本發(fā)明涉及外延硅晶片和其制造方法，更詳細(xì)而言，涉及使用不含位錯(cuò)簇和COP(Crystal Originated Particle，晶體源生顆粒)的硅晶片得到的外延硅晶片和其制造方法。

背景技術(shù)：

硅晶片中的氧析出物(BMD；Bulk Micro Defect，體微缺陷)在半導(dǎo)體器件工藝中對(duì)于捕獲雜質(zhì)而言是有用的。該氧析出物例如在作為晶片的原材料的硅單晶的培育階段形成。但是，針對(duì)外延硅晶片，已知在外延生長(zhǎng)處理時(shí)，由于將晶片暴露于高溫，導(dǎo)致晶片內(nèi)部的氧析出物會(huì)消失，雜質(zhì)捕獲能力(吸雜能力)變低。因此，尋求提供雜質(zhì)捕獲能力優(yōu)異的外延晶片。

為了獲得這樣的外延硅晶片，已知在外延生長(zhǎng)處理前在600℃以上的溫度下進(jìn)行晶片的熱處理的技術(shù)(預(yù)退火技術(shù))(例如參照專利文獻(xiàn)1)。通過該熱處理，預(yù)先提高晶片內(nèi)部的氧析出物密度，從而使得在外延生長(zhǎng)處理后以充分的密度殘留有氧析出物，由此能夠提高外延生長(zhǎng)后的晶片的雜質(zhì)捕獲能力。

另一方面，對(duì)于制造高品質(zhì)的半導(dǎo)體器件而言，重要的是不向成為基板的外延硅晶片的外延層中導(dǎo)入缺陷。但是，外延層逐漸薄膜化，如果在形成外延層的硅晶片的表層部中存在缺陷，則存在外延層中產(chǎn)生由該缺陷引起的堆垛層錯(cuò)等外延缺陷的擔(dān)憂。

硅晶片所包含的缺陷中，會(huì)成為外延缺陷原因的有位錯(cuò)簇和COP。位錯(cuò)簇是在晶格間過量引入的晶格間隙硅的聚集物，是尺寸例如為10μm左右的大型缺陷(位錯(cuò)環(huán))。COP是應(yīng)構(gòu)成晶格的原子缺失而成的空孔的聚集物(空孔聚集空洞缺陷)。為了不產(chǎn)生外延缺陷，有用的是使用不存在位錯(cuò)簇和COP的晶片。

硅晶片中，作為不存在COP和位錯(cuò)簇的區(qū)域，有氧析出促進(jìn)區(qū)域(以下也稱為“Pv區(qū)域”)和氧析出抑制區(qū)域(以下也稱為“Pi區(qū)域”)。Pv區(qū)域是空孔型點(diǎn)缺陷占優(yōu)勢(shì)的無缺陷區(qū)域，Pi區(qū)域是晶格間隙硅型點(diǎn)缺陷占優(yōu)勢(shì)的無缺陷區(qū)域。

如果將硅單晶的提拉速度記作V、將剛提拉后的單晶內(nèi)的生長(zhǎng)方向的溫度梯度記作G，則取決于V/G，可能出現(xiàn)COP、或出現(xiàn)位錯(cuò)簇、或者它們均不出現(xiàn)。如果從硅單晶的中心軸起算的距離相同，則隨著V/G變大，會(huì)依次出現(xiàn)包含位錯(cuò)簇的區(qū)域、Pi區(qū)域、Pv區(qū)域和包含COP的區(qū)域。晶片中混合存在多種區(qū)域時(shí)，各區(qū)域相對(duì)于晶片的中心以同心狀分布。

由不存在COP和位錯(cuò)簇的區(qū)域構(gòu)成的硅晶片作為外延生長(zhǎng)用的基板晶片是有用的。但是，以遍及晶片的整個(gè)區(qū)域均成為同種結(jié)晶區(qū)域(例如，僅為Pv區(qū)域和Pi區(qū)域中的一者)的方式培育硅單晶是非常困難的。其原因在于，控制工藝的允許幅度窄、具體而言是可允許的V/G范圍窄。如果允許在能夠得到Pv區(qū)域和Pi區(qū)域這兩者的培育條件的范圍內(nèi)培育單晶，則控制工藝的允許幅度拓寬，能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)不含位錯(cuò)簇和COP的結(jié)晶。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：國(guó)際公開第2003/009365號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問題

