單晶硅晶片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種單晶硅晶片，其由利用直拉法培育而成的單晶硅晶棒切割而成，其特征在于，該單晶硅晶片是由氧濃度為8×1017原子/cm3（ASTM’79）以下的單晶硅晶棒切割而成，并且，包含利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域。由此，提供一種低成本、低氧濃度的晶片，所述晶片在制作器件時不會引起耐壓不良或漏電不良。
【專利說明】單晶娃晶片【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種尤其是最尖端領(lǐng)域中所使用的缺陷得以被控制的低氧濃度的單晶娃晶片。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，關(guān)于節(jié)能，功率器件受到注目。這些器件與存儲器等其他器件不同，在晶片內(nèi)有較大的電流流通。電流流通的區(qū)域也并非像以往那樣僅僅是最表層，而是距離表層為幾十、幾百微米的厚度的范圍內(nèi)，或者由于器件的不同也可能是在厚度方向上流通。
[0003]在這種電流流通的區(qū)域中，如果存在結(jié)晶缺陷或析出氧的體微缺陷(Bulk MicroDefect, BMD,以下也稱作氧析出物)，就可能會產(chǎn)生耐壓或漏電的問題。因此，使用結(jié)晶缺陷少且不含氧的晶片，例如在作為基板的晶片上堆積外延層而成的外延晶片、或利用懸浮區(qū)熔法(Floating Zone Method, FZ 法)制造而成的晶片(wafer)。
[0004]但是，都有各自的問題，外延晶片價格較聞、FZ結(jié)晶難以進(jìn)一步大口徑化等。因而使用以下晶片，所述晶片成本較低，并且是由利用大口徑化比較容易的直拉法(Czochralski Method, CZ法)培育而成的結(jié)晶來制作。
[0005]CZ結(jié)晶通常是在石英坩堝內(nèi)由熔融的硅原料(硅熔體)培育而成。此時，氧從石英坩堝中熔出。熔出的大部分氧會蒸發(fā)，但由于極少一部分會透過硅熔體內(nèi)而到達(dá)結(jié)晶生長界面的正下方，因此培育而成的單晶硅含有氧。
[0006]單晶硅中所含有的氧，由于制作器件等所進(jìn)行的熱處理而移動凝集，而形成BMD。如前所述，如果形成BMD，就.可能會產(chǎn)生漏電或耐壓的問題。由于如果降低氧濃度就可以抑制BMD的產(chǎn)生，因此作為質(zhì)量，還要求氧濃度較低。作為結(jié)晶的低氧濃度化技術(shù)，在專利文獻(xiàn)I中公開出以下技術(shù):利用外加磁場直拉法(magnetic field applied CzochralskiMethod, MCZ法)降低結(jié)晶旋轉(zhuǎn)或坩堝旋轉(zhuǎn)的速度，由此可以達(dá)成像2X1017原子/cm3(atoms/cm3)這種非常低的氧濃度。
[0007]并且，已知在CZ結(jié)晶中，存在結(jié)晶生長中所形成的結(jié)晶缺陷。通常，在單晶硅中，有本征點(diǎn)缺陷即空位(Vacancy)與間隙娃(Interstitial Si)。此本征點(diǎn)缺陷的飽和濃度是溫度的函數(shù)，隨著結(jié)晶培育中的急劇的溫度降低，將會產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的過飽和狀態(tài)。過飽和的點(diǎn)缺陷通過對消或外部擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散(Uphill Diffusion)等，向使過飽和狀態(tài)緩和的方向發(fā)展。但是，一般來說，無法完全消除此過飽和狀態(tài)，最終將會以空位(Vacancy)或間隙娃(Interstitial Si)中的一者占優(yōu)勢的過飽和的點(diǎn)缺陷的形式殘留。已知如果結(jié)晶生長速度較快，就容易成為空位(Vacancy)過量的狀態(tài)，相反地，如果結(jié)晶生長速度較慢，就容易成為間隙娃(Interstitial Si)過量的狀態(tài)。如果此過量的濃度達(dá)到一定以上,這些點(diǎn)缺陷將會凝集，在結(jié)晶生長中形成結(jié)晶缺陷。
[0008]作為在空位(Vacancy)占優(yōu)勢的區(qū)域(V區(qū)域)中所形成的結(jié)晶缺陷，已知有OSF(oxidation induced stacking faults,氧化誘生層錯)核和孔洞(Void)。OSF核為以下缺陷:當(dāng)在濕氧環(huán)境中以1100°C?1150°C左右的高溫對結(jié)晶的樣本進(jìn)行熱處理后，從表面注入Si,在OSF核的周圍使積層缺陷(SF)生長,一邊在選擇蝕刻液內(nèi)搖動樣本,一邊進(jìn)行選擇蝕刻，此時以積層缺陷的狀態(tài)觀察到的缺陷。
