專利名稱：具有受控缺陷分布的硅晶片、其制法及丘克拉斯基提拉機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子制造方法和裝置，更具體地，涉及硅錠的制造方法和由此方法制造的硅錠和晶片。
背景技術(shù)：
作為制造半導體裝置的原材料的單晶硅通過晶體生長技術(shù)生長成柱狀晶錠，該技術(shù)被稱為丘克拉斯基(Czochralski)(CZ)技術(shù)。單晶硅的晶錠經(jīng)過諸如切片、刻蝕、清潔、拋光等一系列晶片加工工藝加工成晶片。根據(jù)CZ技術(shù)，單晶硅的籽晶浸入熔融硅并向上提拉，然后熔融硅通過慢速分離生長成單晶錠。熔融硅盛放在石英坩堝內(nèi)，受到各種雜質(zhì)的污染，其中一種是氧。在硅的熔融溫度下，氧滲入晶格直到達到預定濃度，該濃度通常由硅熔融溫度下氧在硅中的溶解度以及氧在固化硅中的實際偏析系數(shù)所確定的。在晶體生長期間滲入硅錠的氧濃度高于在半導體裝置制造所使用的典型溫度下固化硅中的氧溶解度。當晶體從熔融硅中生長并冷卻時，其中的氧溶解度迅速降低，從而氧在冷卻的晶錠中飽和。該晶錠被切割成晶片。每個晶片中殘存的間隙氧在后續(xù)熱處理中成長為氧淀析物。裝置激活區(qū)中氧淀析物的存在降低柵氧化物的完整性并部分導致基板漏電流。然而，當它們出現(xiàn)在裝置的激活區(qū)(主體)以外時，它們可以捕獲來自裝置加工中的金屬雜質(zhì)；這被稱為捕獲效應(yīng)。
圖1是常規(guī)金屬氧化物半導體(MOS)晶體管的截面圖。參照圖1，當晶片表面上的氧淀析物存在于位于形成在接近硅基板10的表面的源極區(qū)12和漏極區(qū)14之間的半導體裝置的激活區(qū)中的溝道區(qū)時，用于將柵電極18和硅基板10電絕緣的柵絕緣層16可能擊穿。此外，采用MOSFET的存儲裝置的刷新特性可能降低。
此外，形成于晶片主體區(qū)10a中通過后續(xù)熱處理產(chǎn)生的的氧淀析物可以充當泄漏源(leakage source)，也可以充當本征捕獲位，它們能夠在后續(xù)半導體裝置制造過程中捕獲有害金屬雜質(zhì)。于是，如果晶錠中的氧濃度高，充當本征捕獲位的氧淀析物的濃度增加，所以捕獲能力提高。但是，如果氧濃度不夠，那么氧淀析物不會在主體區(qū)產(chǎn)生，所以捕獲能力會降低或者根本不存在。因而，希望適當控制分布在晶片主體區(qū)中的氧淀析物的量。
在通過傳統(tǒng)晶體生長和晶片加工工藝獲得的晶片中，氧淀析物分布在從頂(前側(cè))面到底(后側(cè))面的整個晶片中。一般而言，應(yīng)當提供一個從頂面至預定深度的貧化區(qū)(Denuded Zone)(DZ)10b，它不含D-缺陷(空位聚集)、位錯、層錯和氧淀析物等。但是，由傳統(tǒng)方法制造的晶片可以在晶片表面附近產(chǎn)生氧淀析物，它可以充當泄漏電流的源。
因而，為了在接近晶片表面有充足DZ的晶片的主體區(qū)中形成本征捕獲位，具有高氧濃度的晶片，例如，每百萬個原子(ppma)含13份或更多的初始氧濃度的晶片，可以通過改變低限和高限之間的溫度而進行長時間的熱處理，于是氧淀析物可以在晶片的主體區(qū)中生成，然而，很難獲得足夠的DZ，是因為DZ強烈地依賴于間隙氧的向外擴散。在通過傳統(tǒng)技術(shù)熱處理過的半導體晶片中，氧淀析物濃度在從晶片的頂面到底面的整個晶片中的分布如圖2所示。
具體地，采用較長時間的額外高溫熱處理的傳統(tǒng)技術(shù)會降低裝置特性。例如，在晶片中可能發(fā)生滑移或變形。此外，制造成本將增加。此外，在這種情況下，由被主體區(qū)中氧淀析物捕獲的金屬雜質(zhì)，尤其是鐵(Fe)，可以通過后續(xù)處理而釋放到DZ中，因而所釋放的雜質(zhì)可以充當泄漏源。
圖3是顯示由另一傳統(tǒng)方法制造的晶片的回火氧淀析物濃度分布的圖，該方法公開于美國專利No.5,401,669的圖1A中。具體地，圖3是晶片中氧淀析物濃度相對于晶片深度的分布，這來自于氮氣環(huán)境中實施的晶片快速熱退火工藝，并且使該晶片經(jīng)受后續(xù)熱處理。但是，如從圖3所看到的那樣，通過這種傳統(tǒng)方法既不可以獲得接近晶片表面的DZ，也不可以獲得充足的氧淀析物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供一種具有氧淀析物受控垂直分布的硅晶片，該氧淀析物可充當本征捕獲位。具體地，從可以形成半導體裝置激活區(qū)的頂面到硅晶片的底面的氧淀析物濃度分布，分別在從晶片的頂面和底面起的第一和第二預定深度處包括第一和第二峰值。在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間還包括一貧化區(qū)(DZ)。該氧淀析物濃度分布還在第一和第二峰值之間有一凹入?yún)^(qū)，它可以對應(yīng)于晶片的主體區(qū)。