但是，如果對(duì)晶片進(jìn)行加熱，則在Pv區(qū)域中氧容易析出，但另一方面，在Pi區(qū)域中氧難以析出。在混合存在有Pv區(qū)域和Pi區(qū)域的晶片中，這些區(qū)域存在于晶片的徑向上的不同區(qū)域。因此，如果將這樣的晶片用作外延生長(zhǎng)用基板，則晶片徑向上的氧析出物密度變得顯著不均，如果在外延生長(zhǎng)處理中對(duì)晶片進(jìn)行加熱，則所得外延硅晶片中存在徑向上吸雜能力不同的問題。專利文獻(xiàn)1中，并未針對(duì)混合存在有Pv區(qū)域和Pi區(qū)域的晶片加以考慮。

本發(fā)明是鑒于上述問題而進(jìn)行的，其目的在于，提供晶片和其制造方法，所述晶片為外延硅晶片、且遍及該晶片整面的吸雜能力均優(yōu)異。

用于解決問題的方法

本發(fā)明的主旨在于下述(I)的外延硅晶片、以及下述(II)的外延硅晶片的制造方法。

(I)外延硅晶片，其是在不含位錯(cuò)簇和COP的硅晶片的表面上具有外延層的外延硅晶片，

對(duì)該外延硅晶片實(shí)施在1000℃下進(jìn)行16小時(shí)熱處理的氧析出物評(píng)價(jià)熱處理從而評(píng)價(jià)氧析出物密度時(shí)，該硅晶片的厚度方向中央部處的氧析出物密度遍及該硅晶片的徑向的整個(gè)區(qū)域?yàn)?×10⁴個(gè)/cm³以上。

(II)外延硅晶片的制造方法，其包括：

預(yù)熱處理步驟，對(duì)氧濃度處于9×10¹⁷原子/cm³~16×10¹⁷原子/cm³的范圍內(nèi)、且包含氧析出抑制區(qū)域而不含位錯(cuò)簇和COP的硅晶片，實(shí)施用于提高氧析出物密度的熱處理；以及

外延層形成步驟，在前述預(yù)熱處理步驟之后，在前述硅晶片的表面上形成外延層，

還包括：

熱處理?xiàng)l件確定步驟，基于實(shí)施前述預(yù)熱處理步驟之前的前述硅晶片的氧析出抑制區(qū)域的比例，確定前述預(yù)熱處理步驟中的熱處理?xiàng)l件。

在前述(II)的外延硅晶片的制造方法中，在前述熱處理?xiàng)l件確定步驟中，將前述預(yù)熱處理步驟中的熱處理溫度(℃)記作T，將前述硅晶片半徑方向的氧析出抑制區(qū)域的寬度相對(duì)于前述硅晶片的半徑的比例(%)記作X，將前述硅晶片的氧濃度(原子/cm³)記作Co時(shí)，優(yōu)選以滿足下述關(guān)系式(1)~(3)中的任一者的方式來確定前述熱處理?xiàng)l件。

9×10¹⁷原子/cm³≤Co<11.5×10¹⁷原子/cm時(shí)：

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤800 　(1)

11.5×10¹⁷原子/cm³≤Co<13.5×10¹⁷原子/cm³時(shí)：

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤900-(13.5×10¹⁷-Co)×5×10^-16 　(2)

13.5×10¹⁷原子/cm³≤Co≤16×10¹⁷原子/cm³時(shí)：

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤900 　(3)。

發(fā)明的效果

本發(fā)明的外延硅晶片在厚度方向中央部處遍及徑向的整個(gè)區(qū)域能夠具有5×10⁴個(gè)/cm³以上的氧析出物密度。具有這樣的氧析出物密度的外延硅晶片遍及晶片的整面的吸雜能力優(yōu)異。