[0009]已知孔洞(Void)是由空位(Vacancy)聚集而成的空洞狀缺陷，在內(nèi)部的壁上形成有稱作內(nèi)壁氧化膜的氧化膜。此缺陷根據(jù)檢測的方法的不同而存在幾個名稱。將激光束照射到晶片表面上，利用檢測晶片表面的反射光、散射光等的粒子計(jì)數(shù)器(particlecounter)來觀察,此時稱作結(jié)晶起因之微粒(Crystal Originated Particle, COP)。將樣本在不搖動的狀態(tài)下，在選擇蝕刻液內(nèi)放置較長的時間后，觀察到流動圖案，此時稱作流體圖案缺陷(Flow Pattern Defect,FPD)0從晶片的表面入射紅外激光束，利用檢測晶片表面的散射光的紅外散射層析術(shù)(Laser Scattering Tomography, LST)來觀察,此時稱作激光散射層析缺陷(Laser Scattering Tomography Defect, LSTD)。這些雖然檢測方法不同,但一般認(rèn)為都是孔洞(Void)。
[0010]另一方面,在間隙娃(Interstitial Si)占優(yōu)勢的區(qū)域(I區(qū)域)中，形成由間隙娃(Interstitial Si)凝集而成的結(jié)晶缺陷。所述結(jié)晶缺陷的原形雖不明確,但一般認(rèn)為是位錯環(huán)等，以透射電子顯微鏡技術(shù)(Transmission Electron Microscopy,TEM)觀察到位錯環(huán)群形式的巨大的結(jié)晶缺陷。此間隙硅(Interstitial Si)的2次缺陷是通過與FI3D相同的蝕刻方法，也就是說，將樣本在不搖動的狀態(tài)下，在選擇蝕刻液內(nèi)放置較長的時間，而觀察到的較大的陷斑。這被稱作大腐蝕陷斑(Large Etch Pit, LEP)等。
[0011]如前所述，如果形成如上所述的結(jié)晶缺陷，就可能會產(chǎn)生漏電或耐壓的問題。作為制造不存在這些結(jié)晶缺陷的結(jié)晶的技術(shù)，專利文獻(xiàn)2、3等中已有公開。在無缺陷結(jié)晶的制造技術(shù)中，為了無限降低過量的點(diǎn)缺陷的濃度，而將由結(jié)晶生長速度V與生長界面附近的溫度傾斜度G所表示的V/G，控制在非常有限的較小的范圍內(nèi)，而成為所需的缺陷區(qū)域。
[0012]由于結(jié)晶生長速度V基本上在結(jié)晶的半徑方向上不會發(fā)生變化，因此為了在晶片面內(nèi)整個區(qū)域中獲得無缺陷區(qū)域，降低結(jié)晶半徑方向的G的偏差是非常重要的。這些大多是預(yù)先利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬而求出。其中，計(jì)算時需要基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此基本數(shù)據(jù)是利用實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)查結(jié)晶半 徑方向的G分布而獲得。
[0013]作為掌握結(jié)晶半徑方向的G分布的實(shí)驗(yàn)方法，經(jīng)常使用以下方法。
[0014]首先，培育在長度方向(縱向)上故意使生長速度變化的結(jié)晶。在與生長軸相同的縱向上，切割培育而成的結(jié)晶，準(zhǔn)備樣本。對此樣本施加氧析出熱處理，以便掌握缺陷分布。在實(shí)際以無缺陷結(jié)晶為目標(biāo)的條件下，使生長速度變化來培育結(jié)晶，將培育而成的結(jié)晶在縱向上切割，對切割而成的樣本作氧析出熱處理，利用X射線形貌法觀察樣本并示于圖16中。如圖16所示，氧析出的多少會成為濃淡變化，從而可以明確地辨別結(jié)晶缺陷區(qū)域。結(jié)合由模擬所實(shí)施的計(jì)算并調(diào)整結(jié)晶培育條件，使此缺陷分布在結(jié)晶中心部與周邊部為相同分布。利用這種方法，可以獲得在晶片面內(nèi)整個區(qū)域中無缺陷的結(jié)晶。
[0015]但是，由于在低氧濃度結(jié)晶中本來并不會發(fā)生氧析出，因此無法利用如上所述的方法來掌握缺陷分布。由于缺陷分布主要是因所培育的結(jié)晶受到的熱環(huán)境而發(fā)生變化，因此可以在熱環(huán)境相同的條件下僅僅提高氧濃度，來掌握缺陷分布。但是，如果在以高氧濃度形成無缺陷結(jié)晶的狀態(tài)下，僅僅使氧濃度低氧化并培育結(jié)晶，那么實(shí)際上并不會成為無缺陷結(jié)晶。一般認(rèn)為原因在于，缺陷分布不僅對上述的熱環(huán)境敏感，對由熔體內(nèi)的對流等所引起的結(jié)晶生長界面的變化也較為敏感。如專利文獻(xiàn)I所公開，為了進(jìn)行低氧濃度化，需要外加磁場，或使結(jié)晶旋轉(zhuǎn)或坩堝旋轉(zhuǎn)低速化。一般認(rèn)為這些行為會使熔體對流發(fā)生較大的變化，缺陷分布隨著低氧濃度化而發(fā)生變化也是當(dāng)然的現(xiàn)象。
[0016]因此，在低氧濃度結(jié)晶的制造中，找出培育無缺陷結(jié)晶的條件是非常困難的。
[0017]并且，作為即使有缺陷，也抑制缺陷的影響的技術(shù)，在專利文獻(xiàn)4中公開出一種技術(shù)，是將所產(chǎn)生的缺陷的尺寸控制為較小，以便抑制缺陷的影響。
[0018]專利文獻(xiàn)4所公開的技術(shù)是一種通過利用結(jié)晶的驟冷使結(jié)晶缺陷不生長，并且，使用生長速度大于無缺陷區(qū)域的空位(Vacancy)富含區(qū)域中所存在的空位(Vacancy)過飽和度較低的區(qū)域，來將結(jié)晶缺陷尺寸控制為非常小的技術(shù)。但是，在利用該方法制造而成的結(jié)晶中，至少在普通氧濃度區(qū)域中仍檢測出FPD，且當(dāng)制作器件時可能會產(chǎn)生耐壓的劣化。