在本發(fā)明的實施例中，氧淀析物濃度分布關(guān)于居中位于頂部和底部間的硅晶片中央面對稱。因而，例如，第一和第二預定深度是相同的。但是，在其它實施例中，該分布不必對稱，因此，例如，對于第一和第二峰值可以有不同的深度。同樣，在本發(fā)明的一些實施例中，貧化區(qū)的深度為離硅晶片的兩表面大約10μm至40μm的范圍，使得半導體裝置的激活區(qū)形成為足夠的深度。在其它實施例中，與氧有關(guān)的晶體缺陷不存在于DZ中，而具有預定尺寸以空穴形式存在的D缺陷，以及氧淀析物，可進一步以預定濃度存在于晶片的主體區(qū)內(nèi)。
在本發(fā)明的另一實施例中，第一和第二峰值處的氧淀析物濃度至少約為1×109cm-3，而第一和第二峰值間的主體區(qū)中的氧淀析物濃度至少約為1×108cm-3。
根據(jù)本發(fā)明其它實施例的硅晶片包括諸如空位等氧淀析物形核中心的受控分布，這些空位可以通過后續(xù)熱處理產(chǎn)生如上所述的氧淀析物濃度分布?？瘴粷舛确植及ǚ謩e處于距晶片的頂面和底面第一和第二預定深度的第一和第二峰值。而且，該空位濃度保持在比臨界濃度低的預定濃度上以在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間形成DZ區(qū)。最后，該空位濃度分布在第一和第二峰值之間具有凹入?yún)^(qū)?？梢蕴峁ΨQ或非對稱分布。
根據(jù)本發(fā)明的方法實施例，在包括具有空位注入效應(yīng)的氣體和在硅晶片的頂面和底面上具有間隙硅注入效應(yīng)的氣體的氣體混合物的環(huán)境中，對硅晶片實施快速熱退火(RTA)，以產(chǎn)生形核中心，該中心在后續(xù)熱處理中充當氧淀析物生長位，因而，從晶片頂面到底面的形核中心的濃度分布在距晶片的頂面和底面第一和第二預定深度處分別包括第一和第二峰值。而且，該形核中心的濃度保持在比臨界濃度低的預定濃度上以在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間形成DZ區(qū)。最后，該形核中心的濃度分布在第一和第二峰值之間具有凹入?yún)^(qū)，該區(qū)對應(yīng)于晶片的主體區(qū)?？梢蕴峁ΨQ或非對稱分布。
根據(jù)其它方法實施例，在RTA之后實施熱處理，以生成從晶片頂面到底面的氧淀析物濃度分布，此分布包括分別在距晶片的頂面和底面第一和第二預定深度處的第一和第二峰值、在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間的DZ、以及位于第一和第二峰值之間的凹入?yún)^(qū)?？梢蕴峁ΨQ或非對稱分布。
在本發(fā)明的其它實施例中，氣體混合物包括氮(N2)氣和氬(Ar)氣，或者氮(N2)氣和氫(H2)氣。此外，在本發(fā)明的實施例中，在第一和第二峰處和主體區(qū)中的氧淀析物濃度和/或貧化區(qū)深度可以通過調(diào)整RTA過程中混合比、混合氣體流速、升溫速率(ramp-up rate)、退火溫度、退火時間和降溫速率(ramp-down rate)中至少一項進行控制。
在本發(fā)明的實施例中，經(jīng)受了根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程的硅晶片可以用晶錠來制造，該晶錠按照晶錠提拉速率分布從熱區(qū)熔爐(hot zonefurnace)中的熔融硅中拉出，在此，晶錠提拉速率足夠高以防止間隙聚集的形成，但又要足夠低以將空位聚集的形成限制在晶錠中心軸周圍的富空位區(qū)中。