此外，本發(fā)明的制造方法中使用的硅晶片不含位錯(cuò)簇和COP，因此能夠防止或抑制向外延層中導(dǎo)入以位錯(cuò)簇或COP作為起點(diǎn)的堆垛層錯(cuò)等外延缺陷。

本發(fā)明的外延硅晶片的制造方法中，基于氧析出抑制區(qū)域的比例來確定預(yù)熱處理步驟中的熱處理(用于提高氧析出物密度的熱處理)的條件。氧析出抑制區(qū)域的比例成為以晶片整體計(jì)的氧析出物的生成和生長(zhǎng)的難易度的指標(biāo)。因此，通過基于氧析出抑制區(qū)域的比例來確定預(yù)熱處理步驟中的熱處理?xiàng)l件，能夠得到遍及徑向整體的氧析出物密度高的外延硅晶片。對(duì)于這樣的外延硅晶片，通過適當(dāng)條件下的熱處理，使氧析出物生長(zhǎng)，從而能夠形成具有優(yōu)異吸雜能力的硅晶片。通過本發(fā)明的制造方法，能夠制造本發(fā)明的外延硅晶片。

附圖說明

圖1是示出氧濃度為9×10¹⁷原子/cm³的晶片的特性的圖。

圖2是示出氧濃度為11.5×10¹⁷原子/cm³的晶片的特性的圖。

圖3是示出氧濃度為12.5×10¹⁷原子/cm³的晶片的特性的圖。

圖4是示出氧濃度為13.5×10¹⁷原子/cm³的晶片的特性的圖。

圖5是示出氧濃度為16×10¹⁷原子/cm³的晶片的特性的圖。

具體實(shí)施方式

是否存在COP可以通過下述評(píng)價(jià)方法來判斷。通過Czochralski(CZ)法培育硅單晶，從該單晶錠中切出硅晶片。對(duì)從該單晶錠中切出的硅晶片，通過SC-1(氨水、過氧化氫水溶液與超純水以1:1:15(體積比)混合得到的混合液)進(jìn)行洗滌。使用KLA-Tenchor公司制造的Surfscan SP-2作為表面缺陷檢測(cè)裝置，對(duì)洗滌后的硅晶片表面進(jìn)行觀察評(píng)價(jià)，鑒別出在表面形成的被推定為凹坑(凹部)的亮點(diǎn)缺陷(LPD：Light Point Defect)。此時(shí)，觀察模式設(shè)為Oblique模式(傾斜入射模式)，亮點(diǎn)缺陷是否為凹坑的推定基于寬窄通道(Wide Narrow Channel)的檢測(cè)尺寸比來進(jìn)行。對(duì)以這樣的方式鑒別出的LPD，使用原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscope)評(píng)價(jià)是否為COP。此時(shí)，凹坑的形狀呈現(xiàn)八面體的一部分時(shí)，判斷該凹坑為COP。通過該觀察評(píng)價(jià)，能夠判斷是否存在COP。因此，是否為“不含COP的”硅晶片可以通過上述評(píng)價(jià)方法來鑒別。

硅晶片“不含位錯(cuò)簇”是指不含通過Secco蝕刻等蝕刻處理或Cu修飾而顯現(xiàn)化從而能夠以目視水平識(shí)別出的缺陷。

不含COP和位錯(cuò)簇的硅晶片包括氧析出抑制區(qū)域(Pi區(qū)域)和氧析出促進(jìn)區(qū)域(Pv區(qū)域)。這些之中，Pi區(qū)域是指下述區(qū)域：在氧化性氣體氛圍中，對(duì)硅晶片進(jìn)行在1000℃下加熱16小時(shí)的熱處理(以下稱為“氧析出物評(píng)價(jià)熱處理”)，其后，以能夠觀察到沿著厚度方向的截面的方式劈開，通過Wright蝕刻(使用鉻酸)，將該截面的表層部除去2μm厚時(shí)，通過光學(xué)顯微鏡在厚度方向中心處觀察到的氧析出物的密度低于1×10⁴個(gè)/cm²的結(jié)晶區(qū)域。

