專利名稱：硅晶片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅晶片及其制備方法。更具體地，本發(fā)明涉及使用空隙區(qū)，通過摻雜氮
和氫以及拋光(鏡面制造)而獲得的硅晶片(鏡面晶片)，還涉及制備該硅晶片的方法。
背景技術(shù)：
將用于半導(dǎo)體集成電路(半導(dǎo)體器件)基底中的硅晶片從硅晶體上切割下來，以 用于制備該單晶所最廣泛采用的方法是通過Czochralski方法的生長法(在下文中也被稱 作"CZ法")。CZ法是在石英坩堝中將晶種浸入熔融硅中，并將其提拉起來而生長單晶的方 法，通過該生長技術(shù)的進(jìn)展，已制得了具有較少缺陷而且沒有過渡段(transition)的大尺 寸單晶。 半導(dǎo)體器件在商業(yè)上是通過采用上述CZ方法提拉單晶，使用由該單晶硅(生成狀 態(tài)的晶片)所獲得的晶片作為基底，并且對(duì)其進(jìn)行多種電路形成加工而生產(chǎn)的。在這樣的 晶片中，有通過在晶體生長過程中的點(diǎn)缺陷聚集所產(chǎn)生的生長缺陷(grow-in defect)存 在。由于這些缺陷暴露于晶體表面上，這損害了形成于其上的器件的性能，從而引起了問 題。 為了制得具有減小的密度或減小尺寸的這類生長缺陷的硅晶片，已經(jīng)嘗試了各種 方法。首先，專利文獻(xiàn)1公開了一種技術(shù)，其中在硅晶片生產(chǎn)中將提拉速度設(shè)置在預(yù)定的范 圍內(nèi)，并且將用于摻雜(添加)到被提拉晶體中的氮濃度設(shè)置為等于或高于lxlO"原子/
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cm 。 另外，專利文獻(xiàn)2公開了一種技術(shù)，其中在硅晶體的生產(chǎn)中，將上述單晶中的氮設(shè) 為lxlO"-5xlO"原子/cm 并且將生長器件內(nèi)的氣氛中的氫氣分壓設(shè)置為40-400Pa。另外， 其還公開了缺陷區(qū)是氧化誘生層錯(cuò)區(qū)(在下文中也被簡單地稱作"OSF")、Pv區(qū)(空孔占 優(yōu)勢地位的無缺陷區(qū)域)和Pi區(qū)(晶格間元素占優(yōu)勢地位的無缺陷區(qū)域)。
專利文獻(xiàn)1 :JP. No. 3255114
專利文獻(xiàn)2 :JP-A-2006-31257
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題 根據(jù)上述專利文獻(xiàn)1和2的制備方法，在摻雜氮的硅晶體(在下文中也可以被簡 單地稱作"氮摻雜晶體")的OSF區(qū)不存在空隙(空孔)。然而，這樣的OSF區(qū)具有表現(xiàn)出 晶體中缺乏晶體缺陷的低指數(shù)，這損害了氧化物膜耐壓特性，即C模式(真正的破壞區(qū)域) 特性(高C模式合格率)。另外，在這樣氮摻雜的晶體中，具有相對(duì)低空隙密度的區(qū)域(具 體地，在氮摻雜晶體中空隙密度大于lxlOVcm3且小于或等于5xlOVcm3的區(qū)域)也具有低 C模式特性?？傊ㄟ^上述專利文獻(xiàn)1所獲得的氮摻雜晶體不能完全被稱為具有高C模式 特性，其在氧化物膜耐壓特性上也比較差。這意味著在上述氮摻雜晶體中遍布著空隙或一 些微缺陷，而這會(huì)在半導(dǎo)體器件的使用中帶來不合適的問題。
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在這些情況下，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供由具有氧化膜優(yōu)異耐壓特性和高c模式 特性(高c模式合格率)的硅晶體構(gòu)成的硅晶片。另外，本發(fā)明的另一目的是提供用于生
產(chǎn)上述硅晶片的方法。 用于解決問題的方法 考慮到上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人所進(jìn)行的深入研究的結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)要使硅晶體 (單晶硅)具有優(yōu)異的氧化膜耐壓特性和高C模式特性(高C模式合格率優(yōu)良)，可以通過 以預(yù)定的濃度添加氮和氫來實(shí)現(xiàn)。 另外，如以預(yù)定的濃度添加氮和氫一樣，在提拉硅晶體中，以預(yù)定的溫度梯度(下 文中稱為"晶體生長徑向方向上的平均溫度梯度"或簡稱"G")，并且以預(yù)定的提拉速度(在 下文中簡稱為"V")進(jìn)行"驟冷"處理。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過該處理，可以獲得具有更優(yōu)異的氧化 膜耐壓特性及更高的C模式特性的硅晶體，由此完成了本發(fā)明。 在這里，將對(duì)本發(fā)明中的"驟冷"的特性進(jìn)行解釋。按照慣例，為提高生產(chǎn)力，可 進(jìn)行硅晶體的驟冷操作。然而，在常規(guī)的驟冷處理中，通常的情況是既增加溫度梯度，也增 加提拉速度。另一方面，作為嘗試和錯(cuò)誤的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在"驟冷"中， 通過將溫度梯度限制在很窄的預(yù)定范圍內(nèi)，同時(shí)將提拉速度保持在與常規(guī)方法類似的水平 時(shí)，將會(huì)使得空隙密度顯著變小，并且使得空隙聚集體的形狀成為泡狀形狀，而這卻不會(huì)對(duì) 半導(dǎo)體器件產(chǎn)生影響。 也就是說，用于達(dá)到上述目的的本發(fā)明涉及具有氮和氫的硅晶片，其特征在于 相對(duì)于總的空隙數(shù)，存在等于或多于50%的構(gòu)成泡狀空隙聚集體的多個(gè)空隙；空隙密度大 于2xl0Vcm3并且低于1x107cm3的VI區(qū)占硅晶片總面積的等于或小于20% ;空隙密度為 5X102-2xl04/Cm3的V2區(qū)占硅晶片總面積的等于或多于80% ;且內(nèi)部微缺陷的密度是等于 或高于5xl07cm3。 另外，為了達(dá)到上述目的，用于制備本發(fā)明相關(guān)硅晶片的方法的特征在于該硅晶 片是通過在以下條件下得到的通過切割提拉的硅晶體；通過將硅晶體中的氮濃度設(shè)置為 3xl013-3xl015原子/cm3 ;通過將晶體提拉爐內(nèi)的壓力設(shè)置到40-250毫巴；通過將1_3. 8體 積％的氫引入到氣氛中；通過在1100-1200 °C下提拉所述硅晶體的過程中，將所述硅晶體 徑向方向的溫度梯度設(shè)置為高于3. 5°C /mm ;以及通過控制空隙密度大于2xl04/cm3并且低 于1x107cm3的VI區(qū)為所述硅晶片總面積的20%，以作為晶體提拉速度的上限值；以及使 空隙密度為5X102-2X104/Cm3的V2區(qū)為所述硅晶片總面積的80% ，以作為晶體提拉速度的 下限值。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) 根據(jù)本發(fā)明，可以獲得高質(zhì)量的硅晶片(鏡面鏡片)，其是由具有氧化膜優(yōu)異耐壓 特性和高C模式特性(高C模式合格率)的硅晶體構(gòu)成的，并適合用作半導(dǎo)體器件。另外， 可以進(jìn)一步提高硅晶體的提拉速度，從而也可以提高生產(chǎn)率。


下面將參照附圖解釋實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方案。應(yīng)該注意上述附圖是用于幫助 理解本發(fā)明的示意圖，因此尺寸和形狀以及構(gòu)型的比例關(guān)系是以夸張手法繪制的。因此，上
述附圖不同于實(shí)物圖。