[0019]并且，將這種減小缺陷的方法與低氧濃度化相結(jié)合的技術(shù)，也公開在專利文獻(xiàn)5中。
[0020]在專利文獻(xiàn)5中，規(guī)定了缺陷尺寸IOOnm以下且缺陷密度3X106 (/cm3)以下的區(qū)域。在低氧濃度結(jié)晶中，從難以掌握如前所述的缺陷分布的理由來看，雖試著將結(jié)晶培育條件限定于上述區(qū)域，但實(shí)際上非常困難。并且，在此技術(shù)中，主旨在于將結(jié)晶缺陷尺寸保持為較小再進(jìn)行退火處理，以便消除直至晶片內(nèi)部的缺陷，也包含需要熱處理則制造成本相應(yīng)程度地增加的問題。
[0021]作為可以解決這些問題的技術(shù)，在專利文獻(xiàn)6中公開出一種低氧單晶晶片的技術(shù)，是通過摻雜氮來排除位錯群及孔隙缺陷。但是，在此方法中，也殘留以下問題:由于相對生長速度較慢，因此生產(chǎn)率較低，并且由于摻雜有氮，因此將產(chǎn)生由氮所引起的供體。
[0022]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0023]專利文獻(xiàn)
[0024]專利文獻(xiàn)1:日本特開平5-155682號公報(bào)
[0025]專利文獻(xiàn)2:日本特開平11-147786號公報(bào)
[0026]專利文獻(xiàn)3:日本特開2000-1391號公報(bào)
[0027]專利文獻(xiàn)4:日本特開2001-278692號公報(bào)
[0028]專利文獻(xiàn)5:日本特開2010-202414號公報(bào)
[0029]專利文獻(xiàn)6:日本特開2001-146498號公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030][發(fā)明所要解決的課題]
[0031]本發(fā)明是有鑒于上述問題點(diǎn)而完成的，其目的在于提供一種低成本、低氧濃度的晶片，所述晶片在制作器件時不會引起耐壓不良或漏電不良。
[0032][解決課題的方法]
[0033]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種單晶硅晶片，其由利用直拉法培育而成的單晶娃晶棒切割而成，其特征在于，該單晶娃晶片是由氧濃度為8X IO17原子/cm3(atoms/cm3)(ASTMj 79)以下的單晶硅晶棒切割而成，`并且，包含利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域。
[0034]如果是這種晶片，就可以高生產(chǎn)率地制造，且制作器件也不會產(chǎn)生耐壓或漏電不良。因此，單晶娃晶片可以提聞制作器件的良率，且質(zhì)量聞，成本低。[0035]此時優(yōu)選為，前述單晶硅晶片包括:利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域；及，利用紅外散射法未檢測出LSTD的無缺陷區(qū)域。
[0036]如果是這種缺陷區(qū)域，就可以更加高生產(chǎn)率地制造不包含對器件有影響的缺陷的晶片，成為更低成本且高品質(zhì)的晶片。
[0037]此時優(yōu)選為，前述單晶硅晶片是由氧濃度為5X1017原子/cm3 (atoms/cm3)(ASTM’ 79)以下的單晶硅晶棒切割而成。
[0038]如果是這種氧濃度，那么用以作為本發(fā)明的缺陷區(qū)域的邊緣(margin)進(jìn)一步擴(kuò)大，并且，由于在熱處理中氧供體的產(chǎn)生量不至于影響電阻率，因此成為更低成本且高質(zhì)量的晶片。
[0039]此時優(yōu)選為，前述單晶硅晶棒包含氮與氧，且氮濃度[N]原子/cm3 (atoms/cm3)和氧濃度[Oi]原子 /cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)滿足[N] X [Oi]3 彡 3.5X IO670
[0040]如果是以這種濃度包含氮與氧，由于不影響電阻率，用以作為本發(fā)明的缺陷區(qū)域的邊緣擴(kuò)大，因此成為更低成本且高質(zhì)量的晶片。
[0041][發(fā)明的效果]
[0042]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，單晶硅晶片不會產(chǎn)生由缺陷所引起的器件不良，且質(zhì)量高，成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1是表示實(shí)驗(yàn)2中所調(diào)查的FPD與氧濃度的關(guān)系的圖表。
[0044]圖2是表示實(shí)驗(yàn)2中所 調(diào)查的LSTD與氧濃度的關(guān)系的圖表。
[0045]圖3是示意性地表示實(shí)驗(yàn)3中所獲得的氧濃度與缺陷區(qū)域的關(guān)系的圖。
[0046]圖4是表示實(shí)驗(yàn)4中所調(diào)查的樣本中的氧濃度與由氧供體所引起的載流子產(chǎn)生量的關(guān)系的圖表。
[0047]圖5是表示實(shí)驗(yàn)5中所調(diào)查的氮濃度的一次方與氧濃度的三次方的積與由NO供體引起的載流子產(chǎn)生量的關(guān)系的圖表。
[0048]圖6是單晶提拉裝置的略圖。
[0049]圖7是表示實(shí)施例1中的樣本中的氧濃度面內(nèi)分布的圖表。
