專利名稱：硅晶片及其制備方法
技術(shù)領域：
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)：
將用于半導體集成電路(半導體器件)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，并且對其進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)中將提拉速度設置在預定的范 圍內(nèi)，并且將用于摻雜(添加)到被提拉晶體中的氮濃度設置為等于或高于lxlO"原子/
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cm 。 另外，專利文獻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 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置為40-400Pa。另外， 其還公開了缺陷區(qū)是氧化誘生層錯區(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1 :JP. No. 3255114
專利文獻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，而這會在半導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 以預定的濃度添加氮和氫來實現(xiàn)。 另外，如以預定的濃度添加氮和氫一樣，在提拉硅晶體中，以預定的溫度梯度(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")，并且以預定的提拉速度(在 下文中簡稱為"V")進行"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，將對本發(fā)明中的"驟冷"的特性進行解釋。按照慣例，為提高生產(chǎn)力，可 進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定范圍內(nèi)，同時將提拉速度保持在與常規(guī)方法類似的水平 時，將會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，而這卻不會對 半導體器件產(chǎn)生影響。 也就是說，用于達到上述目的的本發(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，為了達到上述目的，用于制備本發(fā)明相關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置為 3xl013-3xl015原子/cm3 ;通過將晶體提拉爐內(nèi)的壓力設置到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 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，并適合用作半導體器件。另外， 可以進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施本發(fā)明的最佳實施方案。應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)型的比例關系是以夸張手法繪制的。因此，上
述附圖不同于實物圖。
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)明第一實施方案進行氮和 氫的摻雜處理、以及驟冷處理時對產(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)明第一實施方案相關硅晶片中存在的 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之間的關系圖。 附圖標記 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 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
具體實施例方式
第一實施方案 本發(fā)明的第一實施方案涉及具有氮和氫的硅晶片，其特征在于相對于總的空隙 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。
本實施方案相關的硅晶片的技術(shù)意義在于含有氮和氫的要點；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；以及空 隙密度和形狀及聚集體形成的要點；以上要點為不可分隔的整體。下面將對這些條件(要 求)中的每一條詳細解釋。 圖1是硅晶體的橫截面圖(相位圖)，其示意顯示了根據(jù)本實施方案進行氮和氫 的摻雜處理以及"驟冷"處理對產(chǎn)生晶體缺陷的影響(后面將對"驟冷"處理進行解釋)。 更詳細地，當在縱向上觀察的時候，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]表示摻雜氮并且進行"驟冷"處理的情形，[E]表示摻雜氮 和氫，并且進行"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)硅上時所產(chǎn)生的層錯區(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，在與本實施方案相關的硅晶片中，存在由多個空隙構(gòu)成的泡狀空隙聚 集體，并且相對于總空隙數(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% (參照圖l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模式特性的關聯(lián)。下面將對泡狀空隙聚集體進行解釋。 圖3所示為本實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，當多個不具有{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， 這樣的效果會表現(xiàn)為該空隙對器件的不良影響較小。另外，結(jié)果是本實施方案中的泡狀空 隙聚集體可以被稱為相當"無害"的空隙。 泡狀空隙較小降低氧化物膜耐壓特性的機理推測如下。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，這是因為構(gòu) 成泡狀空隙聚集體的每個空隙的尺寸很小。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 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，然而，其優(yōu)選等于或多于 5個，更優(yōu)選等于或多于10個，并且更優(yōu)選20-100個。