圖1是硅晶體的橫截面圖，其示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案進(jìn)行氮和 氫的摻雜處理、以及驟冷處理時(shí)對(duì)產(chǎn)生晶體缺陷的影響。 圖2是透射電子顯微鏡照片，其顯示了存在于常規(guī)硅晶體中的八面體狀的空隙聚 集體。 圖3是透射電子顯微鏡照片，其顯示了本發(fā)明第一實(shí)施方案相關(guān)硅晶片中存在的 泡狀空隙聚集體。 圖4示意性地顯示了八面體狀空隙和泡狀空隙對(duì)氧化膜形成的影響。 圖5所示為本發(fā)明中使用的單晶生產(chǎn)裝置實(shí)例的示意性橫截面圖。 圖6所示為硅晶體的提拉速度和缺陷區(qū)域之間的關(guān)系圖。 圖7所示為硅晶體中空隙及0SF的面內(nèi)分布、及C模式合格率之間的關(guān)系的研究 結(jié)果圖。 圖8所示為在硅晶體中的VI區(qū)和V2區(qū)以及V/G與V之間的關(guān)系圖。 附圖標(biāo)記 110:硅晶片 2a :加熱腔 2b:提拉腔 2c:中間腔室 3a :石英坩鍋 3b :石墨坩鍋 4 :加熱器 5 :旋轉(zhuǎn)軸 8 :提拉線 9:晶種 10 :卡盤(chuck) 11 :線巻取機(jī) 12 :熱絕緣體 13:氣體引入口 14:氣體排放口 21 :液體冷卻結(jié)構(gòu)體 22 :冷卻體 25 :爆炸粘接接合部 L :熔融液 S :單晶
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施方案 本發(fā)明的第一實(shí)施方案涉及具有氮和氫的硅晶片，其特征在于相對(duì)于總的空隙 數(shù)，存在等于或多于50%的構(gòu)成泡狀空隙聚集體的多個(gè)空隙；空隙密度大于2xlOVcm3并且 低于lxl07cm3的VI區(qū)占硅晶片總面積的等于或小于20% ;空隙密度為5X102-2xl04/cm3的V2區(qū)占硅晶片總面積的等于或多于80% ;并且內(nèi)部微缺陷密度等于或高于5xl07cm3。
本實(shí)施方案相關(guān)的硅晶片的技術(shù)意義在于含有氮和氫的要點(diǎn)；具有在器件加工中 滿足吸雜(gettering)所要求的內(nèi)部微缺陷度(在下文中被稱作"BMD值")的要點(diǎn)；以及空 隙密度和形狀及聚集體形成的要點(diǎn)；以上要點(diǎn)為不可分隔的整體。下面將對(duì)這些條件(要 求)中的每一條詳細(xì)解釋。 圖1是硅晶體的橫截面圖(相位圖)，其示意顯示了根據(jù)本實(shí)施方案進(jìn)行氮和氫 的摻雜處理以及"驟冷"處理對(duì)產(chǎn)生晶體缺陷的影響(后面將對(duì)"驟冷"處理進(jìn)行解釋)。 更詳細(xì)地，當(dāng)在縱向上觀察的時(shí)候，圖1所示的硅晶體在更向上的位置上表現(xiàn)出具有更高 的晶體提拉速度。另外，在圖1中，[A]表示沒有摻雜的情形，[B]表示僅僅摻雜氮的情形， [C]表示僅僅摻雜氫的情形，[D]表示摻雜氮并且進(jìn)行"驟冷"處理的情形，[E]表示摻雜氮 和氫，并且進(jìn)行"驟冷"處理的情形。圖1中[A]至[E]的任何一種情形都具有V區(qū)，V區(qū)具 有空隙(具有由缺乏硅原子所產(chǎn)生的很多凹陷部的區(qū)域，即空洞)，OSF區(qū)(由晶格間硅加 載到氧化態(tài)硅上時(shí)所產(chǎn)生的層錯(cuò)區(qū))，Pv區(qū)，Pi區(qū)，和I區(qū)(具有由存在的剩余硅原子或大 量剩余硅原子所產(chǎn)生的很多過渡段的區(qū)域)。圖1中的[A]-[D]和[E]的空隙形狀不同，并 且圖1中的[D]和[E]在部分V區(qū)中具有特定的V1區(qū)和V2區(qū)特性。在下表1中總結(jié)了在 [A]-[E]中存在或不存在的每一種處理。
表1
[B][c][D][E]
摻雜氮無有無有有
摻雜氫無無有無有
驟冷處理無無無有有
備注平直的V/G 首先，已清楚知道的是，常規(guī)硅晶體的V區(qū)域中所存在的空隙的形狀是如圖2中所 示的具有{111}面的八面體(9)。在通過Czochralski法生產(chǎn)的晶體尺寸等于或大于200mm 的硅晶體中，八面體空隙的尺寸為約100-300nm。這樣的八面體狀空隙可能對(duì)器件性能的降 低，特別是氧化物膜耐壓性產(chǎn)生很大的影響。 另一方面，在與本實(shí)施方案相關(guān)的硅晶片中，存在由多個(gè)空隙構(gòu)成的泡狀空隙聚 集體，并且相對(duì)于總空隙數(shù)，包含在這樣的泡狀空隙聚集體中的空隙的數(shù)量等于或高于 50% (參照?qǐng)Dl的(E))。在這里，上述"總空隙數(shù)"表示包含在泡狀空隙聚集體中的空隙， 以及沒有包含在泡狀空隙聚集體中的空隙的總數(shù)。 本發(fā)明人用透射電子顯微鏡(TEM， JEM-2010，由JEOL， Ltd.生產(chǎn))觀察該硅晶體 (硅晶片)，作為深入研究的結(jié)果。觀察的方向是iio方向，并且衍射條件被設(shè)定為雙波條
6件，其中激發(fā)了 220反射。通過將失配量S從Bragg條件設(shè)定到大于lg，觀察到了上述的泡 狀空隙聚集體，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與常規(guī)八角體狀空隙相比，這樣的泡狀空隙聚集體具有顯著 改善高C模式特性的關(guān)聯(lián)。下面將對(duì)泡狀空隙聚集體進(jìn)行解釋。 圖3所示為本實(shí)施方案的硅晶體中存在的泡狀空隙聚集體的透射電子顯微鏡照 片。如圖3所示，當(dāng)多個(gè)不具有{111}面、并且不是規(guī)則八角體的不規(guī)則空隙聚集的時(shí)候， 上述泡狀形狀看起來象所謂的泡泡。因此，在硅晶片(硅晶體)中觀察到的奇異的空隙聚 集體被稱為"泡狀空隙聚集體"。在硅晶片具有這樣的空隙構(gòu)型的情況下，如下面將描述的， 這樣的效果會(huì)表現(xiàn)為該空隙對(duì)器件的不良影響較小。另外，結(jié)果是本實(shí)施方案中的泡狀空 隙聚集體可以被稱為相當(dāng)"無害"的空隙。 泡狀空隙較小降低氧化物膜耐壓特性的機(jī)理推測如下。圖4所示為其中氧化膜形 成于暴露在硅晶片表面的空隙上狀態(tài)的示意性橫截面圖。首先，(A)顯示了八角體空隙的 情形，(B)顯示了泡狀空隙聚集體的情形。在八角體空隙的情況下，空隙從來不會(huì)被氧化膜 完全覆蓋，從而提供了氧化物膜不完全形成的狀態(tài)。在這樣的氧化膜中，耐壓特性容易被破 壞。相反，在其中泡狀空隙聚集體暴露于表面的情況下，其被氧化膜完全覆蓋，這是因?yàn)闃?gòu) 成泡狀空隙聚集體的每個(gè)空隙的尺寸很小。結(jié)果是，該氧化膜的耐壓特性很難被破壞。另 一方面，已知僅僅加入氮的硅晶體的空隙為板狀或棒狀(參考JP-A-2001-151596)。在這樣 的空隙的情況下，如(C)所示，空隙從來不會(huì)被氧化膜完全覆蓋，所以與上面(A)類似，其耐 壓特性容易降低。 從上面可知，在空隙形成泡狀空隙聚集體的情況下，構(gòu)成泡狀空隙聚集體的每個(gè) 空隙的尺寸很小，并且是基本上球形的不規(guī)則形狀，這使得氧化膜耐壓特性難以降低。應(yīng)注 意的是，在該描述中的"基本上球形的不規(guī)則形狀"意味著具有比率A/B(縱橫比)等于或小 于2的形狀，其中在通過從特定的觀察表面觀察空隙來測量尺寸的過程中，A是最大直徑， 而B是與獲得A的方向相垂直方向上的直徑。如圖4(C)所示，在縱橫比大于2的情況下， 空隙從來不會(huì)被氧化膜完全覆蓋，因此其耐壓特性容易降低。 構(gòu)成聚集體10的不規(guī)則空隙的尺寸優(yōu)選等于或小于50nm，并且更優(yōu)選等于或小 于30nm。構(gòu)成聚集體的空隙的數(shù)量沒有特別限制，只要其是多個(gè)，然而，其優(yōu)選等于或多于 5個(gè)，更優(yōu)選等于或多于10個(gè)，并且更優(yōu)選20-100個(gè)。在上述范圍內(nèi)的空隙尺寸可進(jìn)一步 改善聚集體的"無害"程度。特別是，在構(gòu)成聚集體的空隙的數(shù)量等于或多于5個(gè)的情況下， 可以用TEM(將在后面進(jìn)行描述)容易地辨認(rèn)該聚集體IO。也就是說，在本說明書中使用顯 微鏡觀察(觀測)空隙的所有情況下，都應(yīng)該使用上述TEM，雖然對(duì)分辨率還是有限制的。