[0050]圖8是表示實(shí)施例1中的樣本中的LSTD面內(nèi)分布的圖表。
[0051]圖9是表示實(shí)施例2中的樣本中的氧濃度面內(nèi)分布的圖表。
[0052]圖10是表示實(shí)施例2中的樣本中的LSTD面內(nèi)分布的圖表。
[0053]圖11是表示比較例中的樣本中的FPD面內(nèi)分布的圖表。
[0054]圖12是表示比較例中的樣本中的氧濃度面內(nèi)分布的圖表。
[0055]圖13是表示比較例中的樣本中的LSTD面內(nèi)分布的圖表。
[0056]圖14是表示實(shí)施例3中的樣本中的氧濃度面內(nèi)分布的圖表。
[0057]圖15是表示實(shí)施例3中的樣本中的LSTD面內(nèi)分布的圖表。
[0058]圖16是觀察結(jié)晶的缺陷區(qū)域的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059]為了制造不會產(chǎn)生器件不良的無缺陷的晶片，由于存在生產(chǎn)率等問題，因此本發(fā)明人進(jìn)行如下所述的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行努力研究。
[0060](實(shí)驗(yàn)I)
[0061]首先,在間隙娃(Interstitial Si)占優(yōu)勢的區(qū)域中，在生長速度小于圖16所表示的無缺陷區(qū)域且分配好氧濃度的各條件下培育結(jié)晶，由這些結(jié)晶切割成晶片狀樣本，并評價LEP。
[0062]LEP評價是對晶片狀樣本進(jìn)行由平面磨削、清洗、混酸所實(shí)施的鏡面蝕刻后，將樣本以不搖動的狀態(tài)放置于由氟酸、硝酸、醋酸、水所組成的具有選擇性的蝕刻液中，放置到由蝕刻所實(shí)施的加工余量成為兩側(cè)為25±3 的程度，然后利用光學(xué)顯微鏡計(jì)數(shù)。結(jié)果為，未看到所觀察到的LEP的個數(shù)的氧濃度相關(guān)性。
[0063](實(shí)驗(yàn)2)
[0064]作為實(shí)驗(yàn)2，對在空位(Vacancy)占優(yōu)勢的區(qū)域中培育而成的結(jié)晶的FPD與LSTD進(jìn)行觀察。觀察到的結(jié)晶的區(qū)域，是采用一般認(rèn)為是圖16所示的缺陷圖的生長速度較快且OSF核粘附于結(jié)晶外周的缺陷區(qū)域，并在分配好氧濃度的各條件下培育結(jié)晶。由這些結(jié)晶切割成晶片狀樣本，并進(jìn)行FPD評價。
[0065]FPD評價是在與實(shí)驗(yàn)I的LEP評價相同的條件下實(shí)施。由此評價所檢測出的FPD密度示于圖1。如圖1所示，明確看到FPD密度的氧濃度相關(guān)性，以氧濃度為8X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)為界限，隨著氧濃度的降低，F(xiàn)PD密度急劇減少。
[0066]接著，對與進(jìn)行上述FPD評價的樣本相同的樣本進(jìn)行解理，并使用紅外散射層析術(shù)(三井金屬公司(Mitsui Mining&Smelting C0., Ltd.)制造的M0441),利用紅外散射法調(diào)查LSTD密度。結(jié)果示于圖2。
.[0067]與FPD密度隨著氧濃度的降低而急劇降低相比，得知LSTD密度完全不受氧濃度影響。
[0068]由于FPD和LSTD都是稱作孔洞(Void)的空隙，因此是同種缺陷，但卻發(fā)現(xiàn)存在以LSTD的形式檢測出但未能以FPD的形式檢測出來的缺陷。作為能夠以LSTD檢測出且為能以FPD檢測出的原因，可以推斷原因在于缺陷尺寸較小、或缺陷的狀態(tài)發(fā)生變化。
[0069]但是，在紅外散射法中，已知散射強(qiáng)度反映缺陷尺寸，在低氧濃度化時并未看到此散射強(qiáng)度極度降低的傾向，難以認(rèn)為原因僅僅在于缺陷尺寸變小。
[0070]這樣一來，一般認(rèn)為缺陷的狀態(tài)發(fā)生變化也是原因之一。在孔洞(Void)的內(nèi)部存在內(nèi)壁氧化膜。推斷由于低氧化，而導(dǎo)致此內(nèi)壁氧化膜薄膜化，并向消失的方向發(fā)展。不含氧的FZ結(jié)晶的D缺陷區(qū)域(相當(dāng)于CZ的空位(Vacancy)富含區(qū)域)中的FPD，雖然確認(rèn)有流動圖案但未看見陷斑，結(jié)合考慮到此事實(shí)，可以推斷內(nèi)壁氧化膜會對FPD檢測帶來某些影響，因低氧化而使空隙以FPD的形成觀察出來。另一方面，由于LSTD是利用紅外光的散射來檢測，因此如果有介電常數(shù)差就會引起散射，因此，推斷相對于空隙反應(yīng)敏感，即使低氧化也可以檢測出LSTD。
[0071]由此得以確認(rèn)在空位(Vacancy)富含區(qū)域中所存在的孔洞(Void)中，如果進(jìn)行低氧濃度化，則存在以LSTD的形式檢測出但未能以FPD的形式檢測出來的缺陷。推斷原因如上所述，由于低氧濃度化而導(dǎo)致孔洞(Void)內(nèi)的內(nèi)壁氧化膜的狀況發(fā)生變化，而影響檢測。此以LSTD的形式檢測出但未能以FPD的形式檢測出來的缺陷，可以通過將由選擇蝕刻所實(shí)施的FPD觀察與由紅外散射所實(shí)施的LSTD觀察組合，而容易地觀察。[0072](實(shí)驗(yàn)3)
