硅衬底及其制造方法

专利名称：硅衬底及其制造方法
技术领域：
本发明涉及硅衬底及其制造方法，特别是涉及一种提高吸除能力、 用于供存储元件、逻辑元件等薄的元件的制造的硅衬底的最佳的技术。
本申请对2008年2月29曰申请的曰本专利申请第2008-049847号 主张优先权，将其内容引入本说明书。
背景技术：
包含硅的薄的半导体器件是通过在将利用CZ(直拉)法等拉制的硅 单晶进行切片而制成的硅衬底上形成电路而制造的。硅衬底中混入重金 属杂质时，器件特性会显著恶化。
作为硅衬底中混入重金属杂质的主要原因，有第一，在包含提拉 单晶、切片、倒角及抛光、磨削、蚀刻等表面处理的制造硅衬底的工序 中，受到金属污染；第二，在于硅衬底上形成电路、及形成电路后对晶 片背面进行切削使其厚度减至50 p m左右等工序即制造器件的工序中， 受到重金属污染。
因此， 一直利用的是在硅衬底上形成氧析出物的IG(内吸除)法、 在硅衬底的背面形成背侧损伤(Backside Damage)等吸除点的EG(外吸 除)法。
曰本特开平6-338507号公报中，提出有用IG法进行处理的技术。 在曰本特开2006-313922号公报的第0005 _歐中，记载有EG法的例子以 及涉及碳离子注入的技术。
由此，作为用于固体摄像元件的硅衬底，使用通过在外延生长之前 实施氧析出热处理从而形成氧析出物的内吸除法而得到的硅衬底、或通 过在硅衬底上离子注入碳离子等离子的离子注入法而得到的硅衬底。
但是，最近，随着器件减薄化的进展，要求器件的厚度为50"m到 40jum以下、30jum左右。但是，对重金属污染的产生而言，特别是在 器件制造的最终工序的减薄化工序中最容易发生。利用如上述的目前的 IG(内吸除)法时，当器件的减薄化达到上述程度时，由于在其减薄化工序中发挥IG效果的IG层的大部分被除去，因此，存在无法呈现充分的 吸除能力、从而导致器件不良的问题。
另外，如日本特开2009-313922号公报中所述，对碳注入衬底实施 高温热处理时，通过碳注入，形成的晶体缺陷(晶格应变等)得以緩解，
从而可能会导致吸除槽(y 7夕卩 > 夕、> ^夕)的功能下降。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种硅衬底及 其制造方法，上述硅衬底的特征在于，即使进行器件的减薄化，也具有 充分的吸除能力，而且可以防止硅衬底发生破裂或缺损等，可以提高器 件收率。

发明内容
本发明的硅衬底是由利用CZ法以碳浓度为1. 0x 10"原子/ci^以上 1. 6 x 10"原子/ci^以下、初始氧浓度为1. 4 x 10"原子/cW以上1. 6 x 1018 原子/ cm3以下的方式培育的硅单晶制造而成的。该硅衬底在表面形成有 器件，上述硅衬底的厚度为40jum以下5jum以上，而且上述硅衬底的 背面祐J!武予了产生200Mpa以下5Mpa以上的残余应力的外吸除。
削加工后进行CMP加工而赋予的。
削加工后、在CMP加工中用包含胶质二氧化硅或硅晶或者类金刚石碳的 硬度为200HV以上1000HV以下的硬质浆液进行CMP加工而赋予的。
在本发明的硅衬底的制造方法中，首先，利用CZ法以碳浓度为1. 0 x 10"原子/cm3以上1.6xl0"原子/cm3以下、初始氧浓度为1.4x1018 原子/cr^以上1. 6 x 1018原子/^3以下的方式培育硅单晶。然后，将该硅
单晶切片，制成晶片，在该晶片的表面形成器件后，将形成有上述器件 的上述晶片的厚度减至40jum以下5jum以上，对其背面实施赋予外吸 除的加工，其中，产生200Mpa以下5Mpa以上的残余应力。由此，得到 本发明的硅衬底，从而解决了上述课题。
作为上述产生残余应力的加工，可以是在对上述硅衬底背面进行磨 削加工后进行CMP加工。
更优选上述产生残余应力的加工是在对上述硅衬底背面进行磨削加工后，利用包含胶质二氧化硅或硅晶或者类金刚石碳的、硬度为200HV 以上1000HV以下的硬质浆液进行CMP加工。
本发明的存储元件的硅衬底，可以利用上述任一项上述的制造方法
来制造。
上述氧浓度可以根据ASTM F121-1979进行测定。 上述碳浓度可以根据使用了 FT-IR的方法进行测定。 另外，硬度可以根据使用了维氏硬度计的方法进行测定。 本发明的适于制造存储元件、逻辑元件、固体摄像元件等的硅衬底
具有通过添加碳而产生的析出物的核(重金属的吸除槽)。特别是对本发
明的硅衬底而言，不管是在器件制造的最终工序的减薄化工序中还是在
其后，都可以利用IG和EG呈现出充分的吸除能力，而且可以防止硅衬
底产生破裂或缺损。
通过用这样的硅衬底制造存储元件、逻辑元件等，在构成元件的电
路、晶体管、埋入式二极管等中不会产生由重金属污染引起的缺陷，可
以提高器件元件的产品合格率。
因而，根据本发明，可以提供一种具有高吸除能力、可以减低金属
污染的影响的硅衬底。而且，利用该硅衬底，可以解决制造成本、元件
工序中的成品率恶化等问题。