在上述范圍內(nèi)的空隙尺寸可進一步 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個的情況下， 可以用TEM(將在后面進行描述)容易地辨認該聚集體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，都應該使用上述TEM，雖然對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，將更能改善該聚集體的"無害"程度。 接下來，將對泡狀空隙聚集體的比率與氧化膜耐壓特性之間的關系進行描述。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)域通過下列方法評估(確認)?？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，其中照相機設置在豎直方向。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，將空隙的尺寸設置為等于或大于50nm，當 轉(zhuǎn)換為球形時，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的。將通過使用M0-6 觀察到的那些空隙中的約10個空隙通過使用透射電子顯微鏡(TEM)進行形狀研究。在這 里，由多個空隙聚集的空隙(由圖3的照片所示，經(jīng)確認，等于或多于40個空隙存在于該空 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。
除了上面的空隙構(gòu)型外，上述硅晶片具有兩個空隙密度在預定范圍內(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 的每個空隙作為一個空隙被測量。 如圖l[E]中所示，該實施方案中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，甚至當空隙密度等于或低于2xlOVcm3時，一定程度 上都難以獲得適用于半導體器件的高C模式特性。 另一方面，在與本實施方案相關的硅晶片中，通過除氮外同時摻雜氫，以及通過進
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，其還對氧化膜產(chǎn)生較小的負面影響。結(jié)果是，本
實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施方案相關半導體器件中的高C模式
特性。應該注意到在圖1(E)中用方框包圍的區(qū)域表示與本實施方案相關的硅晶片11。應
該注意，當觀察圖1的(E)時，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，通過將晶片的整個表面設置為V2區(qū)，將有可能制得整個硅晶片的高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，優(yōu)選空隙密度要盡可能小，但是當考慮到生產(chǎn)率， 將下面要描述的V/G下限值指定為0. 7的時候，空隙密度則應為等于或高于5xl07cm3。
以這種方式指定的V2區(qū)占本實施方案相關硅晶片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 合格率一定會等于或高于70% 。 另外，本實施方案相關硅晶片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。應該注意到上述BMD密度恰當?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，對硅晶片110在78(TC下進行3個小 時、接下來在100(TC下進行16個小時的氧沉積熱處理(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對硅晶片110進行面 內(nèi)BMD測量。測量點的面內(nèi)位置是從中心到邊緣10mm，以10mm的間距設置。在這樣的方式 下，確定了 BMD密度的值。
第二實施方案 本發(fā)明的第二實施方案相應于上述第一實施方案相關硅晶片的制備方法。也就 是說，將硅晶體中的氮濃度設定為3xl0"-3xl0"原子/cm3;將晶體提拉爐內(nèi)的爐壓設定 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，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)進行的。應該注意對上述提拉爐沒有特別限制，只要 能夠達到本發(fā)明的晶體生長條件即可。另外，下文將對提拉速度的控制進行描述。
用于制備本發(fā)明相關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定 的濃度加入(摻雜)氮和氫的要點；將硅晶片的直徑和晶體提拉爐內(nèi)的壓力設定為預定值 的要點；以預定的溫度梯度和提拉速度在晶體提拉中驟冷處理的要點；及調(diào)整空隙密度使 其處于預定范圍內(nèi)的要點。
下面將對這樣的技術(shù)意義進行詳細的解釋。首先，通過該實施方案的構(gòu)造(特別 是如上所述以預定的濃度加入氮和氫，以及在預定的溫度梯度和速度下進行"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，通過本實施方案相關制備方法所獲得 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，將參照實施例圖5對單晶生產(chǎn)裝置進行解釋，該裝置能夠進行上面的"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，其被設計成可以與該加熱腔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)動裝置而旋轉(zhuǎn)、 下降和上升的。驅(qū)動裝置通過降低量的液體表面來升高坩鍋，從而補償伴隨提拉單晶體S 所產(chǎn)生的液體表面下降，另外，通常以預定的旋轉(zhuǎn)速度來旋轉(zhuǎn)該坩鍋，以對熔融液L進行攪 拌。 所述坩鍋是由石英坩鍋3a和對其進行檢測的石墨坩鍋3b構(gòu)成的。在坩鍋的側(cè)壁 部分，設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。 設置了由高導熱材料構(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熱材料，并且同時其沒有污染熔融液或者單晶的危險。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)，隨著爆炸的進展兩種材料碰撞，并且在爆炸點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 變得非常好，這使得能夠降低冷卻體22的溫度。 冷卻體被設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)的半導體材料熔化。