[发明专利]制造退火晶片的方法

说明书

本发明涉及通过对硅单晶晶片施加高温热处理而得到退火晶片的制造方法。

对硅单晶晶片在高温下施加热处理而得到的退火晶片已被广泛用作制造半导体器件的高质量衬底(substrate)。

通常，硅单晶晶片具有被称为空洞(viod)缺陷的缺陷。本文中，“空洞缺陷”是指在晶体生长过程中因引入的原子水平的空位(vacancy)在硅熔体与晶体之间的界面聚集所造成的缺陷。在“空洞缺陷”中，暴露在硅单晶晶片表面中的被称为COP(晶体原生颗粒)。

通过对硅单晶晶片在高温，例如不小于1100℃下施加热处理可以缩小或消除上述“空洞缺陷”，并且可以减少晶片表面的缺陷。此外，通过向硅单晶晶片添加氮，可以减小“空洞缺陷”的尺寸，并可以通过热处理容易地缩小或消除“空洞缺陷”。

另一方面，硅单晶晶片还具有氧沉淀物。当氧混入来自石英坩埚共混物的硅熔体中时，“氧沉淀物”以大于饱和浓度的浓度产生于晶体中，并且通过上述的热处理聚集。通过上述的热处理可以减少晶片表面的“氧沉淀物”。向硅单晶晶片添加氮可以在晶片内部产生“氧沉淀物”。

如上所述地通过向硅单晶晶片添加氮，并对硅单晶晶片在高温下施加热处理，可以在晶片表面形成厚度约几微米的基本上洁净的(denuded)区域，并且可以在晶片内部留下适当的“空洞缺陷”和“氧沉淀物”。也就是说，可以得到高质量的硅单晶晶片。

作为通过卓克拉尔斯基法拉制硅晶体时的一个控制参数，“V/G”是公知的。本文中，“V(mm/min)”代表硅晶体的拉晶速率，而“G(℃/mm)”代表硅晶体生长时轴方向上的温度梯度。

日本专利公开2007-176732描述了一项发明，该发明关注上述的“V/G”与氮浓度之间的关系，并且试图得到一种退火晶片，其中退火后的氧沉淀足够高，并且氧沉淀物在晶片表面具有均匀的密度。此外，日本专利公开2010-155748描述了一种制造退火晶片的方法，其向炉中添加氮和氢用于拉制硅单晶以控制“V/G”，以便在含有高浓度氮(不小于5E14个原子/cm3)的情况下，在硅单晶晶片表面得到厚度不小于10μm的洁净区。

相比之下，日本专利公开2006-312576描述了一种制造硅单晶的方法，该方法不关注“V/G”，但是在生长装置内向气氛气体添加含氢原子的物质的气体，并且进一步将氮或/和碳掺杂入晶体中。此外，日本专利公开2000-281491描述了一种制造硅单晶的方法，其通过以3体积％向气氛中连续引入氢气至0.1ppm，通过卓克拉尔斯基法生长硅单晶。

已经发现，如果将从包含一定范围的氮的晶体切出的衬底用作退火晶片的衬底，就会出现退火晶片质量上的问题。具体地，如果氮浓度小于1E15个原子/cm3(即小于1×1015个原子/cm3)，退火之后留在晶片表面的空洞数量会增多。还发现，如果氮浓度大于4E15个原子/cm3，在退火晶片上形成的氧化物膜的经时介电击穿(Time Dependent Dielectric Breakdown)(TDDB)特性会劣化。

当氮浓度小于1E15个原子/cm3时，退火后留在晶片表面的空洞数量增多的原因被认为是因为氮浓度小于1E15个原子/cm3的晶体具有比常规所知的大小约0.2μm的空洞大得多的空洞(不小于0.5μm)，并且具有低的密度(不大于1E4/cm3)，并且通过退火不能完全将其消除。

另一方面，当氮浓度大于4E15个原子/cm3时，在退火后的晶片上形成的氧化物膜的TDDB特性劣化的原因被认为是因为在存在高范围的氮的条件下拉制的晶体具有原生(grown-in)缺陷，这尚未为人所知且不同于空洞，并且通过退火不能将其消除。

因此，氮浓度的范围限定在不小于1E15个原子/cm3且不大于4E15个原子/cm3。如果氮浓度的范围窄，则氮浓度低的晶体上侧和氮浓度高的晶体下侧不能被用作产品晶片，因此晶体收率降低，使得难以以低成本制造退火晶片。

根据日本专利公开2007-176732、日本专利公开2010-155748和日本专利公开2000-281491的方法，使用从氮浓度小于1E15个原子/cm3的晶体切出的衬底的退火晶片具有许多残留空洞，而使用从氮浓度大于4E15个原子/cm3的晶体切出的衬底的退火晶片具有劣化的TDDB特性。因此，氮浓度的范围限定在不小于1E15个原子/cm3且不大于4E15个原子/cm3。由于氮浓度的范围限定在窄范围，所以晶体收率降低，使得难以以低成本制造退火晶片。