图la是表示硅衬底的制造程序的一实施方式的剖面图； 图1 b是表示硅衬底的制造程序的 一 实施方式的剖面图； 图1 c是表示硅衬底的制造程序的 一 实施方式的剖面图； 图2a是表示硅衬底的制造程序的一实施方式的剖面图； 图2 b是表示硅衬底的制造程序的 一 实施方式的剖面图； 图2c是表示硅衬底的制造程序的一实施方式的剖面图； 图3是表示本发明的硅衬底的制造程序的流程图； 图4是CZ提拉炉的纵向剖面图5是表示通过添加氢而引起的提拉速度区域的变化的模式图; 图6是说明本发明实施例中的热处理的图；图7a是表示存储元件的制造程序的剖面图； 图7b是表示存储元件的制造程序的剖面图； 图7c是表示存储元件的制造程序的剖面图； 图8a是表示固体摄像元件的制造程序的剖面图; 图8b是表示固体摄像元件的制造程序的剖面图; 图8c是表示固体摄像元件的制造程序的剖面图; 图8 d是表示固体摄像元件的制造程序的剖面图; 图8e是表示固体摄像元件的制造程序的剖面图; 图8f是表示固体摄像元件的制造程序的剖面图。
具体实施例方式
下面，参照附图来详细说明本发明的硅衬底和其制造方法的 一 实施 方式。
图la ~图lc ~及图2a ~图2c ~是表示本实施方式的硅衬底的制造 方法的各工序的剖面图。图3是表示本实施方式的硅衬底的制造方法的 流程图。图中，符号WO是硅村底。
本实施方式中，对用于存储元件的器件制造的硅衬底进行说明。 本实施方式的硅衬底的制造方法具有晶片制造工序A和器件制造 工序B。如图3所示，晶片制造工序A具有硅单晶提拉工序Sl、晶片加 工工序S2、外延层成膜工序S3。如图3所示，器件制造(作D込》) 工序B具有器件形成工序S4、减薄化工序S5、整饰(finishing )工序 S6。
首先，在图3所示的硅单晶提拉工序Sl中，在石英坩锅内层压配 置硅晶的原料即多晶硅，进而在该多晶硅表面上涂敷适量的石墨粉末， 同时投入作为掺杂剂的B(硼)。然后，根据例如直拉法(CZ法)使多晶硅 等熔融，并将硅晶种浸渍于该熔液中，并将其在氬气氛围内提拉，如后 述那样制造添加有碳的CZ结晶。另外，CZ结晶是通过直拉法制造的结 晶的称呼，也包含外加磁场的CZ结晶。
对于含硼的p型硅单晶而言，在多晶硅原料阶段添加碳，从该添加 有碳的原料的熔液培育硅单晶，同时控制硅单晶中的氧浓度0i并提拉 硅单晶。下面，对添加有碳的CZ硅单晶的提拉进行说明。下面，对直
7径300mm的晶片进行说明，但本发明不限于此。
图4是适合制造本实施方式的硅单晶的CZ炉的纵向剖面图。CZ炉 具备配置于燃烧室内的中心部的坩锅(石英坩锅)101 、和配置于坩锅101 外侧的加热器102。坩锅101为由外侧的石墨坩锅101a保持在内侧收容 原料熔液103的石英坩锅101的双重结构，通过被称作支架的支撑轴 101b进行旋转及升降驱动。在坩锅101的上方设有圆筒形状的隔热体 107。隔热体107具有以石墨作外壳，且在该外壳的内部充填了石墨毛 毡的结构。隔热体107的内面为内径从上端部朝向下端部逐渐减小的锥 面。隔热体107的上部的外面为与内面对应的锥面，下部的外面形成为 大致笔直(垂直)面，隔热体107的下部的厚度随着朝向下方而渐增。
该例的CZ炉例如可培育目标直径(DC)为310mm、体长例如为 1200,、直径300mm的单晶。
隔热体107的规^各例子例举如下。进入蚶锅的部分的外径例如为 570mm,最下端的最小内径S例如为370mm,半径方向的宽度(厚度)W例 如为IOO咖。另外，坩锅101的外径例如为650mm,隔热体107的下端 距熔液面的高度H例如为60mm。另外，锥面的倾斜度oc例如为21° 。
其次，对用于培育添加有碳的CZ硅单晶的操作条件的设定方法进 行说明。
首先，向坩锅内装入高纯度的硅的多晶，并按照结晶中的电阻率达
到p-型的方式添加作为掺杂剂的硼。
硼(B)浓度为p+型时，是指相当于电阻率8 x 10—3Ocm以上且10 x
l(T3Qcm以下的浓度，为p型时，是指相当于电阻率0. 1Qcm以上且100
Qcm以下的浓度，为p-型时，是指相当于电阻率0. OlQcm以上且0. 1
Qcm以下的浓度。
另外，p/p-型是指在p-型衬底上层压了 p型外延层的晶片。 另外，电阻率可使用4探针电阻率测定器进行测定。 本实施方式中，向硅熔液中添加掺杂剂，使得硅衬底中的碳浓度达
到上述的范围，即1, Ox 10"原子/cW以上且1. 6 x 10"原子/cm3以下。 另外，控制结晶旋转速度、坩锅旋转速度、加热条件、外加磁场条
件、提拉速度等，使得硅衬底中的氧浓度达到上述的氧浓度，即1.4x
10"原子/cW以上且1. 6 x 10"原子/cm3以下。然后，将装置内设为惰性气体氛围，且负压1. 33kPa以上且26. 7kPa 以下(10torr以上且200torr以下)，并向惰性气体(氩气等)中混合氬气 使其达到3体积％以上且20体积％以下，之后使混合气体流入炉内。 对于压力而言，理想的是1. 33kPa(10torr)以上，优选4kPa以上且 26. 7kPa以下(30torr以上且200torr以下)，更优选4kPa以上且9. 3kPa 以下(30torr以上且70torr以下)。对于压力的下限而言，由于氢的分 压降低时熔液及结晶中的氢浓度降低，因此为防止这些问题而规定上述 下限的压力。对于压力的上限而言，由于炉内的压力增大时结晶中的碳 浓度高出所期望值且引起结晶的位错，因此为防止这些问题而规定上述 上限的压力。另外，结晶中的碳浓度高出期望值是由于在炉内的压力 增大时，Ar等惰性气体在熔液上的气体流速P争低，从而自碳加热器及碳 部件脱气后的碳及自熔液蒸发出的SiO等反应物气体难以排出。另夕卜， 结晶的位错因如下情况而引起，即，当炉内的压力增大时，SiO在炉内 的熔液上部的IIO(TC左右或其更低的部分产生凝集，从而产生粉屑并落 入熔液中。