另外，優(yōu)選該聚集體以等于或多于總空隙(具有任何形狀的空隙，包括泡狀形狀 或八角體形狀的空隙)的75%存在，更優(yōu)選以等于或多于90%存在。在聚集體存在于上述 范圍內(nèi)時(shí)，將更能改善該聚集體的"無害"程度。 接下來，將對(duì)泡狀空隙聚集體的比率與氧化膜耐壓特性之間的關(guān)系進(jìn)行描述。如 上所述，泡狀空隙使得難以降低氧化膜的耐壓特性。因此，通過增加對(duì)氧化膜耐壓特性"無 害"的泡狀空隙聚集體在總空隙數(shù)中的比例，就可以提高氧化膜耐壓特性。通過將泡狀空 隙聚集體的比例設(shè)置為等于或高于50 % ，空隙密度大于2xl0Vcm3并且低于1X107cm3的VI 區(qū)的高C模式合格率為20-40% ;空隙密度為5X102-2xl04/Cm3的V2區(qū)的高C模式合格率 為70-100%。在沒有泡狀空隙聚集體的情況下，VI區(qū)和V2區(qū)兩者的高C模式合格率都僅
在本發(fā)明的說明書中，缺陷(空隙)區(qū)域通過下列方法評(píng)估(確認(rèn))?？障对诠?晶片的面內(nèi)分布通過使用由Raytex Co.生產(chǎn)的市售缺陷評(píng)估儀LSTD掃描儀(M0_6)測量 的。該M0-6從入射角的角度發(fā)出可見光激光，并且將檢測到的p-極化光散射圖作為缺陷 圖，其中照相機(jī)設(shè)置在豎直方向。由于激光僅僅從基底表面向下穿透5ym，因此，可以測量 到基底表面以下5 m深度的缺陷。在該測量中，將空隙的尺寸設(shè)置為等于或大于50nm，當(dāng) 轉(zhuǎn)換為球形時(shí)，就可以通過調(diào)整檢測靈敏度來測量?？障兜捏w積密度是通過所測量空隙的 面密度和5 m的測量深度計(jì)算的。另外，空隙密度大于2xl0Vcm3且低于1x107cm3的區(qū)域 定義為VI區(qū)，而空隙密度為5X102-2X104/Cm3的區(qū)域則定義為V2區(qū)。 另外，在本說明書中，泡狀空隙聚集體是通過下面的方法確認(rèn)的。將通過使用M0-6 觀察到的那些空隙中的約10個(gè)空隙通過使用透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行形狀研究。在這 里，由多個(gè)空隙聚集的空隙(由圖3的照片所示，經(jīng)確認(rèn)，等于或多于40個(gè)空隙存在于該空 隙聚集體中)定義為泡狀空隙聚集體。聚集體的比例用TEM由觀察結(jié)果確認(rèn)。
除了上面的空隙構(gòu)型外，上述硅晶片具有兩個(gè)空隙密度在預(yù)定范圍內(nèi)的區(qū)域(VI 區(qū)和V2區(qū))，它們比V區(qū)中的密度明顯更小。這里在本說明書中，"V1區(qū)"定義為空隙密度 大于2xl0Vcm3且低于lxl07cm3的區(qū)域，"V2區(qū)"定義為空隙密度為5xl02-2xl04/cm3的區(qū) 域。這里在本發(fā)明的說明書中，"空隙密度"意味著單位面積內(nèi)具有任意形狀的包括泡狀形 狀或者八角體狀形狀的空隙的數(shù)量。應(yīng)該注意到在泡狀空隙聚集體的情況下，構(gòu)成聚集體 的每個(gè)空隙作為一個(gè)空隙被測量。 如圖l[E]中所示，該實(shí)施方案中V1區(qū)和V2區(qū)存在于V區(qū)2(比圖1的[A]-[D] 的V區(qū)2更窄)和OSF區(qū)之間。與V區(qū)(超過lxl07cm3)相比，具有顯著更低空隙密度的 VI區(qū)和V2區(qū)(特別是V2區(qū))被認(rèn)為是在本發(fā)明中提供與常規(guī)硅晶體相比，具有顯著地優(yōu) 異的氧化膜耐壓特性、顯著高的C模式特性的硅晶體、以及在所存在的大多數(shù)部分空隙中 為泡狀空隙聚集體(10)的效果的一個(gè)因素。 在上述硅晶片基本上不含氫(圖1的[A] 、 [B]和[D])的情況下，除了上述的空隙 構(gòu)型外，考慮到空隙形狀(八角體)等，甚至當(dāng)空隙密度等于或低于2xlOVcm3時(shí)，一定程度 上都難以獲得適用于半導(dǎo)體器件的高C模式特性。 另一方面，在與本實(shí)施方案相關(guān)的硅晶片中，通過除氮外同時(shí)摻雜氫，以及通過進(jìn)
行上述"驟冷"處理，空隙變成主要為泡狀形狀，而不是四面體形狀(圖1的(E))，此外與常
規(guī)的硅晶片相比，可以使空隙密度顯著更低。在等于或低于2xlOVcm3的情況下(等于或低
于V2區(qū)的上限值)，除了上述空隙構(gòu)型外，其還對(duì)氧化膜產(chǎn)生較小的負(fù)面影響。結(jié)果是，本
實(shí)施方案的硅晶體可提供具有優(yōu)異的氧化膜耐壓特性，和顯著高的C模式特性。 另外，空隙密度等于或高于5xl07cm3(等于或高于V2區(qū)的下限值)的區(qū)域，除了
上述空隙構(gòu)型外，該區(qū)域的多數(shù)部分不會(huì)與在空隙密度低于5xl07cm3的區(qū)域中所存在的
OSF區(qū)交迭。因此，某種程度上可以獲得適合用于本實(shí)施方案相關(guān)半導(dǎo)體器件中的高C模式
特性。應(yīng)該注意到在圖1(E)中用方框包圍的區(qū)域表示與本實(shí)施方案相關(guān)的硅晶片11。應(yīng)
該注意，當(dāng)觀察圖1的(E)時(shí)，僅僅在硅晶片IIO兩端部的一小部分包括OSF區(qū)。 在這里，空隙密度高于lxl07cm3的V區(qū)具有0 %的高C模式合格率，但是這樣的
區(qū)域即使以很小的量存在于硅晶片中，也可能難以制得高C模式合格率在整體上等于或高于70%的硅晶片。另一方面，由于空隙密度為2X104-5X107cm3的V2區(qū)具有70_100%的高 C模式合格率，通過將晶片的整個(gè)表面設(shè)置為V2區(qū)，將有可能制得整個(gè)硅晶片的高C模式合 格率等于或高于70%的硅晶片。位于V區(qū)和V2區(qū)之間的VI區(qū)具有20-40%的高C模式合 格率，但是，只要該區(qū)域以等于或低于硅晶片總面積20%的比例存在，則有可能得到整個(gè)硅 晶片的高C模式合格率等于或高于70% 。 考慮到抑制生長缺陷的生成時(shí)，優(yōu)選空隙密度要盡可能小，但是當(dāng)考慮到生產(chǎn)率， 將下面要描述的V/G下限值指定為0. 7的時(shí)候，空隙密度則應(yīng)為等于或高于5xl07cm3。
以這種方式指定的V2區(qū)占本實(shí)施方案相關(guān)硅晶片11總面積的等于或高于80%。 在這樣的情況下，氧化膜耐壓特性變得非常好，并且高C模式合格率(C模式合格率)可以 等于或高于70%。在高C模式合格率等于或高于70X的情況下，這樣的硅晶片可以充分用 于與閃存相比不要求有很嚴(yán)格的氧化膜耐壓特性的器件，例如DRAM等。另外，V2區(qū)優(yōu)選占 硅晶片11總面積的等于或高于90%，并且更優(yōu)選95-100%。 另一方面，VI區(qū)(空隙密度大于2X10Vcm3并且低于lxl07cm3的區(qū)域)占硅晶片 110總面積的等于或少于20% 。在這樣的情況下，氧化膜耐壓特性變得更好，并且高C模式 合格率一定會(huì)等于或高于70% 。 另外，本實(shí)施方案相關(guān)硅晶片110的BMD密度等于或高于5xl07cm 優(yōu)選等于或 高于lxl07cm 更優(yōu)選等于或高于lxl07cm3。應(yīng)該注意到上述BMD密度恰當(dāng)?shù)匾馕吨鵁崽?理后的BMD密度，并且在這樣的范圍內(nèi)的上述BMD密度可以提供充分的吸雜能力。
本說明書中的BMD密度是如下測量的。首先，對(duì)硅晶片110在78(TC下進(jìn)行3個(gè)小 時(shí)、接下來在100(TC下進(jìn)行16個(gè)小時(shí)的氧沉積熱處理(在下文中還稱作"沉積熱處理")。 然后，將硅晶片11劈開，通過由Raytex Co.生產(chǎn)的BMD分析儀M0-4對(duì)硅晶片110進(jìn)行面 內(nèi)BMD測量。測量點(diǎn)的面內(nèi)位置是從中心到邊緣10mm，以10mm的間距設(shè)置。在這樣的方式 下，確定了 BMD密度的值。
