超大規(guī)模集成電路用硅片及其制造方法、應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integrated circuits， VLSI)用硅片及其制造方法、應(yīng)用，在通過(guò)摻雜氮確保表層無(wú)缺陷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)氧析出物的 無(wú)害化。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用切克勞斯基法（Czochralski法，CZ法）制作的單晶娃棒廣泛應(yīng)用于超大規(guī) 模集成電路用硅片的制造上。在這樣的單晶硅棒中，在單晶制備期間帶入的氧以過(guò)飽和狀 態(tài)存在，它會(huì)在后續(xù)的過(guò)程中沉積，在娃片內(nèi)形成氧析出物（oxygen precipitates)。近幾 年伴隨電子元器件集成度的提高，對(duì)硅片品質(zhì)也提出更高的要求，特別是用于電子元器件 的硅片及其表面以及表面以下數(shù)微米的范圍內(nèi)不能有氧析出物、格子缺陷等結(jié)晶缺陷的存 在。
[0003] 在通過(guò)CZ法生長(zhǎng)單晶硅棒時(shí)進(jìn)行氮摻雜，可以有效抑制空洞缺陷或減小空洞尺 寸，通過(guò)后續(xù)的熱處理工藝可以有效地使格子缺陷消失。另外，通過(guò)組合碳、氫和氮使格子 缺陷消失的方法也被應(yīng)用。
[0004] 專利CN101748491A (退火晶片和制備退火晶片的方法)中公開(kāi)了氮摻雜對(duì)Cu的吸 雜效果增強(qiáng)的退火晶片的制造方法，具體為：在650到800°C的溫度下加熱氮濃度為5xl014到lxl016/cm3,碳濃度為lxlO15到5x10 16/cm3,氧濃度為6xl017到11x10 17/cm3的娃基板4小 時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，并在1100到1250°C的溫度下對(duì)加熱的基板進(jìn)行氬退火。該專利與本申請(qǐng)雖 然技術(shù)領(lǐng)域相同，均為晶片制造領(lǐng)域，但是該專利主要強(qiáng)調(diào)退火硅片內(nèi)生缺陷對(duì)金屬Cu的 吸雜能力；該專利氮濃度較高，提高了晶體生長(zhǎng)的難度；且其氧析出物密度在成5X10s/cm 3以上，使得硅片的機(jī)械強(qiáng)度降低，導(dǎo)致在制造電子元器件過(guò)程中硅片很容易發(fā)生彎曲、破裂 問(wèn)題，由于這種密度的氧析出物，在硅片應(yīng)用于功率器件時(shí)，易導(dǎo)致器件性能劣化。
[0005] 此外，硅單晶體切成的硅半導(dǎo)體晶片表面部分容易出現(xiàn)鉻、鐵、鎳及銅等重金屬雜 質(zhì)，制造電子裝置時(shí)該裝置的特性將遭到破壞。所以需將這些重金屬雜質(zhì)局限于遠(yuǎn)離該裝 置活性區(qū)的部位（即遠(yuǎn)離表面層部分)。因此距半導(dǎo)體晶片表面的無(wú)缺陷區(qū)深度更深的話， 容易實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的器件，尤其是使得該硅片應(yīng)用于高成品率的橫型功率器件等向深度方 向阻擋層擴(kuò)大的設(shè)備成為可能。
