[發明專利]單晶硅的生長方法及其制備的單晶硅錠

在審

• 申請號: 201610120879.2
• 申請日: 2016-03-03
• 公開（公告）號: CN107151818A
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 肖德元;張汝京
• 申請（專利權）人: 上海新昇半導體科技有限公司
• 主分類號: C30B15/04
• 分類號: C30B15/04;C30B29/06
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙)31237
• 代理人: 金華

技術領域

本發明系關于硅晶體的生長方法，尤其是關于單晶硅的生長方法。

背景技術

在柴氏拉晶法(Czochralski method)(以下有時稱直拉法)的單晶硅生長過程中，由于石英坩堝的熔解，會使得部分氧進入單晶硅中，這些氧主要存在于硅晶格的間隙位置。當間隙氧的濃度超過氧在硅中的溶解度時即發生沉淀，從而形成單晶硅中常見的氧沉淀缺陷，進而對集成電路裝置造成損害。

內質吸除(intrinsic gettering)技術，即，藉由一定程序于硅片內形成高密度氧沉淀，而可在該硅片表面形成一定深度的無缺陷的潔凈區，該潔凈區則可應用于制造裝置。然而，隨著超大規模集成電路(ULSI)的發展，特征尺寸越來越小，必須降低單晶硅中的氧濃度以避免于裝置的有源區中形成缺陷。另外，由于目前集成電路工藝的熱預算顯著降低，因此無法充分符合于硅片體內形成氧沉淀的條件，從而影響內質吸除的效果。

可藉由在直拉單晶硅中摻氮以解決上述問題。氮能夠促進直拉單晶硅中的氧沉淀，進而增強內質吸除效果。摻氮亦可提高硅片機械強度，抑制空洞型缺陷。以紅外光散射斷層掃描法(IR-LST)及掃描紅外顯微法(SIRM)研究氧沉淀分布情況，研究結果表示，在摻氮濃度合適的300mm摻氮直拉硅片經過一步高溫退火后，可形成高密度的氧沉淀，并于硅片近表面處形成一定寬度的潔凈區；此外，隨著氮濃度的增加，硅片中的氧沉淀徑向分布更為均勻。

業界一般系以固相摻氮，例如采用氮化硅(Si₃N₄)粉末，進行單晶硅摻氮，此法可較精確地控制摻氮濃度，但高純度氮化硅(Si₃N₄)粉末難以獲得，且常因熔解困難而殘留Si₃N₄顆粒，而難以達成單晶硅的無位錯生長。業界亦采用氣相摻氮，系于晶種熔接后導入高純度氮氣或氮/氬混合氣體，藉由氮氣導入時間以控制硅晶體摻氮濃度。氣相摻氮系藉由氮氣與硅熔體反應而達成摻氮，純度 較高，且反應形成的氮化硅較不易顆粒化，然而，由于完全依靠熱對流進行反應，工藝不易控制且摻氮濃度較不均勻。據此，對于單晶硅的制造方法仍有其需求。

另一方面，使用氫氣形成鈍化層在半導體裝置制造領域已經是被廣為所知并且常用的技術手段。在氫鈍化過程中，能夠去除缺陷對半導體裝置的影響。例如，該種缺陷被描述為復合或者半導體裝置中心的活性成分。這些中心是由懸掛鍵造成，該懸掛鍵能夠去除電荷載體或者引入不必要的電荷載體，這部分主要取決于偏壓。而懸掛鍵主要發生在表面或裝置的接口，同時其也能夠發生在空缺、微孔隙等處，其也與雜質相關。

在半導體制造領域中，還存在由熱載流子引起的裝置性能下降的問題。該問題在小尺寸裝置及高壓裝置中尤其重要。當使用高壓裝置時，信道內的載流子具有較大的能量能夠穿透進入絕緣層，從而使裝置的性能變差。

發明內容

本發明系提供一種單晶硅的生長方法，是以柴氏拉晶法，將置于坩堝內的硅原料熔化而形成熔體，并提拉該熔體而使單晶硅生長的方法，其中，該硅原料包括表面生長氮化硅并摻雜氘之硅片及多晶硅碎塊；在形成熔體時通入包括氬氣的氣體；以及在提拉步驟中施加磁場。

本發明亦提供一種制備晶圓的方法，包括以前述方法所制得的單晶硅錠為原料制備該晶圓，其中，該晶圓包含濃度為1×10¹³至1×10¹⁶/立方公分的氮原子。

附圖說明

圖1系表示本發明的單晶硅生長方法的流程。

具體實施方式

本發明的單晶硅的生長方法是以柴氏拉晶法(又稱直拉法)為基礎，以固相摻氮配合磁場直拉單晶法(magnetic field-Czochralski method，MCZ)進行硅單晶的制備。簡言之，柴氏拉晶法為將置于坩堝內的硅原料熔化而形成熔體，并提拉該熔體而使單晶硅生長的方法。本發明中，該硅原料包括表面生長氮化 硅并摻雜氘的硅片及多晶硅碎塊；在形成熔體時通入包括氬氣的氣體；以及，在提拉步驟中施加磁場。

本發明的硅原料系包括硅片及多晶硅碎塊，其中，該硅片的表面系具有氮化硅生長及氘的摻雜。實施例中，該氮化硅可以采用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)或等離子體化學氣相沉積法(plasma chemical vapor deposition)生長，且該氮化硅的厚度為20-5000nm。