第二實(shí)施方案 本發(fā)明的第二實(shí)施方案相應(yīng)于上述第一實(shí)施方案相關(guān)硅晶片的制備方法。也就 是說，將硅晶體中的氮濃度設(shè)定為3xl0"-3xl0"原子/cm3;將晶體提拉爐內(nèi)的爐壓設(shè)定 為40-250毫巴；將1_3.8體積％的氫引入到氣氛中；并且在1100-120(TC下提拉上述硅 晶體期間將上述硅晶體徑向方向上的溫度梯度設(shè)置為等于或高于3. 5°C /mm。此外，控制 晶體的提拉速度，使得空隙密度大于2xl0Vcm3并且低于lxl07cm3的VI區(qū)為硅晶片總面 積的20%，以作為晶體提拉速度的上限值。同時(shí)，控制晶體的提拉速度，使得空隙密度為 5X102-2X104/Cm3的V2區(qū)為硅晶片總面積的80%，以作為晶體提拉速度的下限值。在該方 法中，特征在于通過切割提拉硅晶體以獲得硅晶片。上述提拉速度的控制是通過控制V1區(qū) (空隙密度大于2xl0Vcm3并且低于lxl07cm3的區(qū)域)、V2區(qū)(空隙密度為5X102-2xl04/ cm3的區(qū)域)和OSF區(qū)的尺寸(寬度)進(jìn)行的。應(yīng)該注意對(duì)上述提拉爐沒有特別限制，只要 能夠達(dá)到本發(fā)明的晶體生長條件即可。另外，下文將對(duì)提拉速度的控制進(jìn)行描述。
用于制備本發(fā)明相關(guān)硅晶片的方法的技術(shù)意義在于以下不可分隔的整體以預(yù)定 的濃度加入(摻雜)氮和氫的要點(diǎn)；將硅晶片的直徑和晶體提拉爐內(nèi)的壓力設(shè)定為預(yù)定值 的要點(diǎn)；以預(yù)定的溫度梯度和提拉速度在晶體提拉中驟冷處理的要點(diǎn)；及調(diào)整空隙密度使 其處于預(yù)定范圍內(nèi)的要點(diǎn)。
下面將對(duì)這樣的技術(shù)意義進(jìn)行詳細(xì)的解釋。首先，通過該實(shí)施方案的構(gòu)造(特別 是如上所述以預(yù)定的濃度加入氮和氫，以及在預(yù)定的溫度梯度和速度下進(jìn)行"驟冷"處理)， 可以縮小0SF區(qū)。結(jié)果是， 一些可能存在于OSF區(qū)內(nèi)的微缺陷可以得到消除，并且空隙密度 可以降低到大于lxlOVcm 且等于或低于5xlOVcm3的范圍內(nèi)。這樣，就可以制得具有優(yōu)異 的氧化膜耐壓特性和高C模式特性的硅晶片。換句話說，通過OSF區(qū)的縮小，可以在很寬的 范圍內(nèi)出現(xiàn)從未穿過OSF區(qū)的低空隙密度區(qū)。另外，通過本實(shí)施方案相關(guān)制備方法所獲得 的硅晶片的大部分是這樣的低空隙密度區(qū)域，其僅具有痕量的收縮OSF區(qū)(在圖1(E)的硅 晶片110的端部)。 首先，將參照實(shí)施例圖5對(duì)單晶生產(chǎn)裝置進(jìn)行解釋，該裝置能夠進(jìn)行上面的"驟 冷"處理，圖5所示為用于本發(fā)明的單晶生產(chǎn)裝置實(shí)例中的示意性橫截面圖。圖5中所示的 單晶生產(chǎn)裝置具有用于熔化半導(dǎo)體材料的部件，或者用于提拉生長單晶的構(gòu)件，用于熔化 半導(dǎo)體材料的部件容納在加熱腔2a內(nèi)，用于提拉生長單晶的構(gòu)件安裝在提拉腔2b的內(nèi)部 和外側(cè)，提拉腔2b構(gòu)成了一部分上部結(jié)構(gòu)體，其被設(shè)計(jì)成可以與該加熱腔2a分離。該上部 結(jié)構(gòu)體還具有中部腔室2c。 在加熱腔2a內(nèi)部，安裝了用于容納熔融液L的坩鍋，該坩鍋被布置為可以通過旋 轉(zhuǎn)軸5自由旋轉(zhuǎn)和自由的下降與上升，并且該旋轉(zhuǎn)軸5是通過未顯示的驅(qū)動(dòng)裝置而旋轉(zhuǎn)、 下降和上升的。驅(qū)動(dòng)裝置通過降低量的液體表面來升高坩鍋，從而補(bǔ)償伴隨提拉單晶體S 所產(chǎn)生的液體表面下降，另外，通常以預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度來旋轉(zhuǎn)該坩鍋，以對(duì)熔融液L進(jìn)行攪 拌。 所述坩鍋是由石英坩鍋3a和對(duì)其進(jìn)行檢測的石墨坩鍋3b構(gòu)成的。在坩鍋的側(cè)壁 部分，設(shè)置了用于熔化硅的加熱器4，以環(huán)繞其周圍。在該加熱器4的外側(cè)，安裝了圍繞在周 圍的熱絕緣體12，以防止熱量從該加熱器4直接輻射到加熱腔2a上。 在提拉腔室2b中安裝了提拉線8，其中，其一端連接在線巻取機(jī)ll上，并且該線通 過穿過中部腔室2c的頂板部分的頂壁懸掛下來，用于保持晶種9的卡盤10連接在該提拉 線B的下端。線巻取機(jī)11提拉單晶S，使單晶根據(jù)其生長速度等在晶種9的下端一側(cè)逐漸 生長，并且同時(shí)使其一直與坩鍋的旋轉(zhuǎn)方向反方向旋轉(zhuǎn)。 從形成于提拉腔室2b的容納部分的氣體引入口 13引入氬氣，在通過加熱腔2a的 內(nèi)部后，計(jì)劃將該氬氣從氣體排放口 14放出。以這種方式使氬氣通過腔室內(nèi)部的原因，是 為了不將其混合到在腔室內(nèi)部所產(chǎn)生的SiO氣體或CO氣體中，如上所述，而SiO氣體或CO 氣體是伴隨著用加熱器4加熱將硅熔化成硅熔融液所產(chǎn)生的。 在腔室內(nèi)的坩鍋上部，設(shè)置了環(huán)繞生長的單晶的液體冷卻結(jié)構(gòu)體21和冷卻體22。 液體冷卻結(jié)構(gòu)體21是其內(nèi)部通過液體冷卻劑的結(jié)構(gòu)體。在圖5中，液體冷卻結(jié)構(gòu)體21是 由不銹鋼制得的水冷卻室構(gòu)成的，其中水作為冷卻劑。 設(shè)置了由高導(dǎo)熱材料構(gòu)成的冷卻體22，以冷卻生長的單晶S。構(gòu)成冷卻體22的材 料可以選自于具有高導(dǎo)熱率和高熱輻射率的物質(zhì)，例如銀、銀合金、碳或銅等，但是最優(yōu)選 使用銀或銀合金作為具有高導(dǎo)熱材料，并且同時(shí)其沒有污染熔融液或者單晶的危險(xiǎn)。還可 以采用在銅或者銅合金的表面涂布金或者銀或者它們的合金的方法。 在液體冷卻結(jié)構(gòu)體21中，連接了冷卻體22，并且冷卻體22與液體冷卻結(jié)構(gòu)體21 的接合部分構(gòu)成了通過爆炸粘接接合的爆炸粘接接合部25。在爆炸粘接中，所要接合的材
10料自身以合適的間距平行排列。通過用緩沖材料在任一材料上放置合適量的炸藥，并且用 雷管在其一端引發(fā)，隨著爆炸的進(jìn)展兩種材料碰撞，并且在爆炸點(diǎn)兩種材料顯示出粘性流 體狀行為，從而以非常大的變形速度和高壓由爆炸點(diǎn)向前產(chǎn)生了金屬噴射流。通過該金屬 噴射，除去了金屬表面的氧化膜或者氣體吸附層，從而通過高壓使清潔表面表現(xiàn)出緊密粘 附，并且兩種材料完全金相接合。由于冷卻體22與液體冷卻結(jié)構(gòu)體21之間的連接部分是 爆炸粘接接合的，所以盡管是不同金屬之間的連接部分，也形成了良好的連接部件，另外， 在接觸區(qū)可以確保接近100%的接觸率。因此，從冷卻體22到液體冷卻結(jié)構(gòu)體21的熱傳導(dǎo) 變得非常好，這使得能夠降低冷卻體22的溫度。 冷卻體被設(shè)置在用來屏蔽坩鍋或熔融液L到單晶S的輻射熱的位置，其具有與生 長單晶S的中軸基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀，并且在冷卻體22的上端部接合到液體冷卻結(jié)構(gòu)體 21上。 在圖5中，冷卻體22被繪制為圓柱形狀，并且冷卻體22與液體冷卻結(jié)構(gòu)體21之 間的爆炸粘接接合部25的接觸區(qū)域具有與主冷卻體基本上相同的橫截面積。