在本發(fā)明的其他實施例中，經(jīng)受了根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程的硅晶片可以用晶錠來制造，該晶錠按照晶錠提拉速率分布從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，在此，晶錠提拉速率足夠高以防止間隙聚集的形成，但又要足夠低以防止間隙聚集的形成，并防止空位聚集的形成。
在本發(fā)明其它的實施例中，經(jīng)受了根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程的硅晶片可以用晶錠來制造，該晶錠按照晶錠提拉速率分布從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，在此，晶錠提拉速率足夠高以使空位聚集在晶錠的直徑上形成，而不形成間隙聚集。
根據(jù)本發(fā)明的其它實施例，用于生長單晶硅錠的丘克拉斯基提拉器包括腔封套、在該腔封套中盛放熔融硅的坩堝、在該腔封套中靠近坩堝處用于夾持籽晶的子晶夾具、以及在該腔封套中環(huán)繞坩堝的加熱器。在該腔封套中還配有環(huán)形隔熱罩，它包括相互隔離的內(nèi)外隔熱罩壁，以及與內(nèi)外隔熱罩壁相連的隔熱罩頂和隔熱罩底，隔熱罩的頂從內(nèi)隔熱罩壁向上斜向外隔熱屏罩壁，而隔熱罩的底從內(nèi)隔熱罩壁向下斜向外隔熱罩壁。支撐元件將該隔熱罩支撐在坩堝內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明實施例的丘克拉斯基提拉器也從坩堝中拉出籽晶夾具，以將熔融硅生長成柱狀單晶硅錠，該硅錠沿著并圍繞其圓柱形的中心軸生長，并與熔融硅形成晶錠-熔融硅界面。在隔熱罩的內(nèi)外隔熱罩壁長度、隔熱罩頂和底的斜角、晶錠和內(nèi)隔熱罩壁之間的距離、坩堝與外隔熱罩壁之間的距離、熔融硅與內(nèi)隔熱罩壁之間的距離以及隔熱板的位置中選擇至少一個，使得拉出的晶錠基于晶錠中心的溫度，以至少1.4°K/min的速率從晶錠-熔融硅界面的溫度冷卻到晶錠的預設(shè)溫度。
因而，根據(jù)本發(fā)明的實施例，晶片在氣體混合物環(huán)境中經(jīng)受RTA，進而導致在離晶片各表面的預定深度處具有兩個峰值的氧淀析物形核中心的分布，其中氣體混合物包括在該晶片上提供間隙注入效應(yīng)的氣體以及提供空位注入效應(yīng)的氣體。
此外，根據(jù)本發(fā)明的RTA過程的實施例在提供間隙注入效用的氣體環(huán)境中進行，使得雖然在晶片中存在諸如D-缺陷這樣的空穴，但是D-缺陷可以溶解在DZ的深度之內(nèi)，以便在半導體裝置中提供干凈的激活區(qū)。
此外，根據(jù)本發(fā)明的丘克拉斯基提拉器的實施例可以快速冷卻拉出的晶錠，因此在晶錠生長期間形成的空穴的尺寸可以做得更小。這種出現(xiàn)在DZ中的小空穴可以經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程溶解，同時空穴保留在晶片的主體區(qū)。


圖1是顯示在接近硅晶片表面形成的傳統(tǒng)金屬氧化物半導體(MOS)晶體管的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2是顯示傳統(tǒng)晶片的氧淀析物濃度分布的圖；圖3是顯示另一傳統(tǒng)晶片的氧淀析物濃度分布的圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的硅晶片的氧淀析物濃度分布；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于快速熱退火(RTA)的時間圖；圖6示出圖5所示RTA過程在氮(N2)氣環(huán)境中實施后，相對于晶片深度的點缺陷濃度分布；圖7示出圖5所示RTA過程在氬(Ar)氣環(huán)境中實施后，相對于晶片深度的點缺陷濃度分布；圖8示出圖5所示RTA過程在氫(H2)氣環(huán)境中實施后，相對于晶片深度的點缺陷濃度分布；圖9示出圖5所示RTA過程后，相對于包含N2氣和Ar氣的氣體混合物的混合比例變化的空位濃度分布；
圖10示出通過根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程之后，通過后續(xù)熱處理所獲得的相對于在RTA期間使用的各種氣體的氧淀析濃度分布；圖11顯示當圖5的RTA在Ar氣環(huán)境中實施時，接近硅晶片表面的晶體原生淀析物(COP)的溶解。