當半導體材料達到熔融狀態(tài)的時 候，通過使線巻取機11動作來使提拉線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。當單晶S以這種狀態(tài)開始生長到晶種9上的時候，然后就以預定的速度提拉線 巻取機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，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，如下對本發(fā)明的氧化膜耐壓性(計算高C模式合格率)進行測量。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，對該氧化膜的耐壓性進行測量。在耐壓性測量中在硅晶片表面使用了 164個電極，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(A)和(C)作為邊界，它們之間的橫截面通常是這樣的一個區(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(A)和(C)作為兩端的內(nèi)部區(qū)域是得到本實施方案的硅晶片所需要的。
然后，雖然空隙密度顯著變低，然而依然存在相當數(shù)量的空隙，因此可能導致氧化膜耐壓特性或者C模式的降低。然而，由于本實施方案的構(gòu)造(特別是，通過以預定濃度加入氮和氫，以及通過以預定的溫度梯度和提拉速度進行"驟冷"處理)，空隙變?yōu)榕轄钚螤疃皇撬拿骟w形狀，結(jié)果是，該空隙在相當大的程度上變成為無害的。上面的"無害"意味著對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。下面將對每一種條件(要求)進行解釋。然而，就已在上面的第一實施方案中重復過的條件(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)明人檢驗了硅晶體中空隙與面內(nèi)OSF分布間的相互關系，及高C模式合格率。通過使用上述市售缺陷評估儀，用由Raytex Co.生產(chǎn)的LSTD掃描儀(M0_6)對硅晶體內(nèi)的空隙及面內(nèi)OSF分布進行測量。由于M0-6的測量條件如上所述，在這里就省略了對它的解釋。根據(jù)空隙的面積密度([/cm2])和所測量的0SF及測量深度5ym，計算空隙的體積密度([/cm3])。作為實驗體系，其包括(A)僅摻雜了氮(沒有摻雜氫以及進行本發(fā)明的"驟冷"處理)；(B)摻雜氮并且進行了本發(fā)明的"驟冷"處理(沒有摻雜氫)；以及(C)摻雜氮，摻雜氫并且進行了本發(fā)明的"驟冷"處理。 圖7所示為對硅晶體中空隙及面內(nèi)OSF分布、及C模式合格率之間的關系的檢測結(jié)果。應注意圖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%)。應該注意其它區(qū)域不能認為具有好的高C模式合格率，因為其僅僅為20-40%。 其次，將硅晶體中的氮濃度設置為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)，這是因為基本上不存在 OSF區(qū)和V2區(qū)的交迭。應該注意，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 險。 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，從而導致對半導體器件基 本上沒有不良影響。另外，由于可以在相對低的提拉速度下穩(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置為5. (TC /mm的情形是合適的，這是因為即 使在相對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V1區(qū)變?yōu)樯鲜龉杈偯娣e的20X時的 數(shù)值。另一方面，晶體提拉速度的下限值是當V2區(qū)變?yōu)樯鲜龉杈偯娣e的80%時的數(shù) 值。另外，作為以上所述的優(yōu)選比率，上述上限值是當V1區(qū)為上述硅晶片總面積的0X時的 數(shù)值，而上述下限值是當V2區(qū)為上述硅晶片總面積的80X時的數(shù)值。還另外，作為上述更 優(yōu)選的比率，上述上限值是當V1區(qū)為上述硅晶片總面積的0%時的數(shù)值，而上述下限值是 當V2區(qū)為上述硅晶片總面積的100%時的數(shù)值。在這種情況下，硅晶片的整個表面都成為 V2區(qū)。 更詳細地，通過這樣設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)來進行的。VI區(qū)和V2區(qū)的尺寸(寬度)控制是如 上所述進行的。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。這三個范圍中的每一個范圍都分別對應于V1區(qū)或V2區(qū)占上述硅晶片總面積比率的一個范圍、一個優(yōu)選范圍和一個更優(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(點缺陷)的種類和總濃度。這里，G定義為從熔點到135(TC，在晶 體生長徑向方向上的平均溫度梯度。因此，本實施方案中的晶體提拉速度的控制還可以通 過V/G的計算來規(guī)定，而這將在下面進行解釋。 相關的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個小時、接下來在100(TC下沉積熱處理16個小時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值就相應于(V/G) #。 除非絕對G值已知，否則V/G的絕對值不能被確定。然而，通過限定相對V/G，其中 V/G是由(V/G) ^^標準化，則認為當相對V/G大于1時，其成為V富集區(qū)，而當相對V/G小于 1時，其成為I富集區(qū)。通過預先檢測提拉速度和V-I邊界位置的關系，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V/G值。
