硅半导体晶片及其制造方法技术

为提高一用Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法或施加磁场的Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法制造的硅单晶体切割而成的半导体晶片的无缺陷区深度或空穴型缺陷的深度及氮分离所产生的局部密化部分至超过１２微米的深度，在非氧化环境中施以热处理后的半导体晶片具有下列特性：无缺陷区的深度可能大于１２微米或空穴型缺陷的无缺陷深度大于１２微米，该晶片具有一氮分离所产生的局部密化部分及用二次离子质谱分析法测量氮浓度时显示一信号强度两倍或更多倍于其表面下１２微米或更深处的平均信号强度，氧沉淀物结晶缺陷的密度为５×１０↑［８］／立方厘米或更高，且该晶片是于非氧化环境中、在温度１２００℃或更高的情况下实施热处理至少１小时而制得。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种硅半导体晶片，该硅半导体晶片是由一硅单晶体切薄片而制成，该硅单晶体是在利用Czochralski法(CZ法)及施加磁场的Czochralski法(MCZ法)抽拉硅单晶体时，通过控制单晶体凝聚温度至结晶温度范围内的冷却速度及控制氮的浓度、氧的浓度等以生长晶体所生长的，该专利技术还涉及一种制造该硅单晶体的方法。至于硅单晶体生长过程中导致装置合格率降低的生长缺陷，环叠层缺陷(R-SF)、位错簇及类似物是发生在间隙硅较多的区域，而孔腔缺陷，例如空穴型缺陷(COP、LSTD、FPD)及AOP是发生在空穴较多的区域。因为用CZ法或MCZ法生长晶体时，R-SF被逐出晶体之外，绝大多数的缺陷是空穴型缺陷。因该空穴型缺陷，结晶起因微料(COP)是晶片刚制成之后于晶片上形成约0.1微米大小的空穴，所以引起特别注意。在用CZ法或MCZ法生长的硅单晶体内，该缺陷的本质被认为是八面体形状结晶内的一个空穴，据估计该空穴可导致装置的图案失效及结构性破坏。通过CZ法或MCZ法制造硅单晶体时是用石英作坩埚。抽拉单晶体时自石英坩埚洗提的氧是通过硅熔液的流动及扩散予以移除，大部分的氧是以SiO气体自熔液表面蒸发出去。但，一部分的氧在高温下混入晶体，且在冷却晶体过程中氧含量过饱和，在晶体内形成直径数百纳米或更小的由SiO2或SiOx组成的氧沉淀物微细缺陷(BMD)。当由单晶体切割成的半导体于制造如DRAM的电子装置之前或过程中施以热处理时，氧沉淀物微细缺陷在电子装置的活性区半导体晶片表面层部分消失，而且可能增加远离晶片表面更深处微细缺陷的密度及增加氧沉淀物的大小。但，若自硅单晶体切成的硅半导体晶片表面部分出现铬、铁、镍及铜等重金属杂质，制造电子装置时该装置的特性将被遭破坏。所以需将这些重金属杂质局限于远离该装置活性区的部位(即远离表面层部分)。因此，利用BMD，通过固有吸气(IG)可将铬、铁、镍及铜等重金属作为硅化物沉淀在BMD上或其附近，因此可在半导体晶片的表面层部分形成一无缺陷区。已知无缺陷区的深度及半导体晶片内侧微细缺陷的密度视硅单晶体内的氧浓度及氮浓度及单晶体生长过程中的冷却速率而定。因此，曾将氧浓度、氮浓度及冷却速率加以控制以控制硅无缺陷区及内侧的微细缺陷密度。JP-A-2000-211995中曾建议改进空穴型缺陷的无缺陷区及改进固有吸气(IG)的效果，该文献曾公开一硅单晶体晶片，其中无缺陷表层的深度为2-12微米及TZDB(零时电介质崩溃)的显示一氧化物膜耐压品质的C-模式非缺陷比为90％或更高。再者，其申请专利范围第2项曾揭示硅单晶体晶片内的氮浓度为1×1012-1×1015个原子/立方厘米。