[0073]接著，在圖16的缺陷分布圖中，相當(dāng)于比無缺陷區(qū)域或OSF區(qū)域稍快的生長速度的區(qū)域中，培育氧濃度為8 X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’ 79)、與更低的氧濃度的結(jié)晶，并進(jìn)行FPD和LSTD的評價。
[0074]結(jié)果發(fā)現(xiàn)，存在完全未檢測出FPD且只檢測出LSTD的區(qū)域。在圖3中，示意性地表示出各氧濃度下的結(jié)晶的缺陷區(qū)域。如圖3 (b)所示，只檢測出LSTD的區(qū)域是從氧濃度為8X1017原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’ 79)的結(jié)晶開始產(chǎn)生，且隨著氧濃度的降低而擴(kuò)大。
[0075]對包含此區(qū)域的晶片進(jìn)行器件評價，得知此區(qū)域完全不存在耐壓、漏電的問題。一般認(rèn)為這正是因?yàn)閷τ谄骷碚f，相較于孔洞(Void)本身，內(nèi)壁氧化膜的不良影響更大。并且，如上所述，由于用以培育這種區(qū)域的結(jié)晶的條件可以通過FPD檢測與LSTD檢測來確實(shí)地找出，范圍也較廣，因此生產(chǎn)率提高。
[0076]如上所述，發(fā)現(xiàn)以下事項(xiàng):如果晶片的氧濃度為8X1017原子/cm3 (atoms/cm3)(ASTM’ 79)以下，且包含如上所述的區(qū)域，由于為低氧濃度且不會產(chǎn)生器件不良，可以高生產(chǎn)率地制造，因此可以降低成本，從而完成本發(fā)明。
[0077]并且，如圖3的示意圖所示，未檢測出FPD但只檢測出LSTD的區(qū)域，與連LSTD都未觀察到的無缺陷區(qū)域相鄰。并且，在結(jié)晶的外周部，由于像空位(Vacancy)和間隙硅(Interstitial Si)這樣的點(diǎn)缺陷會外部擴(kuò)散到表面并消失,因此不會產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的過飽和狀態(tài)，還一定存在無缺陷的區(qū)域。
[0078]因此，在實(shí)際制作晶片時，與僅包含只檢測出LSTD的區(qū)域的晶片相比，由晶片外周部向內(nèi)側(cè)存在某種程度的無缺陷區(qū)域的晶片更容易制造，生產(chǎn)率也較好。而且，該無缺陷區(qū)域的耐壓、漏電特性也沒有問題。
[0079]如上所述，以下單晶硅晶片是一種實(shí)際有效的晶片:是由氧濃度為8X1017原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’79)以下的單晶娃晶棒切割而成,并且包括:利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域；及，利用紅外散射法未檢測出LSTD的無缺陷區(qū)域。
[0080](實(shí)驗(yàn)4)
[0081]接著，調(diào)查結(jié)晶中的氧濃度與熱處理時的氧供體產(chǎn)生量的關(guān)系。
[0082]在器件中，對晶片導(dǎo)入各種雜質(zhì)以控制電阻率，并形成PN結(jié)等。此時，如果晶片的電阻率不穩(wěn)定，器件運(yùn)轉(zhuǎn)就可能會產(chǎn)生問題。在由加入氧的CZ結(jié)晶切割而成的晶片中，低溫的熱處理導(dǎo)致生成氧供體，晶片的電阻率發(fā)生變化。以往，在使用EPW (外延晶片)或FZ-Pff (拋光晶片)等不含氧的晶片的器件中，這種氧供體可能會造成不良影響。
[0083]因此，準(zhǔn)備在CZ結(jié)晶中分配好氧濃度的樣本，求出由氧供體所引起的載流子產(chǎn)生量。首先，在各樣本中進(jìn)行氧供體抑制處理，然后測定電阻率，施以容易形成氧供體的450°C的熱處理2小時或15小時。接著，測定熱處理后的電阻率，根據(jù)與熱處理前的電阻率的差，求熱處理所產(chǎn)生的載流子產(chǎn)生量。結(jié)果獲得如圖4所示的氧濃度與載流子產(chǎn)生量的關(guān)系。
[0084]如圖4所示，如果氧濃度為8X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)以下，氧供體產(chǎn)生量較少，尤其是在氧濃度為5X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’79)的樣本中，由450°C、15小時的熱處理所產(chǎn)生的載流子量約為7X 1012/cm3。如果是P型，此濃度則相當(dāng)于約1900 Q cm,如果是N型，則相當(dāng)于約600 Q cm,通常，與應(yīng)用于器件的范圍相比較，位數(shù)有I個以上不同，即使產(chǎn)生這種程度的載流子，也不會產(chǎn)生問題。
[0085]因此，如果氧濃度為5X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’79)以下，產(chǎn)生的氧供體較少，可以說電阻率幾乎未變化。如果是實(shí)際的器件步驟，考慮到相當(dāng)于450°C的熱環(huán)境大體上不會花費(fèi)15小時，2小時左右較為接近現(xiàn)實(shí)，載流子產(chǎn)生量再少一位數(shù)，為1.5X1012/cm3左右，一般認(rèn)為完全不會引起電阻率變化。