Pv區(qū)域是指下述區(qū)域：進(jìn)行與按照上述Pi區(qū)域的定義評(píng)價(jià)結(jié)晶區(qū)域是否為Pi區(qū)域時(shí)相同的觀察時(shí)，氧析出物的密度為1×10⁴個(gè)/cm²以上的結(jié)晶區(qū)域。只要滿足該條件，則OSF(Oxidation induced Stacking Fault，氧化感生堆垛層錯(cuò))區(qū)域(在原生(as-grown)狀態(tài)下包含在1000~1200℃下作為OSF而顯現(xiàn)化的板狀氧析出物(OSF核)的區(qū)域)也被包括在Pv區(qū)域中。

如上所述，本發(fā)明的外延硅晶片在不含位錯(cuò)簇和COP的硅晶片的表面上具有外延層。對(duì)該外延硅晶片在1000℃下實(shí)施16小時(shí)的氧析出物評(píng)價(jià)熱處理從而評(píng)價(jià)氧析出物密度時(shí)，該硅晶片的厚度方向中央部處的氧析出物密度遍及該硅晶片的徑向的整個(gè)區(qū)域?yàn)?×10⁴個(gè)/cm³以上。

本發(fā)明的外延硅晶片能夠在厚度方向中央部處遍及徑向的整個(gè)區(qū)域具有5×10⁴個(gè)/cm³以上的氧析出物密度。具有這樣的密度的氧析出物的外延硅晶片遍及其整面的吸雜能力優(yōu)異。

如上所述，本發(fā)明的外延硅晶片的制造方法包括：預(yù)熱處理步驟，對(duì)氧濃度處于9×10¹⁷原子/cm³~16×10¹⁷原子/cm³的范圍內(nèi)、且包含氧析出抑制區(qū)域而不含位錯(cuò)簇和COP的硅晶片，實(shí)施用于提高氧析出物密度的熱處理；以及，外延層形成步驟，在前述預(yù)熱處理步驟之后，在前述硅晶片的表面上形成外延層。該制造方法還包括：熱處理?xiàng)l件確定步驟，基于實(shí)施前述預(yù)熱處理步驟之前的前述硅晶片的氧析出抑制區(qū)域的比例，確定前述預(yù)熱處理步驟中的熱處理?xiàng)l件。

針對(duì)硅晶片，“氧濃度”是指根據(jù)ASTM F121-1979而得到的氧濃度。

對(duì)于在預(yù)熱處理步驟中進(jìn)行熱處理的硅晶片，可以混合存在有氧析出抑制區(qū)域和氧析出促進(jìn)區(qū)域。因此，制造要切出硅晶片的硅單晶時(shí)，能夠拓寬控制工藝的允許幅度。在預(yù)熱處理步驟中進(jìn)行熱處理的硅晶片可以僅由氧析出抑制區(qū)域構(gòu)成。

如果實(shí)施預(yù)熱處理步驟之前的硅晶片的氧濃度為9×10¹⁷原子/cm³以上，則不僅在氧析出促進(jìn)區(qū)域中、而且在氧析出抑制區(qū)域中也可以通過預(yù)熱處理來提高氧析出物的密度。如果實(shí)施預(yù)熱處理步驟之前的硅晶片的氧濃度高于16×10¹⁷原子/cm³，則氧析出變得過多，氧析出物形成直至形成外延層的晶片表面?zhèn)龋嬖诋a(chǎn)生由氧析出物引起的外延缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

依照本發(fā)明的要件實(shí)施了預(yù)熱處理步驟中的熱處理的硅晶片即使在外延層形成步驟中被加熱，氧析出物也不會(huì)消失，通過在實(shí)施外延層形成步驟后在適當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行加熱，在晶片的厚度方向中央部處遍及徑向的整個(gè)區(qū)域以5×10⁴個(gè)/cm³以上的密度形成氧析出物。因此，通過本發(fā)明的方法，能夠制造遍及整面的吸雜能力優(yōu)異的外延硅晶片。