其次，利用加热器102进行加热，使硅熔融，制成熔液(原料熔 液)103。其次，将安装于晶种夹头105的硅晶种浸渍于熔液(原料熔 液)103中，边使坩锅(石英坩锅)101及提拉轴104旋转边进行结晶106 的提拉。结晶方位为{100}、 {111}或{110}中任一方位，在进行了 用于结晶无位错化的晶种拉延(L成i9)后，形成台肩(shoulder)部， 作成例如310mm的目标体直径。
之后，以一定的提拉速度培育体部，直至达到例如全长1200mm， 在以与常规相同的条件缩径并进行了尾部拉延后，结束结晶成长。在此， 提拉速度根据电阻率、硅单晶径尺寸、使用的单晶提拉装置的热区结构 (热环境)等适当选择。例如，可定性地采用包含在单晶面内产生OSF环 的区域的提拉速度。提拉速度的下限可设为在单晶面内产生OSF环区域 且不产生位错簇的提拉速度以上。
另外，可将上述惰性氛围中的氩浓度相对于炉内压4. 0kPa以上且 9. 33kPa以下(30torr以上且70torr以下)i殳为3体积％以上且20体积 %以下的范围。理想的炉内压为1. 33kPa(10torr)以上，优选4. 0 kPa 以上且26. kPa以下(30torr以上且200torr以下)，更斗尤选4. 0kPa以上
9且9. 3kPa(30torr以上且70torr以下)。对于其下限值而言，由于氬的 分压降低时熔液及结晶中的氢浓度降低，故而为防止这些问题而规定上 述下限的压力。对于上限值而言，由于炉内的压力增大时结晶中的碳浓 度高出期望值且引起结晶位错，因此，为防止这些而规定上述上限压力。 结晶中的碳浓度高出期望值是由于在炉内的压力增大时，Ar等惰性气 体在熔液上的气体流速降低，从而自碳加热器及碳部件脱气后的碳及自 熔液蒸发出的SiO等反应物气体难以排出。另外，结晶的位错因如下情 况而引起，即，当炉内的压力增大时，SiO在炉内的熔液上部的IIOO"C 左右或其更低的部分产生凝集，产生粉屑(dust)并落入熔液中。作为 氢分压，优选40Pa以上且400Pa以下。
在含氢的惰性氛围中培育时，硅单晶中的氢浓度可通过氛围中的氬 分压来控制。对于向结晶中导入氢而言，氛围中的氢熔解于硅熔液达到 稳定(平衡)状态，另夕卜，对于结晶，在凝固时通过浓度偏析来分配液相 和固相中的浓度。
熔液中的氢浓度由亨利法则根据气相中的氢分压来决定。凝固之后 的结晶中氢浓度可通过控制氛围中的氬分压以在结晶的轴方向达到一 定的浓度进行控制。
根据这样的硅单晶培育方法，通过在含氢的惰性氛围中提拉硅单 晶，在结晶直径方向整个区域不含有COP及位错簇。另外，能够将可提 拉晶格间硅优势区域(PI区域)的硅单晶的PI区域提拉速度的范围扩 大,将单晶直体部制成不含位错簇的晶格间硅优势区域(P I区域)。同时， 根据这样的硅单晶培育方法，由于OSF环的宽度缩小，从而目前在提拉 无原生缺陷的单晶时，可扩大必须设定为非常窄的范围的PI区域提拉 速度，从而可以以极其容易且比目前快的提拉速度培育无原生缺陷的单 晶。而且，在以在结晶面内产生OSF环区域的条件提拉硅单晶时，可缩 小OSF环的宽度来降低其影响。
在此，PI区域提拉速度范围为以在氪氛围中和无氢的惰性氛围中 进行比较时上述凝固之后的结晶内的轴方向温度梯度G的值为 一 定而无 变化的状态进行比较的范围。
具体而言，通过设为氢氛围，与无氢时相比，可提拉由晶格间硅型 的无原生(Grown- in)缺陷区域(PI区域)构成的无原生缺陷单晶的PI区域提拉速度范围可达4倍以上。例如，如图5所示，可增大到4. 5倍 的余地来进行提拉，通过这样的范围的提拉速度，可提拉所希望的单晶。
此时，减小产生OSF环的区域。另外，PV区域(空位型的无原生缺 陷的区域)的大小不会因添加氪而变化。
在本实施方式中，通过如上所述地添加氢，容易提拉无原生缺陷的 单晶。另外，通过添加碳，也可以降低OSF环的影响。通过这些协同效 果，可降低使外延层在该晶片上成长时因OSF环引起的缺陷；可进行具 有上述所希望品质的单晶的提拉；及提高作业效率，可大幅度削减硅单 晶或由该硅单晶制造的硅衬底的制造成本。
在图3所示的硅单晶提拉工序Sl之后，利用图3所示的晶片加工 工序S2加工添加有碳的高浓度硼CZ硅单晶，得到图la所示的含碳硅 衬底WO。
晶片加工工序S2中的硅衬底(晶片)WO的加工方法为通常的加工方 法。通过ID锯或线锯等切断装置将添加有碳的高浓度硼CZ硅单晶切片， 并将得到的硅晶片退火，之后，对表面进行抛光、清洗等表面处理工序。 另外，除这些工序之外，还有研磨、清洗、磨削等各种工序，根据工序 顺序的变更、省略等目的，适当变更使用工序。
这样得到的硅衬底WO,硼(B)浓度为p-型，碳浓度为l.Oxio16 原子/cm3以上且1. 6 x 10"原子/cm3以下，及氧浓度为1. 4 x 10"原子/cm3 以上且1. 6 x 1(T原子/cm3以下。