通過使面對(duì)單晶S的冷卻體22的內(nèi)側(cè)為黑色，冷卻體22的表面具有能夠吸附易 發(fā)生的熱輻射的性能。另外，面對(duì)坩鍋或者熱屏蔽體26的冷卻體22的外側(cè)可以是具有高 反射率的表面，以反射易發(fā)生的熱輻射。 液體冷卻結(jié)構(gòu)體21是圓圈類形狀的水冷卻腔，并且被設(shè)置在中間腔室2c和加熱 腔室2a之間。 首先，在生產(chǎn)單晶S中，將與冷卻體22爆炸粘接接合的具有提拉腔室2b、中間腔室 2c和液體冷卻結(jié)構(gòu)體21的上部結(jié)構(gòu)體與加熱腔室2a分離，然后將作為摻雜劑的原料硅多 晶和非常痕量的雜質(zhì)加入坩鍋中，然后再次將上部結(jié)構(gòu)體連接在加熱腔室2a。在該階段， 用加熱器4加熱坩鍋內(nèi)部直到坩鍋內(nèi)的半導(dǎo)體材料熔化。當(dāng)半導(dǎo)體材料達(dá)到熔融狀態(tài)的時(shí) 候，通過使線巻取機(jī)11動(dòng)作來使提拉線8下降，以使附在卡盤10上的晶種9與熔融液L的 表面接觸。當(dāng)單晶S以這種狀態(tài)開始生長到晶種9上的時(shí)候，然后就以預(yù)定的速度提拉線 巻取機(jī)11來使單晶S生長。 這樣，在從熔融液L提拉下生長單晶S的過程中，將來自單晶S的輻射光射入到由 高導(dǎo)熱材料構(gòu)成的冷卻體22中。在這種情況下，由于冷卻體22與用液體冷卻劑冷卻從而 保持低溫的液體冷卻結(jié)構(gòu)體21是爆炸粘接接合的，因此與單晶S的輻射熱交換是很好的， 并且有可能提高單晶S的冷卻速度。同時(shí)，由于有可能在提拉過程中使單晶S驟冷，因此單 晶S的晶體缺陷的生成變得非常少。 接下來，如下對(duì)本發(fā)明的氧化膜耐壓性(計(jì)算高C模式合格率)進(jìn)行測量。在熱 處理后，在100(TC下在干燥氧氣氛圍下，在基底(硅晶片)表面上形成厚度為25nm的氧化 膜，對(duì)該氧化膜的耐壓性進(jìn)行測量。在耐壓性測量中在硅晶片表面使用了 164個(gè)電極，并且 它們是面積為20mm2的多硅電極。表現(xiàn)出判定電流為100mA、且電場強(qiáng)度等于或高于11MV/ cm的耐壓性的電極比率被定義為高C模式合格率，并且等于或高于70%的高C模式合格率 被判定為相關(guān)器件性能"良好"。 圖6所示為提拉速度和硅晶體缺陷區(qū)之間的關(guān)系圖。圖6下面的圖所示為被提拉 晶體的橫截面的圖(相位圖)。并且，在該圖的(A)、(B)和(C)點(diǎn)的橫截面顯示于圖3的上 部圖中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，(A)、 (B)和(C)任一橫截面都具有V2區(qū)等于或高于80%的面積比例，然而，V1區(qū)加0SF區(qū)的總面積比例等于或低于20X。也就是說，將點(diǎn)(A)和(C)作為邊界，它們之間的橫截面通常是這樣的一個(gè)區(qū)域，其中VI區(qū)是上述硅晶片總面積的20%，以作為晶體提拉速度的上限值，并且V2區(qū)是上述硅晶片總面積的80%，以作為晶體提拉速度的下限值。因此，以點(diǎn)(A)和(C)作為兩端的內(nèi)部區(qū)域是得到本實(shí)施方案的硅晶片所需要的。
然后，雖然空隙密度顯著變低，然而依然存在相當(dāng)數(shù)量的空隙，因此可能導(dǎo)致氧化膜耐壓特性或者C模式的降低。然而，由于本實(shí)施方案的構(gòu)造(特別是，通過以預(yù)定濃度加入氮和氫，以及通過以預(yù)定的溫度梯度和提拉速度進(jìn)行"驟冷"處理)，空隙變?yōu)榕轄钚螤疃皇撬拿骟w形狀，結(jié)果是，該空隙在相當(dāng)大的程度上變成為無害的。上面的"無害"意味著對(duì)器件性能基本上沒有不良影響。因此，即使空隙密度高于lxlOVcm3并且等于或低于5xl03/cm3，也可制得具有優(yōu)異的氧化膜耐壓特性和高C模式特性的硅晶片。另外，在這樣的情況下，由于提拉速度(V)顯著提高，因此還可以顯著地增加生產(chǎn)率。下面將對(duì)每一種條件(要求)進(jìn)行解釋。然而，就已在上面的第一實(shí)施方案中重復(fù)過的條件(要求)而言，這里將不再贅述。 首先，硅晶體的直徑并不限于下面的值，然而，優(yōu)選其被設(shè)置為等于或大于200mm。在直徑大于或等于200mm的情況下，本發(fā)明變?yōu)檫m合應(yīng)用于直徑等于或大于200mm的硅晶體，其主要是用于例如DRAM的器件中。 接下來，本發(fā)明人檢驗(yàn)了硅晶體中空隙與面內(nèi)OSF分布間的相互關(guān)系，及高C模式合格率。通過使用上述市售缺陷評(píng)估儀，用由Raytex Co.生產(chǎn)的LSTD掃描儀(M0_6)對(duì)硅晶體內(nèi)的空隙及面內(nèi)OSF分布進(jìn)行測量。由于M0-6的測量條件如上所述，在這里就省略了對(duì)它的解釋。根據(jù)空隙的面積密度([/cm2])和所測量的0SF及測量深度5ym，計(jì)算空隙的體積密度([/cm3])。作為實(shí)驗(yàn)體系，其包括(A)僅摻雜了氮(沒有摻雜氫以及進(jìn)行本發(fā)明的"驟冷"處理)；(B)摻雜氮并且進(jìn)行了本發(fā)明的"驟冷"處理(沒有摻雜氫)；以及(C)摻雜氮，摻雜氫并且進(jìn)行了本發(fā)明的"驟冷"處理。 圖7所示為對(duì)硅晶體中空隙及面內(nèi)OSF分布、及C模式合格率之間的關(guān)系的檢測結(jié)果。應(yīng)注意圖7中[A]-[C]的每一種條件都總結(jié)在下表2中。
表2
[B][c]
摻雜氮有有有
摻雜氫無無有
驟冷處理無有有 從圖7中看出，在體積密度([/cm3])為5X102-2xl04/Cm3的區(qū)域內(nèi)，(C)體系中顯示了好的高C模式合格率(70-100%)。應(yīng)該注意其它區(qū)域不能認(rèn)為具有好的高C模式合格率，因?yàn)槠鋬H僅為20-40%。 其次，將硅晶體中的氮濃度設(shè)置為3xl013-3xl015原子/cm3。等于或高于3xl013原子/cm3的氮濃度將能夠提供5xl07cm3的BMD密度(上述第一實(shí)施方案的基本范圍)。氮
12濃度的優(yōu)選下限值等于或高于2xl014原子/cm3，并且在這樣的情況下，可以提供1x107cm3 的BMD密度(上述第一方案中的基本范圍)。另一方面，氮濃度等于或低于3xl015原子/ cm 且優(yōu)選在等于或低于2xl015原子/cm3的情況，將使得在所形成的硅晶片的大多數(shù)區(qū)域 內(nèi)能夠提供等于或高于80 %的高C模式合格率(C模式合格率)，這是因?yàn)榛旧喜淮嬖?OSF區(qū)和V2區(qū)的交迭。應(yīng)該注意，硅晶體中的氮濃度以及所得硅晶片中的氮濃度基本上是 相同的。 接下來，將晶體提拉爐內(nèi)的壓力設(shè)置為40-250毫巴。上述壓力(下限值)等于或 高于40毫巴、優(yōu)選等于或高于60毫巴、更優(yōu)選等于或高于80毫巴的情形將能夠有效地避 免在提拉中的產(chǎn)品收率降低。另一方面，上述壓力(上限值)等于或低于250毫巴、優(yōu)選等 于或低于150毫巴、更優(yōu)選等于或低于100毫巴的情形也使得能夠有效地避免在提拉中的 產(chǎn)品收率降低。 然后，將1_3.8體積％的氫引入到氣氛中(高濃度的氫摻雜)。其中所引入的氫的 體積比等于或高于1%、優(yōu)選等于或高于2.0%、更優(yōu)選等于或高于3.0%的情形使氫引入 發(fā)揮了充分的效果。另一方面，其中所引入的氫的體積比(上限值)等于或低于3.8%、優(yōu) 選等于或低于3. 5%、更優(yōu)選等于或低于3. 0%的情形使得能夠避免硅晶體可能爆炸的風(fēng) 險(xiǎn)。 接下來，在1100-1200 °C下的提拉硅晶體期間，將在硅晶體徑向方向上的溫度梯度 設(shè)置為等于或高于3. 5°C /mm。在上述溫度梯度等于或高于3. 5°C /mm的情形下，通過將上 述溫度梯度增加到一定的程度，以及通過將提拉速度降低到一定程度，以上的V2區(qū)可以出 現(xiàn)在空隙區(qū)和OSF區(qū)之間的很寬范圍中。據(jù)推測該V2區(qū)的出現(xiàn)是由在1100-120(TC所發(fā) 生的點(diǎn)缺陷的交互作用引起的。