無法評(píng)估的氣泡缺陷。若硅熔融體內(nèi)的氮濃度超過1x10"個(gè)原子/cm3，則發(fā)生導(dǎo)致無法評(píng)估的多重結(jié)晶。應(yīng)理解的是，若晶體中心溫度由100(TC至90(TC改變的冷卻速率小于5'C/分鐘，則BMD密度(2)超過1x10VcmS，結(jié)果是翹曲量超過20iim。應(yīng)理解的是，若在高溫退火之前未實(shí)施低溫?zé)崽幚?，若低溫?zé)崽幚頊囟鹊陀?00'C或者高于85(TC，以及若時(shí)間小于30分鐘，則BMD密度(1)變?yōu)樾∮?x10"/cm3，結(jié)果是滑移長(zhǎng)度超過10mm。雖然表5中沒有描述，但是若基材內(nèi)的氧濃度超過9x1017個(gè)原子/cm3，則DZ層的寬度小于5pm。若退火之后基材的氧化膜厚度超過2nm，或者若高溫退火溫度低于110(TC或時(shí)間小于IO分鐘，則DZ層的寬度小于5|im。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>表3<table>complextableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>表5<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>權(quán)利要求1、硅晶片，其中存在于與硅晶片表面的距離等于或大于20μm的深位置處的尺寸為20nm至40nm的BMD的密度在5×1011/cm3至5×1013/cm3的范圍內(nèi)，而尺寸為300nm或更大的BMD的密度等于或小于1×107/cm3。2、如權(quán)利要求l所述的硅晶片，其包含氮。3、如權(quán)利要求1或2所述的硅晶片，其包含氫。4、如權(quán)利要求1至3之一所述的硅晶片的制造方法，其包括在保持硅單晶生長(zhǎng)期間晶體中心溫度由IOO(TC改變?yōu)?00'C的冷卻速率在5°C/分鐘或更大的范圍內(nèi)的情況下生長(zhǎng)硅單晶錠；以及在40(TC至85(TC的溫度下對(duì)從該錠切割下的基材實(shí)施熱處理30分鐘至4小時(shí)之后，在雜質(zhì)濃度為0.5體積％或更少的稀有氣體的氣氛或者在熱處理之后氧化膜厚度被抑制在2nm或更小的非氧化性氣氛中、在IIO(TC至1250'C的溫度下對(duì)該基材實(shí)施熱處理10分鐘至2小時(shí)，作為高溫退火步驟。5、如權(quán)利要求4所述的硅晶片制造方法，其中剛剛從晶體切割下之后的所述基材的氧濃度在7x1017個(gè)原子/0113至9x10"個(gè)原子/cr^的范圍內(nèi)。6、如權(quán)利要求4或5所述的硅晶片制造方法，其中剛剛從晶體切割下之后的所述基材的氮濃度在1x1013個(gè)原子/0113至8x10"個(gè)原子/cm3的范圍內(nèi)。7、如權(quán)利要求6所述的硅晶片制造方法，其中由添加氮從而使氮在1x10"個(gè)原子/cmS至1x1019個(gè)原子/113的范圍內(nèi)的熔融體中生長(zhǎng)所述硅單晶錠。8、如權(quán)利要求4至7之一所述的硅晶片制造方法，其中剛剛從晶體切割下之后的所述基材的氫濃度在1x1012個(gè)原子/^113至5x1016個(gè)原子/ci^的范圍內(nèi)。9、如權(quán)利要求8所述的硅晶片制造方法，其中在連續(xù)引入氫氣從而使氫氣濃度在0.01至3體積％的范圍內(nèi)的氣氛中生長(zhǎng)所述硅單晶錠。10、如權(quán)利要求4至9之一所述的硅晶片制造方法，其中在所述高溫退火之后，通過外延法沉積硅單晶層(外延層)。全文摘要本發(fā)明提供其中滑移位錯(cuò)及翹曲均被抑制得極小且適合于直徑增大的高品質(zhì)硅晶片及其制造方法。獲得存在于與硅晶片表面的距離等于或大于20μm的深位置處的尺寸為20nm至40nm的BMD的密度在5×10¹¹/cm³至5×10¹³/cm³的范圍內(nèi)且尺寸為300nm或更大的BMD的密度等于或小于1×10⁷/cm³的硅晶片。文檔編號(hào)C30B29/06GK101187058SQ20071015349公開日2008年5月28日申請(qǐng)日期2007年9月20日優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日發(fā)明者H·施密特,M·韋伯,W·v·阿蒙,中居克彥,福島圣申請(qǐng)人:硅電子股份公司