碳以固溶形态含于硅中，因此，将碳用硅取代，导入珪晶格中。即， 碳的原子半径与硅原子相比小，因此，在将碳配位于取代位置时，结晶 的应力场成为压缩应力场，晶格间的氧及杂质容易被压缩应力场捕获。 以该取代位置碳为起点，在例如后述的器件形成工序S4中，容易高密 度地发现伴随位错的碳和氧的析出物，可赋予硅衬底WO以高的吸除效 果。由此，在器件形成工序S4中，也可具有充分的吸除能力。
这样的碳的添加浓度需要限定在上述的范围。这是因为，在碳浓度 不足上述范围时，碳.氧系析出物的形成促进变得不活跃，因此不能形 成上述高密度的碳 氧系析出物。
另一方面，当超出上述范围时，虽然促进碳 氢系析出物的形成， 得到高密度的碳.氢系析出物，但析出物的尺寸4皮抑制，其结果是析出物周边的应变减弱的倾向增强。因此，由于应变效果弱，故而用于捕获 杂质的效果(吸除能力)减小。
另外，硅衬底W0中的氧浓度需要限制在上述范围。这是因为，在 氧浓度不足上述范围时，不能促进碳 氧析出物的形成，因此不能得到 上述高密度的碳 氧系析出物。
另一方面，当超出上述范围时，氧析出物的尺寸减小，母体硅原子 和析出物界面的应变效果被緩解，从而应变引起的吸除效果可能降低。
另夕卜，作为这些对析出物的影响，通过设为更高的硼浓度，促进了 硼.碳.氧引起的复合缺陷形成。
其次，在图3所示的晶片加工工序S2中，在对添加有碳的CZ结晶 即上述硅衬底WO的表面进行镜面加工后，进行例如组合了 SC1及SC2 的RCA清洗。
之后，在图3所示的外延层成膜工序S3中，使外延层在上述硅衬 底WO的表面成长。因此，将上述硅衬底WO装入外延成长炉内，使用各 种CVD法(化学气相成长法)，如图lb所示使硼(B)浓度为p型的外延层 WOa成长。
图lb所示的形成有外延层WOa的p/p -型的硅衬底Wl如图lc所 示，根据需要在该外延层WOa上形成氧化膜WOb,进而形成氮化膜WOc, 制成硅晶片(硅衬底)W2，之后将其供应给器件制造工序B。
在此，被供应给器件制造工序B的硅衬底W1或硅衬底W2的硅衬底 WO为包含硼以及固溶碳的CZ结晶。但是，该结晶成长中形成的氧析出 核、或氧析出物因外延成长时的热处理而收缩，因此，在硅衬底W1阶 段的硅衬底W0上不能通过光学显微镜观察到明显的氧化析出物。
为确保用于吸除重金属的吸除槽，在外延层WOa成长后，赋予以下 条件。作为可期待促进氧化析出物等析出的温度条件，需要以优选600 。C以上且80(TC以下实施0. 25小时以上且3小时以下的〗氐温热处理，并 以取代位置碳为起点，析出硼.碳.氧系的氧析出物W07。
另外，硼.碳.氧系析出物是指含有硼'碳的复合体(簇)即析出物。
若以含有固溶碳的硅衬底Wl为初始材料，则该氧析出物W07在经 过器件制造工序B的初期阶段的过程中遍及硅衬底WO整体自然析出。 因此，可从外延层正下方遍及硅衬底WO的全厚度形成对于器件制造工序B中的金属污染的吸除能力高的吸除槽。因此，实现在外延层的接近
区域的吸除。
为实现该吸除，硼 碳 氧系复合体即氧析出物(体内微缺陷BMD: Bulk Mirco Defect)W07优选其尺寸为lOnm以上lOOnm以下，且以1. 0 x 106个/(^3以上且1. 0 x 10"个/cm3以下存在于硅衬底W0中。
另外，该情况下的BMD尺寸是指硅衬底的厚度方向截面的在TEM观 察图像中的析出物的对角线长度，由该观察视野内的析出物的平均值表 示。
另外，BMD的密度可使用光学显微镜观察光蚀刻后的截面来测定。 将氧析出物W07的尺寸设为上述范围中的下限以上是为了增加使 用在母体硅原子和氧析出物的界面生成的应变效果来捕获(吸除)晶格
间杂质(例重金属等)的几率。另外，当氧析出物W07的尺寸超出上述范 围时，硅衬底强度降低、或者出现在外延层产生位错等影响，故而不优选。
另夕卜，由于硅晶中的重金属的捕获(吸除)依赖于在母体硅原子和氧 析出物的界面产生的应变及界面能级密度(体积密度)，因此，氧析出物 W07在硅衬底中的密度优选设定在上述的范围。
在图3所示的器件形成工序S4中，在图lc所示的硅晶片W2表面 上形成成为器件的构造，如图2a所示，制造厚度T3优选1000jam以下 且500jum以上、更优选800jum以下且600jum以上、特别优选700jum 左右的硅衬底W3。此外，将硅衬底W3的具有器件构造的部分称作器件 区域WOd。
作为器件形成工序S4，也可以采用存储元件的通常的制造工序。 虽然为其一例，但未必特别地限定于其结构 工序。
器件形成工序S4中，形成具有浮动门(flowing gate )的MOS-FET (金 属氧化物半导体接合晶体管)。由此，制造在表面形成有成为存储元件 的部分的硅衬底W3。
在上述器件形成工序S4中，例如在栅极氧化膜形成工序、元件分 离工序及及多晶硅栅电极形成等工序中，通常进行600。C以上且1000 以下的热处理，该热处理中，可析出上述的氧析出物W07,在之后的工 序中，可作为吸除槽起作用。另外，这些器件形成工序S4中的热处理条件可对应于图6所示的
各条件。
另夕卜，在器件制造工序B之前进行用于实现上述的氧析出物W07的 析出的热处理的情况下，理想的是以上述60(TC以上且800。C以下、0. 25 小时以上且3小时以下的条件进行在氧气、和氩气、氮气等惰性气体的 混合氛围中进行的热处理。由此，可使硅衬底具有IG(吸除)效果。在此， 关于高浓度硼衬底，由于不必须进行该热处理工序，故而可省略之。