上述溫度梯度優(yōu)選是3. 5-5. (TC /mm，更優(yōu)選3. 5_4. 8°C / mm，還更優(yōu)選3. 8-4. 2°C /mm。這樣，通過在"驟冷"中將溫度梯度設(shè)置在上述非常有限的范 圍內(nèi)，將使得空隙密度顯著降低，且空隙聚集體變成為泡狀形狀，從而導(dǎo)致對(duì)半導(dǎo)體器件基 本上沒有不良影響。另外，由于可以在相對(duì)低的提拉速度下穩(wěn)定并容易地提拉晶體，因此其 是適合的。特別地，將上述溫度梯度的上限設(shè)置為5. (TC /mm的情形是合適的，這是因?yàn)榧?使在相對(duì)低的提拉速度下晶體的生長也是穩(wěn)定的。 然后，通過指定V1區(qū)或V2區(qū)占硅晶片總面積的比率來控制該實(shí)施方案中的晶體 提拉速度。具體而言，晶體提拉速度的上限值是當(dāng)V1區(qū)變?yōu)樯鲜龉杈偯娣e的20X時(shí)的 數(shù)值。另一方面，晶體提拉速度的下限值是當(dāng)V2區(qū)變?yōu)樯鲜龉杈偯娣e的80%時(shí)的數(shù) 值。另外，作為以上所述的優(yōu)選比率，上述上限值是當(dāng)V1區(qū)為上述硅晶片總面積的0X時(shí)的 數(shù)值，而上述下限值是當(dāng)V2區(qū)為上述硅晶片總面積的80X時(shí)的數(shù)值。還另外，作為上述更 優(yōu)選的比率，上述上限值是當(dāng)V1區(qū)為上述硅晶片總面積的0%時(shí)的數(shù)值，而上述下限值是 當(dāng)V2區(qū)為上述硅晶片總面積的100%時(shí)的數(shù)值。在這種情況下，硅晶片的整個(gè)表面都成為 V2區(qū)。 更詳細(xì)地，通過這樣設(shè)置所述上限值和下限值來控制晶體提拉速度是通過控制V1 區(qū)和V2區(qū)、以及OSF區(qū)的尺寸(寬度)來進(jìn)行的。VI區(qū)和V2區(qū)的尺寸(寬度)控制是如 上所述進(jìn)行的。OSF區(qū)的尺寸(寬度)控制依賴于OSF區(qū)的上述收縮程度。
另外，本實(shí)施方案中的晶體提拉速度范圍自身是0.55-0. 75mm/分鐘，優(yōu)選 0. 55-0. 62mm/分鐘，更優(yōu)選0. 56-0. 60mm/分鐘。這三個(gè)范圍中的每一個(gè)范圍都分別對(duì)應(yīng)于V1區(qū)或V2區(qū)占上述硅晶片總面積比率的一個(gè)范圍、一個(gè)優(yōu)選范圍和一個(gè)更優(yōu)選范圍。等于 或低于O. 75mm/分鐘的晶體提拉速度使其能夠避免上述硅晶片的整個(gè)表面成為VI區(qū)，并且 使其能夠產(chǎn)生V2區(qū)，因此，不僅提供了特別好的氧化膜耐壓特性，而且提供了等于或高于 70X的高C模式合格率(C模式合格率)。另一方面，等于或高于0.55mm/分鐘的晶體提拉 速度使其能夠避免上述硅晶片的整個(gè)表面成為OSF區(qū)的狀態(tài)，并且提供了等于或高于70% 的高C模式合格率(C模式合格率)。 另夕卜，根據(jù)Voronkov理論(V. V. Voronkov ;Jo證al of Crystal Growth, 59 (1982)， 625-643)，晶體提拉速度(V)與晶體生長徑向方向上的平均溫度梯度(G)的比率 參數(shù)V/G確定了微缺陷(點(diǎn)缺陷)的種類和總濃度。這里，G定義為從熔點(diǎn)到135(TC，在晶 體生長徑向方向上的平均溫度梯度。因此，本實(shí)施方案中的晶體提拉速度的控制還可以通 過V/G的計(jì)算來規(guī)定，而這將在下面進(jìn)行解釋。 相關(guān)的V/G值是如下限定的。在具有與提拉加入了上述氮和氫的晶體的提拉爐相 同結(jié)構(gòu)的提拉爐中，以不同的提拉速度V提拉沒有加入氮和氫的晶體。然后，從在78(TC下 沉積熱處理3個(gè)小時(shí)、接下來在100(TC下沉積熱處理16個(gè)小時(shí)的提拉晶體上切割硅晶片， 然后用BMD分析儀測量BMD密度。將BMD密度等于或高于lxl07cm3的區(qū)域定義為V富集 區(qū)(Pv區(qū)、0SF區(qū)和V區(qū))；將BMD密度低于lxl07cm3的區(qū)域定義為I富集區(qū)域(Pi區(qū)、和 I區(qū))；V富集區(qū)和I富集區(qū)之間的邊界被定義為V-I邊界。在這種情況下，V-I邊界位置的 V/G值就相應(yīng)于(V/G) #。 除非絕對(duì)G值已知，否則V/G的絕對(duì)值不能被確定。然而，通過限定相對(duì)V/G，其中 V/G是由(V/G) ^^標(biāo)準(zhǔn)化，則認(rèn)為當(dāng)相對(duì)V/G大于1時(shí)，其成為V富集區(qū)，而當(dāng)相對(duì)V/G小于 1時(shí)，其成為I富集區(qū)。通過預(yù)先檢測提拉速度和V-I邊界位置的關(guān)系，就可以通過使用具 有相同結(jié)構(gòu)的提拉爐來確定以特定提拉速度提拉的晶體的面內(nèi)相對(duì)V/G值。
通過V/G對(duì)V1區(qū)和V2區(qū)控制的方法如下。在圖1(E)中所示的實(shí)施方案中，V1區(qū) 出現(xiàn)于V/G等于或高于1. lx(V/G)臨界的范圍內(nèi)時(shí)。另外，V2區(qū)出現(xiàn)于V/G在1. lx(V/G)臨 ^-0.8x(V/G) u^的范圍內(nèi)時(shí)。因此，在本實(shí)施方案中，V/G在等于或高于1. lx(V/G) ,^范圍 內(nèi)的區(qū)域?yàn)樯鲜龉杈偯娣e的等于或低于20X，V/G為1. lx(V/G)臨界-O. 8x(V/G)臨界的區(qū) 域?yàn)樗龉杈偯娣e的等于或高于80%。更優(yōu)選地，在上述硅晶片的整個(gè)表面，其中V/ G等于或低于1. lx(V/G)臨界，以及V/G為1. lx(V/G)臨界-O. 8x(V/G)臨界的區(qū)域?yàn)樗龉杈?總面積的等于或高于80%。還更優(yōu)選地，在上述硅晶片的整個(gè)表面中，V/G為1. lx(V/G)臨 界-O. 8x(V/G) ^界。硅晶體中VI區(qū)與V2區(qū)之間的關(guān)系，以及V/G與V之間的關(guān)系見圖8中 所示。應(yīng)該注意圖8是相位圖。 另外，根據(jù)本發(fā)明的硅晶體中的氧濃度，使用了通過使用日本電子信息技術(shù)工業(yè) 協(xié)會(huì)(JEITA)的換算系數(shù)(3. 03xl0"/cm2)計(jì)算的值。具體而言，使用通過紅外吸收(以 前的JEIDA-61)測量硅晶體中晶格間氧原子濃度的標(biāo)準(zhǔn)測量方法。優(yōu)選將上述氧濃度 設(shè)置為等于或低于8. 0x1017原子/cm3，更優(yōu)選等于或低于7. 0x1017原子/cm3，還更優(yōu)選 5. 0xl017-7. 0x1017原子/cm3。上述氧濃度等于或低于8. 0x1017原子/cm3的情形能夠抑制 高C模式非一致性的缺陷。另外，上述氧濃度等于或高于5. 0x1017原子/cm3的情形是優(yōu)選 的，因?yàn)榭梢员苊庠谔崂w中的產(chǎn)量過度降低。應(yīng)該注意硅晶體中的氧濃度以及所形成 的硅晶片中的氧濃度基本上是相同的。在晶體提拉過程中，通過將石英坩鍋容納的硅熔融液溶解到熔融液中，就可使氧進(jìn)入硅中。 并且，硅晶片(鏡面晶片)是通過切割所提拉硅晶體，及如果必要通過拋光(鏡面 制造)獲得的。在這種情況下，為了獲得滿足在器件加工中吸雜所需要程度的BMD密度，可 以進(jìn)行氧沉積的熱處理(沉積熱處理)。對(duì)于所述熱處理的條件沒有特殊限制，只要可以獲 得所希望的BMD密度即可，但是優(yōu)選為在700-100(TC下進(jìn)行1_30個(gè)小時(shí)。另外，這樣的熱 處理可以在恒定的處理溫度或處理時(shí)間下進(jìn)行，或者可以由兩個(gè)階段組成，其中它們中的 至少一個(gè)階段在處理期間是變化的。應(yīng)該注意，在以上說明書中的上述用作BMD密度的測 量方法的沉積熱處理中，進(jìn)行了兩階段熱處理。 下面將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例給出解釋。然而本發(fā)明并不受限于下面的實(shí)施例。也就