預(yù)熱處理步驟中的熱處理時(shí)間(維持于規(guī)定熱處理溫度的時(shí)間；以下稱為“預(yù)熱處理保持時(shí)間”)根據(jù)目標(biāo)的氧析出物密度而大致在0.5~16小時(shí)的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定即可。作為預(yù)熱處理保持時(shí)間，優(yōu)選為該范圍的時(shí)間的理由如下所示。在預(yù)熱處理保持時(shí)間低于0.5小時(shí)的情況下，氧析出抑制區(qū)域中的氧析出物的生長(zhǎng)變得不充分，會(huì)因外延層形成步驟中的高溫?zé)崽幚矶鴮?dǎo)致氧析出物消失。此外，如果預(yù)熱處理保持時(shí)間超過16小時(shí)，則氧析出變得過多，容易發(fā)生以存在于晶片表面上的氧析出物作為起點(diǎn)的外延缺陷(堆垛層錯(cuò))。

作為在外延層形成步驟中形成的外延層，可以舉出硅外延層。形成外延層的方法沒有特別限定，例如可以通過CVD法等在通常的條件下形成。例如，可以以氫氣作為載氣，將二氯硅烷、三氯硅烷等源氣體導(dǎo)入至容納有硅晶片的室內(nèi)，在大致1000~1200℃范圍的溫度(生長(zhǎng)溫度)下通過CVD法使硅外延層生長(zhǎng)于硅晶片上。生長(zhǎng)溫度還因所使用的源氣體的種類而異。外延層的厚度優(yōu)選為0.5~15μm的范圍內(nèi)。

適合的是，在熱處理?xiàng)l件確定步驟中，以滿足下述關(guān)系式(1)~(3)中的任一者的方式，確定預(yù)熱處理步驟中的熱處理?xiàng)l件，

9×10¹⁷原子/cm³≤Co<11.5×10¹⁷原子/cm³時(shí)：

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤800 　(1)

11.5×10¹⁷原子/cm³≤Co<13.5×10¹⁷原子/cm³時(shí)：

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤900-(13.5×10¹⁷-Co)×5×10^-16 　(2)

13.5×10¹⁷原子/cm³≤Co≤16×10¹⁷原子/cm³時(shí)：

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤900 　(3)。

上述關(guān)系式(1)~(3)中，T、X和Co的含義如下所示，

T：預(yù)熱處理步驟中的熱處理溫度(℃)

X：硅晶片半徑方向的氧析出抑制區(qū)域的寬度相對(duì)于硅晶片的半徑的比例(%)

Co：硅晶片的氧濃度(原子/cm³)。

實(shí)施例

為了確認(rèn)本發(fā)明的效果，進(jìn)行下述試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

通過Czochralski法，制造不含COP和位錯(cuò)簇、且直徑為約300mm的多個(gè)硅單晶，從這些硅單晶的各部位切出硅晶片。培育硅單晶時(shí)，變更培育條件以使得氧濃度和氧析出抑制區(qū)域的比例各不相同。

表1示出所得硅晶片的氧濃度以及氧析出抑制區(qū)域的比例。氧析出抑制區(qū)域的比例用硅晶片半徑方向的氧析出抑制區(qū)域的寬度相對(duì)于硅晶片的半徑的比例(%；以下稱為“Pi比例”)來表示。像這樣，在所得硅晶片中，氧濃度存在5個(gè)水平、Pi比例存在4個(gè)水平，氧濃度與Pi比例的組合存在20個(gè)水平。任一硅晶片均包含氧析出抑制區(qū)域(Pi比例不為0)。

[表1]

。

針對(duì)這些硅晶片，改變溫度來進(jìn)行16小時(shí)的熱處理(預(yù)熱處理)。將熱處理的溫度示于表1。其后，將各硅晶片運(yùn)送至單片式外延生長(zhǎng)裝置(アプライドマテリアルズ公司制)內(nèi)，在裝置內(nèi)在1120℃的溫度下實(shí)施30秒鐘的氫氣烘烤處理后，以氫氣作為載體、以三氯硅烷作為源氣體，在1150℃下通過CVD法在硅晶片上生長(zhǎng)厚度為4μm的硅外延層，從而得到外延硅晶片。