[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N超大規(guī)模集成電路用硅片，通過(guò)氮摻雜確 保表層無(wú)缺陷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)氧析出物的無(wú)害化，其無(wú)缺陷層深度可達(dá)15um以上，硅片中產(chǎn) 生的氧析出物密度變成lxl〇7-5X10s/cm3,使得單晶硅片用于功率器件成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種超大規(guī)模集成電路用硅片及其制造方法、應(yīng)用，在通過(guò) 摻雜氮確保表層無(wú)缺陷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)氧析出物的無(wú)害化。本發(fā)明采用CZ法制作的單晶硅 棒，使之具有特定范圍的氧濃度、氮濃度和碳濃度，再對(duì)娃片進(jìn)行特定條件的熱處理，實(shí)現(xiàn) 了以上目的。
[0008] 具體而言，本發(fā)明提供一種超大規(guī)模集成電路用硅片的制造方法，包括：采用CZ 法制備單晶硅棒，在拉晶爐內(nèi)使單晶硅棒冷卻到1100°c ~1150°C，控制冷卻速度為0. 1°C / 分鐘~1 °C /分鐘，使單晶娃棒的氧濃度為5xl017atoms/cm3~7xl017atoms/cm 3、氮濃度為 5xl013atoms/cm3~lxl015atoms/cm 3、碳濃度為 Ixl015atoms/cm3~5xl016atoms/cm 3;將所述單 晶娃棒制作成娃片，在一非活性氣體中，于1150°C ~1250°C的溫度下加熱45分鐘~180分 鐘。
[0009] 通過(guò)以上制造方法制作的硅片，表面的無(wú)缺陷層和硅片內(nèi)部的缺陷密度達(dá)到平 衡，使硅片內(nèi)部具有適當(dāng)?shù)难跷龀鑫铮瑢?shí)現(xiàn)了氧析出物的無(wú)害化，并且避免出現(xiàn)格子缺陷， 從而使單晶硅片用于功率器件成為可能。
[0010] 進(jìn)一步地，在進(jìn)行所述熱處理時(shí)，在700°C時(shí)將硅片插入，降溫到700°C時(shí)將硅片 取出。
[0011] 進(jìn)一步地，在進(jìn)行所述熱處理時(shí)，700到900°C期間，升溫速率為5-15°C /min ;900 到1100°C期間，升溫速率為2-8°C /min ;1100到1250°C期間，升溫速率為0. 5-2°C /min ;降 溫速率與升溫速率保持一致。
[0012] 進(jìn)一步地，在進(jìn)行所述熱處理時(shí)，熱處理氣氛為Ar氣氛，在1200°C的溫度下保持1 小時(shí)。
[0013] 進(jìn)一步地，在進(jìn)行所述熱處理時(shí)使用豎型熱處理爐。
[0014] 本發(fā)明還提供一種超大規(guī)模集成電路用硅片，其采用CZ法制作的單晶硅棒得到 氧濃度 5xl017atoms/cm3~7xl017atoms/cm 3、氮濃度 5xl013atoms/cm3~lxl015atoms/cm 3、碳濃 度Ixl015atoms/cm3~5xl016atoms/cm 3的單晶娃片，進(jìn)行熱處理后，娃片厚度中心氧析出物密 度為lxl〇7cm3~5xlOs/cm3。該硅片不會(huì)對(duì)功率器件的動(dòng)作特性產(chǎn)生影響，并且顯示出充分 的不純物吸氣、除氣效果。
[0015] 本發(fā)明還提供一種超大規(guī)模集成電路用硅片，其采用CZ法制作的單晶硅棒得到 氧濃度 5xl017atoms/cm3~7xl017atoms/cm 3、氮濃度 5xl013atoms/cm3~lxl015atoms/cm 3、碳濃 度Ixl015atoms/cm3~5xl016atoms/cm 3的單晶娃片，進(jìn)行熱處理后，娃片表面的氧析出物的無(wú) 缺陷區(qū)域在15μ m以上。利用該硅片使制備高成品率的橫型功率器件等向深度方向阻擋 層擴(kuò)大的設(shè)備成為可能。
[0016] 本發(fā)明還提供一種超大規(guī)模集成電路用硅片的應(yīng)用，所述硅片用于功率器件。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 拉制單晶硅棒的晶體生長(zhǎng)爐為一般的CZ法拉晶爐。對(duì)單晶硅棒進(jìn)行氮摻雜有多 種方式，可將氮化硅粉或硅片上的氮化膜與原料一起溶解，或通過(guò)氣體加入氮和氨。碳摻雜 是通過(guò)添加碳素粉末或直接把碳素板放入原料中一起溶解。由于摻雜元素的添加量與單晶 硅棒中元素?fù)诫s濃度密切相關(guān)，因此需要根據(jù)摻雜元素的添加量來(lái)控制單晶硅棒中對(duì)應(yīng)的 元素濃度。