再者，其权利要求4曾公开硅单晶体晶片的氧浓度为百万分之9-17个原子，权利要求5曾公开硅单晶体棒的生长方式是在晶体生长过程中，在1150℃-1080℃的温度范围内，冷却速率是控制在1.0-4.5℃/分钟的范围内。在实施例中曾显示下列事实一8英寸硅单晶体镜面晶片内的氧浓度必须为百万分之10个原子以满足无缺陷区(DZ)实际增加到高达12微米深度的条件。在该已知技术中，若氮浓度是在1×1012互1×1015个原子/立方厘米的范围内，通过选择氧浓度为百万分之9-17个原子，所形成的无缺陷区仅可达12微米深度(由COP数评估)，无法制得无缺陷区深度大于12微米的硅单晶体晶片。在本专利技术中，空穴型缺陷的无缺陷深度是指粒径0.1微米或更大、通过用SC-1等反复清洗而出现的结晶起因微粒(COP)密度的合格密度经设计为2×105或更低时距半导体晶片表面的深度。再者，耐受电压的合格深度是指在实施零时电介质崩溃(TZDB)试验成功率超过90％及电流密度100毫安培/平方厘米的情况下，晶片可耐受11千伏特/厘米或更高电压处距半导体晶图表面的深度。在本专利技术中，无缺陷区的深度是通过具有空穴型缺陷的深度及耐受电压的合格深度两项数值的深度加以评估的。以BMD(表体微细缺陷密度)表示的氧沉淀物密度是指由于溶解在硅单晶体内形成过饱和固体溶液、经热处埋的间隙氧沉淀、由SiO2所生微细缺陷及由于叠层缺陷随同SiO2的形成所生错位而造成的微细缺陷的密度。为解决上述诸问题，权利要求1所述的专利技术是一硅半导体晶片，该晶片是由Czochralski法或施加磁场的Czochralski法生长的硅单晶体制得，并于一非氧化环境中将该制得的硅晶片加以热处理而制成，其中该晶片的无缺陷区(DZ)的深度为12微米或更深及该硅半导体晶片厚度中心处的氧沉淀物结晶缺陷密度为5×108/立方厘米。该非氧化环境可能是一包括氮、氢、氩或这些气体的混合气体。该硅半导体晶片经于一非氧化环境中实施热处理之后，可使无缺陷区的深度远超过12微米且可使硅半导体晶片厚度中心处的氧沉淀物结晶缺陷密度为5×108/立方厘米或更高。再者，由事实可清楚地看出由氮分离所产生的局部密化部分(若用二次离子质谱分析法测量氮浓度，该局部密化部分所显示的信号强度是12微米深或更深处平均信号强度的两倍或更多倍)较12微米更深，应了解的是，该固有吸气效果甚大及无缺陷区的深度甚深。所以，该晶片具有宽广的制作电子装置范围及极高的吸气能力。再者，如本专利技术权利要求2所述，自Czochralski法或施加磁场的Czochralski法抽拉的硅单晶体切割而成的硅半导体晶片于一如氢氩混合环境的非氧化环境中加以选择及热处理，其氧浓度为9.5×1017个原子/立方厘米或更低(愈低愈佳)，氮浓度为5×1014个原子/立方厘米或更高及1×1016个原子/立方厘米或更低，其通过一红外线干涉法OPP于其中心处测得的最大信号强度是2伏特或更弱。经热处理的半导体晶片的特性是若用二次离子质谱分析法(SIMS)测量，表面下1微米深、半导体晶片中心处的氧浓度为5×1016个原子/立方厘米或更低及半导体晶片厚度中心的氧浓度为9.5×1017个原子/立方厘米或更低。半导体晶片空穴型缺陷的深度及在TZDB试验中半导体晶片耐受电压的合格深度均可扩展至较12微米还深如0.5微米的区域。选5×1014个原子/立方厘米作为热处理前硅半导体晶片氮含量下限的理由是若数值低于所选数值，将会造成减小表面层缺陷的效果不足，所以在随后热处理中表面层缺陷的消失变得困难。再者，选择1×1016个原子/立方厘米作为氮含量上限的理由是抽拉单晶体时，防止氮沉淀超过固体溶液限制所引起的多结晶作用，从而避免载流子寿命及电阻等电子特性的改变。再者，即使氮浓度限定在权利要求2的范围内，若抽拉过程中冷却速率偏低，缺陷会变得更大，所以必须采用5℃/分钟或更高的冷却条件以便在表层形成厚度为12微米或更厚的无缺陷区。