另外，具有IG效果的热处理与器件制造工序B或其之前的工序无 关，当该热处理低于上述的温度范围时，硼.碳.氧的复合体形成不足， 在衬底产生了金属污染的情况下，不能发现充分的吸除能力，因而不优 选。另外，当比上述的温度范围高时，氧析出物的凝集过剩，结果导致 吸除槽的密度不足，故而不优选。
另夕卜，该热处理中，若为能够发现与60(TC、 30分钟的条件相同的 析出的热处理温度.时间以上，则温度的波动及处理时间的增减也可以 设定为不同的条件。另外，若为可发现与80(TC、 4小时的条件相同的 ;叶出的热处理温度.时间以下，则温度的波动及处理时间的增减也可以 设定为不同的条件。
其次，通过图3所示的减薄化工序S5,将硅村底W3作成优选厚度 10jum以上且30jum以下、更优选厚度30 ju m左右的衬底W5。
图3所示的减薄化工序S5中，首先，作为磨削处理工序，通过磨 削加工将图2a所示的厚度为T3的上述硅衬底W3的背面W3a减薄，制 成图2b所示的厚度为T4的衬底W4。另外，硅衬底W3的硅衬底WO通过 磨削加工成为加工改性层WOf和块(bulk)层WOe。
作为此时的条件，例如如下设定。
厚度T3; 700|um、厚度T4; 60 ju m (50 ~ 80 p m)、背面形成无规 (random)的加工改性层的表面状态；粗糙度5nm。 另外，磨削加工优选通过磨床等进行。 厚度T4优选为50 jum以上且80jum以下的范围。 另夕卜，粗糙度优选4nm以上且8nm以下的范围，更优选5nm左右。 减薄化工序S5中，在进行磨削处理工序之后，利用包含胶质二氧 化硅或硅晶或类金刚石碳的、硬度200HV以上且1000HV以下左右的硬质浆液，通过CMP加工工序制成图2c所示的厚度T5的衬底W5。 作为此时的条件，如下设定。 厚度T5; 30|um、表面状态；粗糙度5nm。
另外，CMP加工工序得到的厚度T5优选为10jura以上且40jum以 下的范围，更优选为30jum左右。另夕卜，粗糙度优选为4nm以上且8nm 以下的范围，更优选为5nm左右。
作为该CMP处理条件，如下设定。
利用硬度200HV以上且1000HV以下、粒径10nm以上且100nra以下 的、包含胶质二氧化硅或硅晶或类金刚石碳的磨料的重量比为lwt。/。以 上且5wt以下的浆液，在包含氧化铝的基盘上进行压力100g/cr^以上且 500g/cm'以下、处理时间10sec以上且60sce以下的处理。
之后，作为抛光工序，进行压力100g/cii^以上且500g/cn^以下、 处理时间10sec以上且60sce以下的处理。由此，4十底W5其厚度为40 jum以下且5 以上，并且其背面W5a ^皮赋予产生200Mpa以下且5Mpa 以上的残余应力的外吸除。此时，背面W5a的表面状态为不产生裂紋、 缺损的程度，粗糙度为5nm左右。
另夕卜，厚度优选40jum以下且5ium以上，更优选为35jum以下且 25jum以上，特别优选为30jum左右。另夕卜，粗糙度优选为3nm以上且 7nm以下的范围，更优选为5nm左右。
在此，残余应力的测定是通过显微拉曼装置以截面入射的方法进行的。
另外，粗糙度的测定可使用Nomarski型表面粗糙度测定装置等进 行测定。
本实施方式的硅衬底W5中，在提拉晶锭时掺杂碳，将氧浓度设定 在规定的范围，由此，在DZ层下的块层WOe中具有IG能力。另夕卜，将 加工改性层WOf的背面W5a的减薄化处理下的CMP加工在中途停止，之 后通过抛光加工将背面半抛光，由此具有EG能力。因此，即使在IG层 的膜厚因减薄化而减小的状态下，也能够通过背面EG维持具有充分的 吸除能力的状态，因此，在用于厚度T5为30pm左右的存储元件、对 应MCP存储元件衬底、特别是闪存元件的情况下，也能够排除金属污染 的影响。同时，通过CMP处理和半抛光来进行减薄化，并以控制了背面
15的网紋的状态结束处理，因此，可防止裂紋、缺损的产生，而制成成品 率高的硅衬底。
下面，基于

本发明的硅衬底和其制造方法的其它实施方式。
本实施方式中，与上述实施方式不同点是作为逻辑元件的器件制造 所使用的硅衬底，共通的构成要素标注相同的符号，省略其说明。
本实施方式中，在晶片制造工序A中，提拉硼(B)浓度为p +型的 硅单晶晶锭，同时将外延层的碳浓度设为p型，将图7c所示的硅衬底 W3设为p/p +型。
首先，准备图7a所示的经由晶片制造工序A在p-型硅衬底30上 形成有p型外延层(含高浓度杂质层)31的硅衬底W2。
在器件形成工序S4中，如图7b所示，在该外延层31上形成杂质 浓度比p型的低的含低浓度杂质层32。
其次，作为第一预退火处理，在惰性气体氛围下以温度IOO(TC以 上例如120(TC进行热处理，将硅衬底W2表面附近的氧除去。通过将硅 衬底W2表面附近的氧除去，抑制缺陷的产生。
第一预退火处理之后，在惰性气体氛围下以温度IOO(TC以下例如 800。C进行第二预退火处理，使晶格间氧析出，生成大量的结晶缺陷(氧 析出物)。