是說，下面的實(shí)施例僅僅是范例，與本發(fā)明權(quán)利要求中所描述的技術(shù)概念具有基本相同的
構(gòu)造、并且表現(xiàn)出相似作用效果的任何一個(gè)實(shí)例都包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。 實(shí)施例 實(shí)施例l 硅單晶的提拉通過使用硅晶體生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行。本實(shí)施例中使用的硅晶體生產(chǎn)設(shè)備 是具有圖5所示冷卻體22的單晶生產(chǎn)設(shè)備。這樣的設(shè)備用于通常的CZ方法中來生產(chǎn)硅晶 體。在使用上述設(shè)備中，坩鍋直徑是22英寸，待嵌入坩鍋中的半導(dǎo)體材料是100kg，生長的 單晶S是8英寸晶體。 作為冷卻體22的材料，使用了銀，并且冷卻體22具有260mm的內(nèi)徑，300mm的外 徑，以及280mm的長度。作為液體冷卻結(jié)構(gòu)體21，使用了其內(nèi)具有冷卻水管的圓圈狀水冷卻 室，該液體冷卻結(jié)構(gòu)體21連接在中間腔室2c的下部。 具體而言，上述生產(chǎn)設(shè)備是提拉爐1或提拉爐2，其中熱屏蔽體26通過上述方法冷 卻，以便在等于或高于IIO(TC下提高提拉速度，或者是具有常規(guī)提拉速度的提拉爐3。在提 拉爐1和提拉爐2中，冷卻體22與液體冷卻結(jié)構(gòu)體21的連接部分是爆炸粘接接合的。在 提拉爐3中，冷卻體22與液體冷卻結(jié)構(gòu)體21的連接部分是栓連接的。
在提拉爐1內(nèi)在1100-120(TC提拉晶體期間，晶體徑向方向上的溫度梯度設(shè)置為 4°C /mm，在提拉爐2中上述溫度梯度設(shè)置為5°C /mm，在提拉爐3中上述溫度梯度設(shè)置為 3°C/mm。在下表3中，描述了每個(gè)實(shí)施例和比較例中的上述提拉爐(表3中的項(xiàng)目"提拉 爐")的種類以及上述的溫度梯度。 通過使用該設(shè)備生長的硅晶體的傳導(dǎo)類型是p型(摻雜硼)，晶體尺寸(直徑)是 200mm(8英寸)。 氮添加是通過將具有氮化物膜的硅晶片引入硅熔融液進(jìn)行的。通過切開所提拉晶 體獲得的硅晶片中的氮濃度是通過使用次二級(jí)離子質(zhì)譜儀(SIMS)測量的。然而，由于氮濃 度為5xl0"原子/cm3的晶片不能用SIMS來測量，所以使用以下數(shù)學(xué)方程來確定其氮濃度。 下面將對(duì)這樣的數(shù)學(xué)方程給出詳細(xì)解釋。 本發(fā)明相關(guān)制備方法中對(duì)氮的添加方法沒有特殊限定，可以使用已知的方法，包 括例如在硅原料溶解的過程中引入氮?dú)獾姆椒ǎ换蛘咴谠先芙獾倪^程中混合通過CVD 法或類似方法沉積的硅基底的方法。另外，分離系數(shù)(segregation coefficient)k是在 將硅熔融液凝固為熔融液濃縮物后，晶體中所吸收的雜質(zhì)的比率，在該雜質(zhì)是氮的情況 下，分離系數(shù)k為7xl(T4(W. Zulehner and D. Huber， Crystal Growth, Properties and 15Applications, p28， Springer-Verlag， New York, 1982)。 在晶體中，從在本發(fā)明的制備方法中所使用的硅熔融液中所吸收氮的濃度可以通
過以下表達(dá)式l計(jì)算。 表達(dá)式l 硅晶片中的氮濃度=kx(l-凝固率)(k—"x熔融液中的氮濃度 應(yīng)該注意熔融液中的氮濃度可以被稱為初始熔融液中的氮濃度。在這里，硅晶體 的凝固率(g)可以通過以下表達(dá)式2確定
表達(dá)式2 硅晶體的凝固率(g)=(結(jié)晶硅的重量)/(初始熔融液的重量) 應(yīng)該注意氮濃度的測量值[原子/cm3]描述于下表3中。作為晶體提拉爐內(nèi)的壓
力(爐壓)[毫巴]，設(shè)置了下面表3中所描述的條件。 另外，氫的加入是通過將氫混合氣體引入到每一個(gè)提拉爐中進(jìn)行的。應(yīng)該注意，作 為氫氣分壓[Pa]和引入到氣氛中的氫的體積比[%體積]，設(shè)置了如下表3中所描述的條 件。 另外，晶體提拉速度V和G的面內(nèi)分布是如下控制的。首先，作為晶體提拉速度的 上限值，控制空隙密度大于2xl0Vcm3并且低于1x107cm3的VI區(qū)域，以使其等于或低于上 述硅晶片總面積的20%。更具體地，在上述硅晶片中，調(diào)整G的面內(nèi)分布以及提拉速度，使 得V/G在14mm直徑的內(nèi)側(cè)等于或大于1. lx(V/G) ^界，并且使上述硅晶片整個(gè)表面的V/G為 等于或大于O. 8x(V/G) #。在這種情況下，晶體提拉速度的值、上述硅晶片的面內(nèi)V/G最大 值(在硅晶片中心的V/G)及V/G最小值(在硅晶片邊緣的V/G)描述于下表3中。應(yīng)該注 意V/G應(yīng)該由與(V/G),^之比表示。在該方法中，通過從該單晶的相同位置切割出多個(gè)基 底，并且使它們經(jīng)過鏡面制造，從而獲得目標(biāo)硅晶片(在下文中還可以稱作"基底")。
基底的V區(qū)是通過產(chǎn)生空隙所形成的區(qū)域，其是由于在晶體生長中由固液界面引 入過量原子空洞所形成的。因此，具體而言，基底的V區(qū)可以由上述空隙密度來指定。
對(duì)于基底內(nèi)的缺陷(空隙)區(qū)域的評(píng)價(jià)(鑒定)是通過上文中描述的方法進(jìn)行的。 另外，如上所述，通過計(jì)算空隙的體積密度來確定V1區(qū)和V2區(qū)。以這種方法確定的V1區(qū) 和V2區(qū)的內(nèi)徑和外徑[cm]描述于下表3中。 對(duì)基底的OSF評(píng)估是通過下面的方法進(jìn)行的。首先，在含氧氣氛的蒸汽中在 IIO(TC下對(duì)該基底進(jìn)行氧化處理1個(gè)小時(shí)。此后，用氫氟酸除去氧化膜，然后用光蝕刻液將 其蝕刻1. 5 ii m，用光學(xué)顯微鏡觀察產(chǎn)生于表面的橢圓狀、半月狀或棒狀的OSF凹陷。通過在 2. 5mm直徑的視場中用光學(xué)顯微鏡在直徑方向掃描硅晶片，數(shù)OSF凹陷的數(shù)目，將OSF區(qū)密 度[片/cm2]確定為[OSF凹陷數(shù)/觀察面積]。0SF區(qū)被定義為0SF面積密度等于或高于 100片/cm2的區(qū)域。以這種方式確定的OSF區(qū)的內(nèi)徑和外徑[cm]見述于下表3中。
另外，關(guān)于氧濃度、泡狀空隙聚集體與全部空隙的比率，BMD密度以及高C模式合 格率(氧化膜的標(biāo)準(zhǔn)電壓值)中的每一種，在下表3中描述了通過上述每一種方法測量的 數(shù)值。 實(shí)施例2 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和最大值條 件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
實(shí)施例3 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和最大值條 件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
實(shí)施例4 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、爐壓、以及氫氣分壓(氫氣體積比)的條 件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