通過V/G對V1區(qū)和V2區(qū)控制的方法如下。在圖1(E)中所示的實施方案中，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。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。因此，在本實施方案中，V/G在等于或高于1. lx(V/G) ,^范圍 內(nèi)的區(qū)域為上述硅晶片總面積的等于或低于20X，V/G為1. lx(V/G)臨界-O. 8x(V/G)臨界的區(qū) 域為所述硅晶片總面積的等于或高于80%。更優(yōu)選地，在上述硅晶片的整個表面，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)域為所述硅晶片 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)之間的關系，以及V/G與V之間的關系見圖8中 所示。應該注意圖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(JEITA)的換算系數(shù)(3. 03xl0"/cm2)計算的值。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準測量方法。優(yōu)選將上述氧濃度 設置為等于或低于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，因為可以避免在提拉晶體中的產(chǎn)量過度降低。應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 以進行氧沉積的熱處理(沉積熱處理)。對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下進行1_30個小時。另外，這樣的熱 處理可以在恒定的處理溫度或處理時間下進行，或者可以由兩個階段組成，其中它們中的 至少一個階段在處理期間是變化的。應該注意，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，進行了兩階段熱處理。 下面將對本發(fā)明的實施例給出解釋。然而本發(fā)明并不受限于下面的實施例。也就
是說，下面的實施例僅僅是范例，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實例都包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。 實施例 實施例l 硅單晶的提拉通過使用硅晶體生產(chǎn)設備進行。本實施例中使用的硅晶體生產(chǎn)設備 是具有圖5所示冷卻體22的單晶生產(chǎn)設備。這樣的設備用于通常的CZ方法中來生產(chǎn)硅晶 體。在使用上述設備中，坩鍋直徑是22英寸，待嵌入坩鍋中的半導體材料是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置為 4°C /mm，在提拉爐2中上述溫度梯度設置為5°C /mm，在提拉爐3中上述溫度梯度設置為 3°C/mm。在下表3中，描述了每個實施例和比較例中的上述提拉爐(表3中的項目"提拉 爐")的種類以及上述的溫度梯度。 通過使用該設備生長的硅晶體的傳導類型是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)學方程來確定其氮濃度。 下面將對這樣的數(shù)學方程給出詳細解釋。 本發(fā)明相關制備方法中對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氣的方法；或者在原料溶解的過程中混合通過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
過以下表達式l計算。 表達式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)可以通過以下表達式2確定
表達式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提拉爐中進行的。應該注意，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。應該注 意V/G應該由與(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基 底，并且使它們經(jīng)過鏡面制造，從而獲得目標硅晶片(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。
對于基底內(nèi)的缺陷(空隙)區(qū)域的評價(鑒定)是通過上文中描述的方法進行的。 另外，如上所述，通過計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。 對基底的OSF評估是通過下面的方法進行的。首先，在含氧氣氛的蒸汽中在 IIO(TC下對該基底進行氧化處理1個小時。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(氧化膜的標準電壓值)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。 實施例2 除了如下表3中所述的那樣設置氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和最大值條 件外，如實施例1相似地提拉硅單晶。
實施例3 除了如下表3中所述的那樣設置氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和最大值條 件外，如實施例1相似地提拉硅單晶。
實施例4 除了如下表3中所述的那樣設置氧濃度、爐壓、以及氫氣分壓(氫氣體積比)的條 件外，如實施例1相似地提拉硅單晶。
實施例5 除了如下表3中所述的那樣設置氮濃度、氧濃度、提拉速度、以及V/G的最小值和
最大值條件外，如實施例1相似地提拉硅單晶。
實施例6 除了如下表3中所述的那樣設置氮濃度條件外，如實施例1相似地提拉硅單晶。
實施例7 除了如下表3中所述的那樣設置氧濃度、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。 應該注意到，作為在實施例1-7中晶體提拉速度穩(wěn)定性的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與實施 例7相比，其它實施例1-6顯示出顯著更穩(wěn)定的晶體提拉速度。這樣的結(jié)果被認為顯示了 實施例1-6所設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之中所獲得的硅晶體都不能適用于任何包括低 等級設備的任何設備中。下面討論在每個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，因為晶片的整個表面都是OSF區(qū)；比較例2不能產(chǎn) 生具有極低空隙密度的V2區(qū)，因為晶片的整個表面都是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，因為氫體積比非常不足；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 的整個表面是OSF區(qū)。
工業(yè)適用性 本發(fā)明適合應用于，特別是，微型半導體器件中。
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置為3xl013-3xl015原子/cm3 ; 通過將晶體提拉爐內(nèi)的壓力設置為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C30B15/00GK101768776SQ200910221758
公開日2010年7月7日 申請日期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 申請人:硅電子股份公司