[0086]并且，在低氧濃度化后，如前所示，未檢測出FPD但只檢測出LSTD的區(qū)域有擴(kuò)大的傾向，用以制造的邊緣擴(kuò)大。
[0087]如上所述，發(fā)現(xiàn)以下晶片更為優(yōu)選:是之前所述的本發(fā)明的缺陷區(qū)域，且由氧濃度為 8X IO17 原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)以下、尤其是 5X IO17 原子/cm3 (atoms/cm3)(ASTM’ 79)以下的單晶硅晶棒切割而成。
[0088](實(shí)驗(yàn)5)
[0089]接著，調(diào)查結(jié)晶中所摻雜的氮濃度與氧濃度的關(guān)系。
[0090]通過在結(jié)晶中摻雜氮,而使孔洞(Void)變小。原因在于氮與空位(Vacancy)配對，實(shí)效的空位(Vacancy)濃度降低，而使過飽和度下降，并且孔洞(Void)形成溫度低溫化。關(guān)于未檢測出FH)但只檢測出LSTD的區(qū)域，也看到由于摻雜氮而擴(kuò)大的傾向。但是，通過摻雜氮，將產(chǎn)生由氮與氧結(jié)合成的NO供體。在900°C左右以上的熱處理下，NO供體將消失，但由于近年來的器件步驟的低溫化而可能導(dǎo)致沒有完全消失，過量地?fù)诫s氮并不優(yōu)選。
[0091]因此，準(zhǔn)備分配好氧濃度和氮濃度的結(jié)晶的樣本，求出NO供體產(chǎn)生量。
[0092]首先，進(jìn)行一般的氧供體抑制處理，然后測定樣本的電阻率。接著，施加1000°C、16小時的熱處理以使NO供體確實(shí)地消`失，然后再次測定電阻率，求出由NO供體引起的載流子的產(chǎn)生量。結(jié)果為，由NO供體引起的載流子產(chǎn)生量與氧和氮兩者的濃度相關(guān)，擬合的結(jié)果為，獲得與氮濃度的一次方與氧濃度的三次方的積相關(guān)的如圖5所示的關(guān)系。圖5是表示氮濃度的一次方與氧濃度的三次方的積與由NO供體引起的載流子產(chǎn)生量的關(guān)系的圖表。發(fā)現(xiàn)優(yōu)選為，采用以下單晶硅晶片:與氧供體同樣地，使由NO供體引起的載流子產(chǎn)生量的容許范圍為IXlO1Vcm3以下，并包含氮與氧，且氮濃度[N]原子/cm3 (atoms/cm3)和氧濃度[0i]原子 /cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)滿足[N] X [Oi]3 彡 3.5X IO670
[0093]本發(fā)明人以如上所述的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，完成如下所述的本發(fā)明。
[0094]以下，參照附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式的一個實(shí)例，但本發(fā)明并不限定于此實(shí)施方式。
[0095]在本發(fā)明的制造方法中，首先，使用例如圖6所示的單晶硅提拉裝置，利用直拉法培育單晶硅晶棒。圖6是單晶硅提拉裝置的略圖。
[0096]在此，針對本發(fā)明的制造方法中可以使用的單晶提拉裝置，加以說明。
[0097]圖6的單晶提拉裝置12構(gòu)成為具備:主室I ;石英坩堝5和石墨坩堝6，在主室I中容納原料熔液4 ;加熱器7，配置于石英坩堝5和石墨坩堝6的周圍；加熱器7的外側(cè)周圍的絕熱構(gòu)件8 ;及，提拉室2，安裝于主室I的上部。在提拉室2中，設(shè)置有氣體導(dǎo)入口 10，所述氣體導(dǎo)入口 10導(dǎo)入使?fàn)t內(nèi)循環(huán)的氣體；在主室I的底部，設(shè)置有氣體流出口 9，所述氣體流出口 9排出使?fàn)t內(nèi)循環(huán)的氣體。
[0098]并且，還可以根據(jù)制造條件，如圖6所示地設(shè)置環(huán)狀氣體整流筒(石墨筒)11。并且，還可以使用所謂的MCZ法的裝置，所述裝置是在主室I的外側(cè)設(shè)置磁石(未圖示)，通過對原料熔液4外加水平方向或垂直方向的磁場，來抑制熔液的對流，謀求單晶的穩(wěn)定生長。
[0099]在本發(fā)明中，這些裝置的各部可以使用例如與以往相同的各部。
[0100]以下，說明由如上所述的單晶提拉裝置12所實(shí)施的單晶培育方法的一例。
[0101]首先，在石英坩堝5內(nèi)，將硅的高純度多結(jié)晶原料加熱至熔點(diǎn)(約1420°C)以上并熔解，成為原料熔液4。接著，通過放開線，使籽晶的前端接觸或浸潰于原料熔液4的表面大致中心部。之后，使石英坩堝5、石墨坩堝6向適當(dāng)?shù)姆较蛐D(zhuǎn)，并且將線一邊旋轉(zhuǎn)一邊卷繞，提拉籽晶，由此開始培育單晶硅晶棒3。
[0102]然后，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整提拉速度與溫度，以完成本發(fā)明的缺陷區(qū)域，而獲得大致圓柱形狀的單晶硅晶棒3。石英坩堝5和石墨坩堝6可以在結(jié)晶生長軸方向上升降，使石英坩堝5和石墨坩堝6上升，以便彌補(bǔ)在結(jié)晶生長中結(jié)晶化而減少的原料熔液4的液面的下降部分。由此，原料熔液4表面的高度被控制為大致一定的所需高度。