其次，如图7c所示，通过杂质注入等在衬底表面附近形成元件活 性区域33a。另外，在衬底的表面形成氧化膜及配线层等层压构造，并 形成晶体管及电容(未图示)。其次，形成将形成有元件活性区域33a的 衬底的表面覆盖的表面保护膜(未图示)，制成硅衬底W3。
在硅衬底W3表面附近形成具有pn结等的元件活性区域(器件区 域)33a。元件活性区域33a形成至距下部半导体芯片30的表面20|um 左右的深度。在含低浓度杂质的层32上，含高浓度杂质的层31中包含 的硼形成扩散到含低浓度杂质的层32中的杂质扩散区域32a。杂质扩散 区域32a具有数in m左右的厚度。
这样制造表面形成有成为逻辑元件的部分的衬底W3。
另夕卜，图7c的硅衬底W3上的硅衬底30与图2a的硅衬底WO对应。 另外，含高浓度杂质的层31、含低浓度杂质的层32、杂质扩散区域32a及元件活性区域(器件区域)33a与图2a的器件区域WOd对应。
形成有成为逻辑元件的部分的硅衬底W3为上部半导体芯片，其是 例如DRAM以外的存储元件半导体装置、CPU、 DSP(Digital Signal Processor)等。或者形成有成为逻辑元件的部分的硅衬底W3也可以为 下部半导体芯片，其是例如DRAM等存储元件半导体装置。这些下部半 导体芯片及上部半导体芯片为MCP(Multi Chip Package)衬底，并且通 过接合引线连接而制成多芯片封装。
另外，在器件制造工序B的减薄化工序中，对硅基盘W3的背面进 行加工，如图2c所示，厚度T5为40jum左右。
本实施方式的硅衬底中，提拉晶锭时掺杂碳，并将氧浓度设定在规 定的范围，由此在DZ层下的块具有IG能力。另外，将背面的减薄化处 理中的CMP加工在中途停止，之后将背面半抛光，由此具有EG能力， 因此，可维持具有充分的吸除能力的状态。因此，即使在设为厚度T5 为40jum左右的逻辑元件、SoC的情况下，也能够排除金属污染的影响， 同时防止裂紋、缺损的发生，可制成成品率高的硅衬底。
例如，可以用作NAND-FLASH或NOR-FLASH等多芯片封装(MCP)用的 晶片等。这时，由于器件结构也为CMOS,因此，上述硼(B)浓度为相当 于电阻率为8 x l(T3Qcm以上且10 x l(T3Qcm以下的浓度、碳浓度为1. 0 x 10"原子/cm3以上且1. 6 x 10"原子/cm3以下、氧浓度为1, 4 x 1018原子 /cit^以上且1. 6 x 10"原子/cm3以下的范围，及背面残余应力为上述范 围，从而可以维持利用IG及EG的高吸除能力。
而且，作为将本发明方式适应于固体摄像元件的上述器件形成工序 S4,可以采用固体摄^像元件的通常的制造工序。作为其一例，将CCD器 件示于图8a 图8f,但不必特别限定于该工序。
即，对器件形成工序S4而言，首先，如图8a所示，准备在图lb 所示的p+型硅衬底1上形成有p型外延层2的硅衬底3。然后，如图8b 所示，在该外延层2的规定位置形成第一 n型阱区域11。其后，如图 8c所示，在表面形成栅极绝缘膜12,同时，在第一n型阱区域ll内部， 通过离子注入选择性地注入p型及n型杂质，分别形成构成垂直输送电 阻器的p型输送沟道(channel )区域13、 n型沟道截止区域14及第二 n型阱区域15。
17然后，如图8d所示，在栅极绝缘膜12表面的规定位置形成输送电 极16。其后，如图8e所示，通过在p型输送沟道区域13和第二n型阱 区域15之间选择性地注入p型及n型杂质，形成层压n型正电荷蓄积 区域17和p型杂质扩散区域18而成的光敏二极管19。
进而，如图8f所示，在表面形成层间绝缘膜20后，在除光敏二极 管19的正上方之外的层间绝缘膜20的表面形成遮光膜21,由此可以制 造成为固体摄像元件的衬底W3。
这里，成为固体4聂-像元件的上述器件形成工序S4中的热处理条件， 对应于图6所示的各条件。
具体而言，相对将外延层2成膜后的硅衬底3(对应于图lb所示的 将外延层W0a成膜后的硅衬底Wl),从图6所示的初始开始到工序1、 工序2、工序3、工序4、工序5各自对应于形成光敏二极管和输送用晶 体管的工序的各工序结束的时刻(图8a ~图8f)。
另夕卜，对外延层2(图lb所示的外延层WOa)的厚度而言，在器件为 固体摄像元件时，从提高元件的分光灵敏度特性的理由考虑，优选设定 为2 ju m以上且10 ju m以下的范围。
另夕卜，在图lc所示的硅晶片W2中，通过器件制造工序B中在外延 层W0a上形成埋入式光敏二极管，也可以制成固体摄像元件。
这里，硅晶片W2中的氧化膜W0b及氮化膜W0c的厚度，从设计传 输晶体管的驱动电压时的限制方面考虑，优选将氧化膜WOb的厚度设定 为50nm以上且100nm以下，将氮化膜WOc、具体指固体摄像元件中的多 晶硅栅极膜的厚度设定为1. 0 jum以上且2. 0 jum以下。
作为硅衬底，优选p+型的原因在于，容易进行器件的设计。详细 来讲，通过使用p+型晶片(硅衬底)，可以防止器件动作时产生的游离电 荷使意料之外的寄生晶体管动作的、所谓的闩锁现象，从而容易进行器 件的设计。另外，具有使用槽结构的电容器时，在应用p+型晶片的情况 下可防止外加电压时槽周围的肆毛尽层扩大的优点。