圖12是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在N2氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片的氧淀析物分布的照片；圖13是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在Ar氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片的氧淀析物分布的照片；圖14是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在H2氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片的氧淀析物分布的照片；圖15是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在N2和Ar氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片的氧淀析物分布的照片；圖16是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在N2和H2氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片的氧淀析物分布的照片；圖17是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在N2氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片表面附近形成的DZ的深度的照片；圖18是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在Ar氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片表面附近形成的DZ的深度的照片；圖19是是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在H2氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片表面附近形成的DZ的深度的照片；圖20是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在N2和Ar氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片表面附近形成的DZ的深度的照片；圖21是顯示已經(jīng)經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實施例在N2和H2氣環(huán)境中的RTA過程之后的后續(xù)熱處理的晶片表面附近形成的DZ的深度的照片；圖22A是顯示處于原生(as-grown)狀態(tài)的COP形狀的照片，而圖22B示出根據(jù)本發(fā)明實施例在N2氣環(huán)境中的RTA過程之后已改變的COP的形狀；圖23A是顯示處于原生狀態(tài)的COP形狀的照片，而圖23B示出根據(jù)本發(fā)明實施例在N2和Ar氣環(huán)境中的RTA過程之后已改變的COP的形狀；圖24A是顯示處于原生狀態(tài)的COP形狀的照片，而圖24B示出根據(jù)本發(fā)明實施例在N2和H2氣環(huán)境中的RTA過程之后已改變的COP的形狀；
圖25是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的晶片制備的流程圖；圖26是顯示硅錠中相對點缺陷分布與V/G比(晶錠拉出速率/溫度梯度)之間關(guān)系的示意圖；圖27是顯示傳統(tǒng)丘克拉斯基(CZ)提拉器的簡圖；圖28根據(jù)申請序列號09/989,591和09/320,210的另一傳統(tǒng)CZ提拉器的簡圖；圖29是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的CZ提拉器的簡圖；圖30是顯示圖29的CZ提拉器主體部分的圖；圖31是圖5的RTA過程后峰值處氧淀析物濃度變化相對于N2氣和Ar氣混合氣體流速變化的圖；圖32是圖5的RTA過程后峰值處氧淀析物濃度變化相對于N2氣和Ar氣混合氣體混合比變化的圖；圖33是圖5的RTA過程后峰值處氧淀析物濃度變化相對于升溫速率變化的圖；圖34是圖5的RTA過程后峰值處氧淀析物濃度變化相對于退火時間變化的圖；圖35是圖5的RTA過程后峰值處氧淀析物濃度變化相對于退火溫度變化的圖；以及圖36是圖5的RTA過程后峰值處氧淀析物濃度變化相對于降溫速率變化的圖。