[0103]在這種提拉時，在本發(fā)明中，控制提拉速度與溫度，使單晶硅晶棒的氧濃度(初始晶格間氧濃度)為8X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)以下，并且包含利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域。
[0104]作為高效控制提拉速度(生長速度)以便包含本發(fā)明的缺陷區(qū)域的方式的方法，優(yōu)選為，例如預(yù)先利用預(yù)試驗(yàn)求出本發(fā)明的成為缺陷區(qū)域的條件。
[0105]此時,空位(Vacancy)富含區(qū)域可以作為利用選擇蝕刻檢測出FPD的區(qū)域求出，間隙硅(Interstitial Si)富含區(qū)域可以作為檢測出LEP的區(qū)域求出。而且，本發(fā)明的缺陷區(qū)域?yàn)橐韵氯毕輩^(qū)域:利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP，且利用紅外散射法檢測出LSTD (只檢測出LSTD的區(qū)域)。并且，利用任一種方法均未檢測出缺陷的區(qū)域?yàn)闊o缺陷區(qū)域。因此，對于在預(yù)試驗(yàn)中提拉而成的結(jié)晶 ，可以使用紅外散射法和選擇蝕刻，求出如圖3 (b) (c)所示的缺陷分布，設(shè)定提拉條件。
[0106]之后，可以基于該求出的關(guān)系，將提拉速度控制在例如圖3 (c)的范圍R內(nèi)，提拉結(jié)晶，來培育單晶硅晶棒，使晶片中包含以下缺陷區(qū)域:即加工后，利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP，且利用紅外散射法檢測出LSTD。
[0107]此時，可以以比圖3 (C)的范圍R更高的速度、或更低的速度來培育包含本發(fā)明的缺陷區(qū)域的單晶硅晶棒，但優(yōu)選為，通過在范圍R內(nèi)控制提拉速度，來培育包含以下區(qū)域的單晶硅晶棒:即利用選擇蝕刻未檢測出Fro和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域、與無缺陷區(qū)域。
[0108]由于如果是比圖3( c)的范圍R更高的速度，在所切割的晶片的中央部將產(chǎn)生FPD，如果是比圖3(c)的范圍R更低的速度，在所切割的晶片的外周將產(chǎn)生LEP，因此出現(xiàn)該FPD或LEP的部分可能會產(chǎn)生器件不良。因此，通過培育包含無缺陷區(qū)域、與本發(fā)明的缺陷區(qū)域的單晶娃晶棒，所切割的晶片的任一部分均不會廣生器件不良，且可以進(jìn)一步提聞良率。
[0109]并且，作為使單晶硅晶棒的氧濃度為8X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’79)以下的方法，可以使用一般的方法，并可以外加磁場，或控制結(jié)晶旋轉(zhuǎn)、坩堝旋轉(zhuǎn)及提拉速度，以使氧濃度在上述范圍內(nèi)。
[0110]如果是這種氧濃度，就可以產(chǎn)生利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域，并制造本發(fā)明的單晶硅晶片。并且，如果是這種低氧濃度，由于氧不易析出，因此晶片也不會產(chǎn)生BMD等缺陷，且不會產(chǎn)生器件不良。
[0111]并且優(yōu)選為，使此氧濃度為5X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)以下。
[0112]如上述實(shí)驗(yàn)4所示，如果氧濃度為5X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)以下，由于由器件熱處理所產(chǎn)生的氧供體足夠少，電阻率幾乎未發(fā)生變化，因而優(yōu)選。并且，由于氧濃度越低，利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域越擴(kuò)大，因此用以制造的邊緣擴(kuò)大，可以降低成本。
[0113]并且優(yōu)選為，培育時使單晶硅晶棒包含氮與氧，且氮濃度[N]原子/cm3 (atoms/cm3)和氧濃度[Oi]原子 /cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)滿足[N] X [Oi]3 彡 3.5X IO670
[0114]這樣一來，通過摻雜氮，由于缺陷變小，本發(fā)明的缺陷區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，因此可以進(jìn)一步提聞生廣率。進(jìn)一步，如實(shí)驗(yàn)5、圖5所不，如果氣濃度與氧濃度滿足上述關(guān)系,器件熱處理時的NO供體的產(chǎn)生將會變得足夠少，而可以將晶片的電阻率變動抑制到不會影響器件的程度。
[0115]將如上所述地培育而成的單晶硅晶棒切片而切割出來，并進(jìn)行磨光、倒角、研磨及蝕刻等，制作單晶硅晶片。
[0116]如果是如上所述的單晶硅晶片，就不會產(chǎn)生制作而成的器件的耐壓不良或漏電不良，且晶片適合功率器件，質(zhì)量高，成本低。
[0117][實(shí)施例]
[0118]以下，示出實(shí)施例和比較例，更具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限定于此實(shí)施例。
[0119](實(shí)施例1).