但，依照最近对大直径晶片的需要，为制得直径200毫米或更大的硅半导体晶片，在1100℃温度下，将冷却速率设定在5℃/分钟甚为困难。因此，为制得具有权利要求1特性的大直径晶片，需通过增加氮的添加量以减低缺陷的大小。在本专利技术内，于非氧化环境中实施热处理之前，硅半导体晶片内氮的浓度范围是限制在权利要求3所界定的范围内。为使硅半导体晶片内氮的浓度符合权利要求3所界定的浓度，硅熔液内的氮浓度需保持在权利要求9所界定的范围内。本专利技术所用红外线干涉法亦称光学沉淀(OPP)法，其中利用散射光可观察到半导体晶片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法或施加磁场的Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法所生长的硅单晶体制得的硅半导体晶片，其特征在于，该硅半导体晶片于一非氧化环境中经热处理之后，该硅半导体晶片无缺陷区的深度至少为１２微米，该硅半导体晶片厚度中心处的氧沉淀物的晶体缺陷密度至少为５×１０↑［８］／立方厘米。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2001-8-9 242498/20011.一种自Czochralski法或施加磁场的Czochralski法所生长的硅单晶体制得的硅半导体晶片，其特征在于，该硅半导体晶片于一非氧化环境中经热处理之后，该硅半导体晶片无缺陷区的深度至少为12微米，该硅半导体晶片厚度中心处的氧沉淀物的晶体缺陷密度至少为5×108/立方厘米。2.如权利要求1所述的半导体晶片，其中该硅半导体晶片中心表面下1微米深处的氧浓度高达5×1016个原子/立方厘米，该半导体晶片厚度中心处的氧浓度高达9.5×1017个原子/立方厘米，该半导体晶片是于一非氧化环境中热处理氧浓度高达9.5×1017个原子/立方厘米、氮浓度为5×1014个原子/立方厘米-1×1016个原子/立方厘米、及通过红外线干涉法于其中心处所测最大信号强度高达2伏特的硅晶片而制得的。3.如权利要求1所述的半导体晶片，其中该半导体晶片中心表面下1微米深处的氧浓度为5×1016个原子/立方厘米，该半导体晶片厚度中心处的氧浓度高达8.5×1017个原子/立方厘米，该半导体晶片是于一非氧化环境中热处理氧浓度高达8.5×1017个原子/立方厘米、氮浓度为1×1015个原子/立方厘米-1×1016个原子/立方厘米、及通过红外线干涉法于其中心处所测最大信号强度高达7伏特的硅晶片而制得的。4.一种半导体晶片，其中于一非氧化环境中经热处理的半导体晶片厚度中心处的氧浓度为9.5×1017个原子/立方厘米，该半导体晶片的局部密化部分是由氮分离所产生的，且用二次离子质谱分析法测量氮浓度时该局部密化部分显示的信号强度是其表面下至少12微米深处平均信号强度的至少两倍，空穴型缺陷的无缺陷区的深度至少为12微米，以及其厚度中心处的氧沉淀物的晶体缺陷密度至少为5×108个/立方厘米。5.如权利要求4所述的半导体晶片，其中该半导体晶片中心表面下1微米深处的氧浓度高达5×1016个原子/立方厘米，且该半导体晶片厚度中心处的氧浓度高达9.5×1017个原子/立方厘米，该半导体晶片是于一非氧化环境中热处理氧浓度高达9.5×1017个原子/立方厘米、氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：立川昭义，石坂和纪，碇敦，
申请(专利权)人：硅电子股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]