进而，在掺杂了高浓度硼(B)的硅单晶中，与其他掺杂剂相比，热 处理容易发生氧析出物的凝集。可以认为，这是由于高浓度硼(B)及氧 等杂质成簇而成为氧析出物的核而容易形成缺陷的缘故。
而且，已知这种由硼引起的通过热处理引起的氧析出物的凝集在高氧浓度的硅晶中尤为显著。
发明人等分析和研究了碳、氧及硼的状态、行为，结果发现，对在
硼浓度为相当于电阻率为8 x 1(^Qcm以上且10 x 10—Qcm以下的浓度、 碳浓度为1.0xl0"原子/cm3以上且1.6xl0"原子/cm3以下、氧浓度为 1. Ox 10"原子/ci^以上且10x 10"原子/cr^以下的条件下提拉的硅单晶 而言，如果经过对晶片进行加工使外延层成膜、并在60(TC以上且800 。C以下进行热处理的工序，则作为BMD的大小、密度，可以制造可以形 成吸除重金属所需要的吸除槽、具有充分的吸除能力的硅衬底。
其中，在设定为p+的含有高浓度硼的衬底的情况下，可不实施上 述热处理地促进析出。
进而，在添加有高浓度硼的硅晶中，在1.0xio"原子/cW以上且 1. 6 x 1017原子/cm3以下的范围内添加碳的情况下，在结晶成长过程中， 可形成以碳、硼或氧为核的吸除槽。这些吸除槽在高温热处理时也稳定 地存在，且即使在晶膜成长后也可存在。因而，从外延成长之后开始作 为氧析出的核发挥作用，在器件热处理工序中成长，对于器件热处理工 序中的重金属污染，可作为吸除槽有效地发挥作用。
在本发明的制造方法中，可以具有如下工序利用CZ法提拉硅单 晶的工序，上述硅单晶中，硼浓度(B)为相当于电阻率为8x10—SQcm以 上且10 x 10—3QCm以下的浓度，碳浓度为1. 0 x 10"原子/cm3以上且1. 6 x 10"原子/cm3以下，氧浓度为1. 4 x 1018原子/^3以上且1. 6 x 1018原子 /cm3以下；
热处理工序，对由提拉起的硅单晶切片而成的硅衬底进行热处理以 形成氧析出物。
对本发明的制造方法而言，上述形成氧析出物的热处理可以在600 。C以上且80(TC、处理时间为0. 25小时以上3小时以下、在氧气和氩气
或氮气等惰性气体的混合氛围中进行。
另外，在本发明的制造方法中，优选具有如下工序在进^f亍上述形 成氧析出物的热处理之前，在上述切片而成的硅衬底表面成膜硼(B)浓 度为相当于电阻率为0. 1Qcm以上且100Qcm以下的浓度的硅外延层。
而且，对本发明的制造方法而言，可以在培育上述硅单晶时的惰性 氛围气中添加氢。这时，可以将在上述提拉硅单晶工序中的惰性气体中添加了氢的氛围气的气压^L为负压1. 33kPa以上且26. 7kPa以下，将上 述氛围气中的氢气浓度设定为3体积％以上且20体积％以下。
另外，本发明的硅衬底为利用上述任一项所述的制造方法制造而成 的，也可以釆用如下手段在成为内吸除槽的BMD中，大小为10nm以 上且100nm以下的BMD的存在密度为1. 0 x 106个/^3以上且1. 0 x 101 个/cn]3以下。
这里，这时的BMD尺寸是指硅衬底的厚度方向截面的TEM图像中的 析出物的对角线长度，用该观察视野内的析出物的平均值表示。
用本发明方式得到固体摄像元件的硅衬底时，制成在固体摄像元件 的埋入式光敏二极管的正下方的位置形成有大小为10nm以上且100nm 以下的BMD的存在密度为1. 0x 106个/(^3以上且1. 0x 10"个/cW以下 的吸除层的硅衬底，
在利用上述制造方法制造而成的硅衬底的正上方形成硼(B)浓度为 相当于电阻率为0. 1Qcm以上且100Qcm以下的浓度的硅外延层，
在上述外延层的正下方设置上述吸除层。
下面，对本发明中认为是呈现高吸除能力的冲莫型进行说明。
在掺杂剂(B)浓度为lxl0"原子/cm3(0. 5原子/cm3以上且5xl015 原子/cii^以下)、电阻率为10Qcm的p-衬底中，将碳浓度设定为lx 10"原子/cm3(0. 5原子/cW以上且1 x 10"原子/cW以下)，以使存在的 氧浓度超过硼(B)浓度的方式掺杂碳时，将氧浓度设定为1. 4 x 1018原子 /cr^以上且1.6xl0"原子/cn^以下程度。于是，由于碳和氧的浓度比硼 (B)浓度高，且为同级，因此可以认为，在这样的衬底中，容易配对的 是碳-氧。因而，可以认为，硅晶中与吸除槽的结合状态有关的是形成 碳-氧对。
在此，由于碳的原子半径比硅的小，因此，当进入硅的晶格点时， 其附近形成应变、应变场。通过对该状态的衬底进行DK (施体杀手donor killer)或器件制造工序B下的热处理等，晶才各间的氧汇集在碳-氧对 附近的应变场，形成BMD。这样，在接近器件区域或容易引起重金属污 染的晶片表面的位置，在硅衬底中掺杂碳，其附近产生应变，因此，重 金属扩散而进行吸除。其结果获得吸除效果。即，由于具有碳-氧对， 从而成为氧析出物的核生成中心(核化中心)。与之相对，在为掺杂剂(B)浓度为1 x 10"原子/cm3左右(0. 5 x 1018 原子/cn^以上且5 x 10"原子/cW以下)的掺杂剂的p+衬底或。++衬底的 情况下，与上述p-衬底相比，硼(B)浓度增大三位左右以上。因此，与 上述p-衬底相比，认为由于高达与碳浓度和氧浓度为同程度的硼(B) 浓度的影响，从而容易对碳-氧配对硼-氧、碳-硼。另外，形成这些 碳-氧、硼-氧、碳-硼的复合体、及除此以外的碳-硼-氧及它们与 硅关联的大量的复合体。它们与碳-氧对同样具有应变场，因此，所有 这些对及复合体成为析出核。即，在高浓度掺杂的村底中，可形成大量 的应变场，因此，与具有p-的硼(B)浓度的衬底相比，存在绝对优势的 析出核，可成为吸除槽的析出密度也绝对优势地提高。