實(shí)施例5 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氮濃度、氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和
最大值條件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
實(shí)施例6 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氮濃度條件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
實(shí)施例7 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、V/G的最小值和最大值、提拉
爐的種類、以及溫度梯度的條件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
比較例1 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和最大值條 件外，如實(shí)施例1相似地提拉硅單晶。
比較例2 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氮濃度、氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和
最大值條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。
比較例3 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氮濃度、氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和
最大值條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。
比較例4 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度，V/G的最小值和最大值以及氫 的體積比條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。
比較例5 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、V/G的最小值和最大值以及爐 壓條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。
比較例6 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、V/G的最小值和最大值以及爐 壓條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。
比較例7 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氧濃度、提拉速度、V/G的最小值和最大值、提拉 爐種類、以及溫度梯度條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。
比較例8 除了如下表3中所述的那樣設(shè)置氮濃度、氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和
最大值條件外，如比較例1相似地提拉硅單晶。 上述實(shí)施例和比較例的結(jié)果顯示于下表3中?？蛇m用于包括
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18例如DRAM器件的任何器件中。另外，在實(shí)施例1-7中，在提拉速度低于0. 60、V/G最小值低 于0. 9且V/G最大值低于1. 0的任何實(shí)例中，硅晶片的高C模式都顯示出高于80%的更優(yōu) 異的結(jié)果。 應(yīng)該注意到，作為在實(shí)施例1-7中晶體提拉速度穩(wěn)定性的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與實(shí)施 例7相比，其它實(shí)施例1-6顯示出顯著更穩(wěn)定的晶體提拉速度。這樣的結(jié)果被認(rèn)為顯示了 實(shí)施例1-6所設(shè)置的提拉速度以及溫度梯度的條件特別適合于晶體提拉速度的穩(wěn)定。
另一方面，在每個(gè)比較例中，高C模式都低于70X，或者晶體提拉其自身為不可 能。因此，可以說在這些比較例的任意一個(gè)之中所獲得的硅晶體都不能適用于任何包括低 等級(jí)設(shè)備的任何設(shè)備中。下面討論在每個(gè)比較例中獲得這么差結(jié)果的原因。比較例l不能 消除可能存在于OSF區(qū)中的某些微缺陷，因?yàn)榫恼麄€(gè)表面都是OSF區(qū)；比較例2不能產(chǎn) 生具有極低空隙密度的V2區(qū)，因?yàn)榫恼麄€(gè)表面都是V1區(qū)；在比較例3中，V2區(qū)在上述 硅晶片總面積的面積比不能顯著滿足80% ，盡管也產(chǎn)生了上述V2區(qū)；比較例4沒有形成接 近泡狀的空隙聚集體，因?yàn)闅潴w積比非常不足；比較例5甚至不能均勻提拉晶體自身，原因 在于爐壓顯然很低；比較例6也不能甚至均勻提拉晶體自身，原因是爐壓明顯很高，這與比 較例5中的相反；比較例7在本發(fā)明特別的"冷"處理方面不夠；比較例8具有高氮濃度，并 且與比較例1類似，其不能消除可能存在于0SF區(qū)中的特定種類的微缺陷，原因在于硅晶片 的整個(gè)表面是OSF區(qū)。
工業(yè)適用性 本發(fā)明適合應(yīng)用于，特別是，微型半導(dǎo)體器件中。
權(quán)利要求
一種包含氮和氫的硅晶片，其特征在于相對(duì)于總的空隙數(shù)，存在等于或多于50％的構(gòu)成泡狀空隙聚集體的多個(gè)空隙；空隙密度大于2x104/cm3且低于1x105/cm3的V1區(qū)占所述硅晶片總面積的等于或小于20％；空隙密度為5x102-2x104/cm3的V2區(qū)占所述硅晶片總面積的等于或多于80％；并且內(nèi)部微缺陷的密度為等于或高于5x108/cm3。
2. —種制備硅晶片的方法，其特征在于該硅晶片是通過在以下條件下切割提拉的硅 晶體而獲得的通過將硅晶體中的氮濃度設(shè)置為3xl013-3xl015原子/cm3 ; 通過將晶體提拉爐內(nèi)的壓力設(shè)置為40-250毫巴； 通過將1-3. 8體積％的氫氣引入氣氛中； 通過在1100-120(TC下提拉所述硅晶體的過程中，將所述硅晶體徑向方向的溫度梯度 設(shè)置為高于3.5°C /mm;以及通過控制空隙密度大于2xl0Vcm3且低于lxl07cm3的VI區(qū)為所述硅晶片總面積的 20%，以作為晶體提拉速度的上限值，以及使空隙密度為5X102-2xl04/cm3的V2區(qū)為所述硅 晶片總面積的80%，以作為晶體提拉速度的下限值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的制備方法，其特征在于將硅晶體中的氧濃度設(shè)置為等于或低于 7xl017原子/cm3(JEITA，換算系數(shù)為3. 03xl017/cm2)。
全文摘要
問題提供了由具有氧化膜的優(yōu)異耐壓特性和高C模式特性的硅晶體構(gòu)成的硅晶片。另外，提供了用于制備所述硅晶片的方法。解決方案具有氮和氫的硅晶片，其特征在于相對(duì)于總的空隙數(shù)，存在等于或多于50％構(gòu)成泡狀空隙聚集體的多個(gè)空隙；空隙密度大于2×104/cm3且低于1×105/cm3的V1區(qū)占硅晶片總面積的等于或小于20％；空隙密度為5×102-2×104/cm3的V2區(qū)占硅晶片總面積的等于或多于80％；并且內(nèi)部微缺陷的密度為等于或高于5×108/cm3。
文檔編號(hào)C30B15/00GK101768776SQ200910221758
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者中居克彥, 大久保正道, 碇敦 申請(qǐng)人:硅電子股份公司