接著，在1000℃下對(duì)這些外延硅晶片進(jìn)行16小時(shí)的氧析出物評(píng)價(jià)熱處理。其后，將這些外延硅晶片在晶片的厚度方向上以包括晶片中心的面劈開，將該劈開面用Wright蝕刻液進(jìn)行2μm蝕刻，通過倍率為500倍的光學(xué)顯微鏡測(cè)定在該蝕刻面上顯現(xiàn)化的凹坑的密度，將其作為氧析出物密度。氧析出物密度的測(cè)定在沿著晶片徑向上的多個(gè)部位處進(jìn)行。

圖1~圖5示出各氧濃度下的各個(gè)晶片的特性。任一圖中，均示出預(yù)熱處理的溫度T的倒數(shù)(1/T(/℃))和100-Pi比例與氧析出物評(píng)價(jià)熱處理后的氧析出物密度是否遍及晶片整面為5×10⁴個(gè)/cm²以上之間的關(guān)系。圖1~圖5的每一個(gè)中，橫軸取為1/T(一并示出T值(標(biāo)記了“℃”的數(shù)值))，縱軸取為100-Pi比例、即非Pi區(qū)域的區(qū)域的比例。此外，圖1~圖5的每一個(gè)中，在氧析出物密度遍及晶片整面為5×10⁴個(gè)/cm²以上的條件區(qū)域內(nèi)標(biāo)記了影線。

各圖中，氧析出物密度遍及晶片整面為5×10⁴個(gè)/cm²以上的條件區(qū)域(以下稱為“高BMD濃度條件區(qū)域”)為比向右上升的曲線更靠近高溫的一側(cè)(各圖中的左側(cè))、且為比垂直于橫軸的直線靠近低溫的一側(cè)(各圖中的右側(cè))。即，這些線的至少一部分成為高BMD濃度條件區(qū)域與除此之外的區(qū)域之間的邊界。

作為預(yù)熱處理的溫度T(℃)且氧析出物評(píng)價(jià)熱處理后的氧析出物密度遍及晶片整面達(dá)到5×10⁴個(gè)/cm²以上的溫度范圍如下所示。在下述式中，X為Pi比例。

晶片的氧濃度Co為9×10¹⁷原子/cm³以上且低于11.5×10¹⁷原子/cm³時(shí)(參照?qǐng)D1)，

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤800 　(1)。

晶片的氧濃度Co為11.5×10¹⁷原子/cm³以上且低于13.5×10¹⁷原子/cm³時(shí)(參照?qǐng)D2和圖3)，

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤900-(13.5×10¹⁷-Co)×5×10^-16 　(2)。

晶片的氧濃度Co為13.5×10¹⁷原子/cm³以上且16×10¹⁷原子/cm³以下時(shí)(參照?qǐng)D4和圖5)，

(Co×(100-X)/5.3×10⁵¹)^(-1/11.29)<T≤900 　(3)。

如上所述可明確，根據(jù)晶片的氧濃度Co和Pi比例X，按照上述(1)~(3)中的任一式來確定外延層形成前的熱處理溫度T，由此能夠制造遍及晶片整面的氧析出物評(píng)價(jià)熱處理后的氧析出物密度為5×10⁴個(gè)/cm²以上的外延硅晶片。這樣的外延硅晶片的吸雜能力高。

此外，針對(duì)以表1所示的各水平分別制作的外延硅晶片，測(cè)定在外延層的表面觀察到的LPD的密度。具體而言，針對(duì)各外延硅晶片的外延層表面，使用KLA-Tencor公司制造的Surfscan SP1作為L(zhǎng)PD評(píng)價(jià)裝置，用Normal模式進(jìn)行LPD的測(cè)定，在算作90nm以上的LPD的LPD之中，將算作LPD-N的LPD檢測(cè)為外延缺陷。其結(jié)果確認(rèn)，對(duì)于任一外延硅晶片的外延缺陷，平均1個(gè)晶片的外延缺陷均為10個(gè)以下，外延缺陷少。