另外，预想上述复合体的形成也与硅晶中的空位(Vacancy)和晶格 间型石圭(Interstitial — Si)相关。
另夕卜，本发明的硅衬底中，这些析出核为硼.碳.氧引起的复合缺陷。
另夕卜，在器件元件的制造中，防止重金属污染尤为重要，因此，通 过在衬底背面形成作为通过上述的B、 O得到的IG进而作为EG的网紋， 结果可得到充分的吸除能力。
另外，p/p +型的硅衬底具有强力的吸除特性，因此，作为对重金 属污染敏感的元件用的硅衬底是有效的。另外，在电子器件制造工序B 中，配线规则的微细化进展越快，硅衬底的平坦度对器件的成品率造成 的影响越大，因此，要求高平坦度。如本发明的硅衬底，若为掺杂了碳 的高硼浓度的p +村底，则可不形成平坦化恶化的PBS而具有充分的吸 除能力。
另外，在开始器件制造工序B之前发现充分的吸除效果，需要在器 件工序中维持该效果，因此，在p型硅衬底的制造工序中，在未掺杂碳 的情况下，为提高析出量，优选使氧浓度高达10x 1018原子/(^3以上且 20x 10"原子/cm3以下。但是，若这样提高衬底中的氧浓度，则可能产 生位错延伸到外延层的外延缺陷。与之相对，如本发明的硅衬底，具有 通过以上述浓度掺杂碳，抑制产生0. 5Mm程度以上的大小的堆垛层错 (SF)的效果。
另外，如本发明的硅衬底，通过以上述浓度掺杂碳，也可以抑制二
21次缺陷从析出核的伸展。为释放大小0. 5Mm以上且5jum以下的析出物 中产生的应变，在该应变场的附近产生二次位错。但是,通过如上那样 掺杂C,可形成大量大小为0. 5nm以上且100nm以下的析出物，因此， 即使释放应变也只是产生小的二次位错，其结果是位错不会伸展到外延 层。而且，由于可使这样小的析出核以密度l. Oxio"个/c^以上且1.0 x 10"个/cri^以下大量存在，故而可以发现充分的吸除能力。
以上对本发明的最佳实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实 施方式。在不脱离本发明宗旨的范围内可进行构成的附加、省略、置换 及其它变更。本发明不受限上述说明，只受权利要求限定。
权利要求
1. 一种硅衬底，其是由利用CZ法以碳浓度为1.0×1016原子/cm3以上1.6×1017原子/cm3以下、初始氧浓度为1.4×1018原子/cm3以上1.6×1018原子/cm3以下的方式培育的硅单晶制造而成的，其特征在于，其表面形成有器件，所述硅衬底的厚度为40μm以下5μm以上，而且所述硅衬底的背面被赋予了产生200Mpa以下5Mpa以上的残余应力的外吸除。
2. 如权利要求1所述的硅衬底，其中，所述残余应力是对所述硅 衬底背面进行磨削加工后进行CMP加工而赋予的。
3. 如权利要求1所述的硅衬底，其中，所述残余应力是对所述硅 衬底背面进行磨削加工后，用包含胶质二氧化硅或硅晶或者类金刚石碳 的、硬度为200HV以上1000HV以下的硬质浆液进行CMP加工而赋予的。
4. 一种硅衬底的制造方法，其特征在于，其具有如下工序利用CZ法以碳浓度为1. Ox 10"原子/cm3以上1. 6 x 10"原子/cm3 以下、初始氧浓度为1. 4 x 10"原子/cm3以上1. 6 x 108原子/cm3以下的 方式培育硅单晶的工序；将所述硅单晶切片，制造晶片的工序；在所述晶片表面形成器件的工序；将形成有所述器件的所述晶片的厚度减至40nm以下5ym以上的 工序；并对所述晶片的背面实施赋予产生200Mpa以下5Mpa以上的残余应 力的外吸除的加工。
5. 如权利要求4所述的硅衬底的制造方法，其中，产生所述残余 应力的加工是所述硅衬底背面的磨削加工及其后的CMP加工。
6. 如权利要求4所述的硅衬底的制造方法，其特征在于，所述产 生残余应力的加工是所述硅衬底背面的磨削加工及其后进行的用包含 胶质二氧化硅或硅晶或者类金刚石碳的硬度为200HV以上1 000HV以下 的硬质浆液进行的CMP加工。
7. —种硅衬底，其具备利用权利要求4所述的硅衬底的制造方法 制造而成的存储元件。
8. —种硅衬底，其具备利用权利要求5所述的硅衬底的制造方法 制造而成的存储元件。
9. 一种硅衬底，其具备利用权利要求6所述的硅衬底的制造方法 制造而成的存储元件。
全文摘要
本发明提供一种硅衬底，其是由利用CZ法以碳浓度为1.0×10¹⁶原子/cm³以上1.6×10¹⁷原子/cm³以下、初始氧浓度为1.4×10¹⁸原子/cm³以上1.6×10¹⁸原子/cm³以下的方式培育的硅单晶制造而成的，其厚度为40μm以下5μm以上，而且其背面被赋予了产生200MPa以下5MPa以上的残余应力的外吸除。
文档编号H01L27/04GK101521199SQ20091000833
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月29日
发明者栗田一成, 表秀一 申请人:胜高股份有限公司