[0018] 已知無(wú)缺陷區(qū)的深度及半導(dǎo)體晶片內(nèi)側(cè)微細(xì)缺陷的密度視硅單晶體內(nèi)的氧濃度 及氮濃度及單晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的冷卻速率而定。因此，利用氧濃度、氮濃度及冷卻速率控制 無(wú)缺陷區(qū)深度及內(nèi)側(cè)的微細(xì)缺陷密度。
[0019] 單晶娃棒中的氧濃度需要控制在5xl017atoms/cm3~7xl0 17atoms/cm3的范圍內(nèi)。如 果氧濃度低于5xl017atoms/cm3,則娃片的機(jī)械強(qiáng)度低下；如果氧濃度超過(guò)7xlO natoms/cm3， 則硅片內(nèi)部氧析出物密度高于5X10s/cm3,從而降低硅片的機(jī)械強(qiáng)度。
[0020] 單晶娃棒中的氮濃度需要控制在5xl013atoms/cm3~lxl0 15atoms/cm3的范圍內(nèi)。如 果氮濃度低于5X1013at〇mS/cm 3,則形成不了表面及從表面約5μ m深度的格子缺陷的無(wú)缺 陷層，如果氮濃度超過(guò)lxl〇15atoms/cm3,則娃片內(nèi)部氧析出物密度高于5xlO s/cm3,從而降低 硅片的機(jī)械強(qiáng)度。
[0021] 單晶娃棒中的碳濃度需要控制在Ixl015atoms/cm3~5xl0 16atoms/cm3的范圍內(nèi)。如 果碳濃度低于lxl〇15at〇mS/Cm 3,則采用CZ法拉制單晶硅棒的單晶爐需要使用特別的材料， 從而不利于控制制造成本；如果碳濃度超過(guò)5xl016atoms/cm3,則娃片內(nèi)部氧析出物密度高 于5xlOs/cm3,從而降低娃片的機(jī)械強(qiáng)度。
[0022] 在使用CZ法制備單晶硅棒時(shí)，拉晶爐內(nèi)單晶硅棒冷卻到1100°C ~1150°C，冷卻速 度為0. 1°C /分鐘~1°C /分鐘。根據(jù)該條件制備單晶硅棒，無(wú)需添加大量氮，就能使硅片厚 度中心的氧析出物密度為lxl〇7/cm3~5xlOs/cm3,從而可制造出機(jī)械強(qiáng)度高并且成本低的硅 片。
[0023] 根據(jù)上述CZ法拉制的單晶，通過(guò)一般的硅片加工工藝做成鏡面硅片后，采用半導(dǎo) 體制造常用的熱處理爐進(jìn)行熱處理。熱處理前，需要用氨或過(guò)氧化氫清洗硅片鏡面，洗凈后 娃片表面氧化膜和氮化膜等不能超過(guò)lnm。
[0024] 在進(jìn)行熱處理時(shí)，需要在非活性氣體中控制加熱溫度為1150°C ~1250°C，熱處理 時(shí)間為45分鐘~180分鐘。如果加熱溫度低于1150°C，則不能完全消除硅片表面附近的格 子缺陷；如果加熱溫度高于1250Γ，則會(huì)使硅片變形，并且增大熱處理爐內(nèi)污染的危險(xiǎn)性。 如果熱處理時(shí)間低于45分鐘，則不能完全消除硅片表面附近的格子缺陷；如果熱處理時(shí)間 高于180分鐘，則熱處理后硅片表面附近的格子缺陷消除深度沒(méi)有太大變化，從而不利于 控制制造成本。
[0025] 進(jìn)行熱處理時(shí)，爐內(nèi)700°C時(shí)將硅片插入，700到900°C期間，升溫速率為5-15°C / min ;900到1100 °C期間，升溫速率為2-8 °C /min ;1100到1250 °C期間，升溫速率為 0. 5-2°C /min ;降溫速率與升溫速率保持一致，降溫到700°C時(shí)將硅片取出。如果升降溫速 率太快，硅片表面容易出現(xiàn)滑移和位錯(cuò)，不利于大規(guī)模集成電路制造；如果升降溫速率