[发明专利]单晶硅的生长方法及其制备的单晶硅锭

说明书

技术领域

本发明系关于硅晶体的生长方法，尤其是关于单晶硅的生长方法。

背景技术

在柴氏拉晶法(Czochralski method)(以下有时称直拉法)的单晶硅生长过程中，由于石英坩埚的熔解，会使得部分氧进入单晶硅中，这些氧主要存在于硅晶格的间隙位置。当间隙氧的浓度超过氧在硅中的溶解度时即发生沉淀，从而形成单晶硅中常见的氧沉淀缺陷，进而对集成电路装置造成损害。

内质吸除(intrinsic gettering)技术，即，藉由一定程序于硅片内形成高密度氧沉淀，而可在该硅片表面形成一定深度的无缺陷的洁净区，该洁净区则可应用于制造装置。然而，随着超大规模集成电路(ULSI)的发展，特征尺寸越来越小，必须降低单晶硅中的氧浓度以避免于装置的有源区中形成缺陷。另外，由于目前集成电路工艺的热预算显著降低，因此无法充分符合于硅片体内形成氧沉淀的条件，从而影响内质吸除的效果。

可藉由在直拉单晶硅中掺氮以解决上述问题。氮能够促进直拉单晶硅中的氧沉淀，进而增强内质吸除效果。掺氮亦可提高硅片机械强度，抑制空洞型缺陷。以红外光散射断层扫描法(IR-LST)及扫描红外显微法(SIRM)研究氧沉淀分布情况，研究结果表示，在掺氮浓度合适的300mm掺氮直拉硅片经过一步高温退火后，可形成高密度的氧沉淀，并于硅片近表面处形成一定宽度的洁净区；此外，随着氮浓度的增加，硅片中的氧沉淀径向分布更为均匀。

业界一般系以固相掺氮，例如采用氮化硅(Si₃N₄)粉末，进行单晶硅掺氮，此法可较精确地控制掺氮浓度，但高纯度氮化硅(Si₃N₄)粉末难以获得，且常因熔解困难而残留Si₃N₄颗粒，而难以达成单晶硅的无位错生长。业界亦采用气相掺氮，系于晶种熔接后导入高纯度氮气或氮/氩混合气体，藉由氮气导入时间以控制硅晶体掺氮浓度。气相掺氮系藉由氮气与硅熔体反应而达成掺氮，纯度 较高，且反应形成的氮化硅较不易颗粒化，然而，由于完全依靠热对流进行反应，工艺不易控制且掺氮浓度较不均匀。据此，对于单晶硅的制造方法仍有其需求。

另一方面，使用氢气形成钝化层在半导体装置制造领域已经是被广为所知并且常用的技术手段。在氢钝化过程中，能够去除缺陷对半导体装置的影响。例如，该种缺陷被描述为复合或者半导体装置中心的活性成分。这些中心是由悬挂键造成，该悬挂键能够去除电荷载体或者引入不必要的电荷载体，这部分主要取决于偏压。而悬挂键主要发生在表面或装置的接口，同时其也能够发生在空缺、微孔隙等处，其也与杂质相关。

在半导体制造领域中，还存在由热载流子引起的装置性能下降的问题。该问题在小尺寸装置及高压装置中尤其重要。当使用高压装置时，信道内的载流子具有较大的能量能够穿透进入绝缘层，从而使装置的性能变差。

发明内容

本发明系提供一种单晶硅的生长方法，是以柴氏拉晶法，将置于坩埚内的硅原料熔化而形成熔体，并提拉该熔体而使单晶硅生长的方法，其中，该硅原料包括表面生长氮化硅并掺杂氘之硅片及多晶硅碎块；在形成熔体时通入包括氩气的气体；以及在提拉步骤中施加磁场。

本发明亦提供一种制备晶圆的方法，包括以前述方法所制得的单晶硅锭为原料制备该晶圆，其中，该晶圆包含浓度为1×10¹³至1×10¹⁶/立方公分的氮原子。

附图说明

图1系表示本发明的单晶硅生长方法的流程。

具体实施方式

本发明的单晶硅的生长方法是以柴氏拉晶法(又称直拉法)为基础，以固相掺氮配合磁场直拉单晶法(magnetic field-Czochralski method，MCZ)进行硅单晶的制备。简言之，柴氏拉晶法为将置于坩埚内的硅原料熔化而形成熔体，并提拉该熔体而使单晶硅生长的方法。本发明中，该硅原料包括表面生长氮化 硅并掺杂氘的硅片及多晶硅碎块；在形成熔体时通入包括氩气的气体；以及，在提拉步骤中施加磁场。

本发明的硅原料系包括硅片及多晶硅碎块，其中，该硅片的表面系具有氮化硅生长及氘的掺杂。实施例中，该氮化硅可以采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition)或等离子体化学气相沉积法(plasma chemical vapor deposition)生长，且该氮化硅的厚度为20-5000nm。