[0120]使用如圖6所示的單晶提拉裝置，在爐內(nèi)配備直徑為26英寸(66cm)的坩堝，利用外加磁場直拉法(MCZ法)，培育單晶硅晶棒。
[0121]此時，以氧濃度[0i] 7X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)為目標(biāo)，并以未檢測出FPD和LEP但檢測出LSTD的圖3 (c)所示的區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，培育晶片上的精加工直徑為200mm粗細(xì)的單晶硅晶棒。
[0122]由培育而成的結(jié)晶切割成晶片狀樣本，利用如實(shí)驗(yàn)1、2所示的使用選擇蝕刻的方法來觀察FPD、LEP，并未檢測出這些缺陷。并且，利用平面磨削、清洗、混酸鏡面蝕刻，由同一位置切割成晶片狀樣本，然后在濕式氧化環(huán)境下、以1150°C熱處理100分鐘。接著，一邊在由氟酸、硝酸、醋酸及水等所組成的具有選擇性的蝕刻液中搖動，一邊以兩面7±3i!m的加工余量蝕刻，利用光學(xué)顯微鏡觀察蝕刻后的樣本，確認(rèn)未產(chǎn)生0SF。
[0123]此樣本的氧濃度的面內(nèi)分布如圖7所示，為7.2?7.4X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)的范圍。
[0124]并且，利用紅外散射層析術(shù)(M0441)從表面入射紅外線，并從解理面觀察散射光，求出LSTD密度。結(jié)果為，LSTD面內(nèi)分布如圖8所示，晶片整面為I X 107/cm3左右的密度。
[0125]根據(jù)以上評價，得以確認(rèn)以下事項(xiàng):該樣本是由氧濃度為8X IO17原子/cm3(atoms/cm3) (ASTM’ 79)以下的單晶硅晶棒切割而成，且為利用選擇蝕刻未檢測出FTO和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域。
[0126]對由與此評價的樣本相鄰接的部分切割而成的晶片，進(jìn)行倒角、磨削及研磨等一般的晶片加工處理，以精加工成拋光晶片(PW)。將此PW作為基板，制作功率器件，則器件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，不會產(chǎn)生耐壓不良、漏電不良等。
[0127](實(shí)施例2)
[0128]將所培育的單晶硅晶棒的目標(biāo)氧濃度降低至3X IO17原子/cm3 (atoms/cm3),并稍微調(diào)整生長速度，除此以外，與實(shí)施例1同樣地培育結(jié)晶。
[0129]進(jìn)行與實(shí)施例1相同的評價，未檢測出FPD、LEP及0SF。并且，氧濃度和LSTD的面內(nèi)分布如圖9、10所示，氧濃度在2.8?3.2X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM’79)的范圍內(nèi)，LSTD密度最高為1.2 X IOVcm3,在周邊部未檢測出。
[0130]根據(jù)以上評價，得以確認(rèn)以下事項(xiàng):該晶片是由氧濃度為8X IO17原子/cm3(atoms/cm3) (ASTM’ 79)以下的單晶硅晶棒切割而成，并且包含利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域、與周邊部的無缺陷區(qū)域。
[0131]由與此評價的樣本相鄰接的部分制作PW，在此基礎(chǔ)上制作功率器件，不會產(chǎn)生耐壓不良、漏電不良等，也沒有由供體引起的電阻率改變，表現(xiàn)出正常的器件運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0132](比較例)
[0133]目標(biāo)氧濃度與實(shí)施例2相同，但生長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)施例2，以檢測出FPD的區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)來培育結(jié)晶。
[0134]進(jìn)行與實(shí)施例1相同的評價，未檢測出LEP、0SF，但如圖11所示，F(xiàn)PD檢測出100?200 (個/cm2)。氧濃度和LSTD的面內(nèi)分布如圖12、13所示，氧濃度在3.2?3.5X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)的范圍內(nèi)，LSTD密度在5?9X 106/cm3的范圍內(nèi)，面內(nèi)大致均勻分布。
[0135]由與此評價的樣本相鄰接的部分制作PW，在此基礎(chǔ)上制作功率器件。結(jié)果為，與實(shí)施例2中所獲得的功率器件相比，一般認(rèn)為是由漏電所引起的不良率高3?5倍，導(dǎo)致良率降低。
[0136](實(shí)施例3)
[0137]摻雜氮，并使切割成晶片狀樣本的位置處的結(jié)晶中的氮濃度為6X1013原子/cm3(atoms/cm3)，除此以外，在與比較例完全相同的條件下培育結(jié)晶。
[0138]進(jìn)行與實(shí)施例1相同的評價，未檢測出FPD、LEP及0SF。氧濃度的面內(nèi)分布如圖14所示，為2.8?3.3X IO17原子/cm3 (atoms/cm3) (ASTM，79)，氧濃度與氮濃度的關(guān)系為[N] X [0i]3 ( 2.2X IO660并且，LSTD密度的面內(nèi)分布如圖15所示，為7X 107/cm3左右，表現(xiàn)出相當(dāng)高的密度。
[0139]由與此評價的樣本相鄰接的部分制作PW，在此基礎(chǔ)上制作功率器件，不會產(chǎn)生耐壓不良、漏電不良等，并且由供體所引起的電阻率改變也較小，表現(xiàn)出正常的器件運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0140]另外，實(shí)施例1?3、比較例中進(jìn)行的評價結(jié)果雖然是關(guān)于施加高電壓的功率器件，但可以容易推斷出本發(fā)明的缺陷區(qū)域在以更低的電壓運(yùn)轉(zhuǎn)的存儲器、CPU及攝像元件等其他器件中，也沒有耐壓或漏電的問題，且本發(fā)明的技術(shù)并非限定于功率器件用的基板。
[0141]本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式。上述實(shí)施方式為例示，具有與本發(fā)明的權(quán)利要求書中所述的技術(shù)思想實(shí)質(zhì)相同的結(jié)構(gòu)、并發(fā)揮相同作用效果的技術(shù)方案，均包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶硅晶片，其由利用直拉法培育而成的單晶硅晶棒切割而成，其特征在于，該單晶硅晶片是由氧濃度為8 X IO17原子/cm3 (ASTM’79)以下的單晶硅晶棒切割而成，并且，包含利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶硅晶片，其中，前述單晶硅晶片包括:利用選擇蝕刻未檢測出FPD和LEP且利用紅外散射法檢測出LSTD的缺陷區(qū)域；及，利用紅外散射法未檢測出LSTD的無缺陷區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1或2所述的單晶硅晶片，其中，前述單晶硅晶片是由氧濃度為5X1017原子/cm3 (ASTM’ 79)以下的單晶娃晶棒切割而成。
4.如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的單晶硅晶片，其中，前述單晶硅晶棒包含氮與氧，且氮濃度[N]原子/cm3和氧濃度 [Oi]原子/cm3(ASTM’79)滿足[N] X [Oi]3彡3.5X IO670
【文檔編號】G01N21/956GK103429798SQ201280012318
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月8日
【發(fā)明者】星亮二, 松本克, 鐮田洋之, 菅原孝世 申請人:信越半導(dǎo)體股份有限公司