具體實施例方式
下面參照示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖更全面地描述本發(fā)明。但是本發(fā)明可以以很多種不同的形式實施，且不應(yīng)該被認為受限于此處所提出的實施例；更確切地，提供這些實施例是為了徹底和完全地揭示本發(fā)明，且完全地將本發(fā)明的范圍轉(zhuǎn)達給本領(lǐng)域技術(shù)人員而提供。附圖中，為清楚起見將層和區(qū)的厚度進行了夸大。相同的附圖標記始終指代相同的元件。應(yīng)該知道，當一個諸如層、區(qū)或基板等的元件被稱為在另一個元件“上”時，它可以直接位于其它元件之上，或者也可以有中間元件(intervening element)的存在。相反，當一個元件被稱為“直接在”另一個元件之上時，則沒有任何中間元件。此外，此處所描述和圖示的每個實施例也同樣包括其互補傳導型(complementary conductivity type)實施例。
圖4簡略顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的一硅晶片的氧淀析物濃度分布。將該分布與圖2和圖3所示的用傳統(tǒng)技術(shù)制造的硅晶片的氧淀析物濃度分布比較，在離晶片頂和底面的預定深度范圍內(nèi)存在貧化區(qū)(DZ)，并且氧淀析物濃度在每個DZ和主體區(qū)之間的邊界形成雙峰。并且，在雙峰之間的主體區(qū)內(nèi)，存在大量氧淀析物，這足以產(chǎn)生對金屬雜質(zhì)的捕獲效應(yīng)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于快速熱退火(RTA)的時間圖?？梢允褂蒙逃肦TA爐。在RTA過程中，首先將根據(jù)本發(fā)明的硅晶片裝入RTA爐，該爐的溫度在待機期間(I)設(shè)定在例如大約700℃。然后，迅速以例如大約50℃/sec的速率將RTA爐中的溫度升高到大約1250℃(II)的溫度。接著，將溫度保持在1250℃例如大約10秒鐘的一段預定時間(III)，并將RTA爐中的溫度以大約33℃/sec的速率迅速降低到待機期間(IV)的溫度。最后將晶片從RTA爐中取出(V)。通過圖5所示RTA過程的實施例，氧淀析物形核中心的分布可以被控制，并且如將在后面參照圖11所作的敘述那樣，晶片表面附近出現(xiàn)的空穴或晶體原生淀析物(COP)可被溶解。
圖5的處理溫度范圍僅僅是說明性的。然而，如下所述，在根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA中，環(huán)境氣體的種類、環(huán)境氣體的流速、環(huán)境氣體的混合比例、升溫速率、退火溫度、退火時間和/或降溫速率(也即，冷卻速率)全都可以有助于對獲得根據(jù)圖4的分布。RTA在至少約1150℃的溫度下進行至少約5秒鐘。例如，RTA在1150℃的溫度下進行至少30秒，或者在1250℃的溫度下進行至少5至10秒。此外，晶片以至少30℃/sec的速率迅速冷卻。
包含給晶片表面提供空位注入效應(yīng)的氣體和提供間隙硅注入效應(yīng)的氣體的氣體混合物用作根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA的氣體。在一些實施例中，氮(N2)氣用作具有空位注入效應(yīng)的氣體，氬(Ar)氣和/或氫(H2)氣用作具有間隙硅注入效應(yīng)的氣體。
圖6至圖8分別示出在圖5所示的RTA過程分別在N2、Ar和H2環(huán)境中實施之后，相對晶片深度的空位缺陷和間隙硅缺陷的點缺陷濃度分布。在圖6至圖8中，曲線(a)代表在惰性氣體環(huán)境中RTA后的空位點缺陷濃度分布，而曲線(b)和(c)分別代表在相應(yīng)氣體環(huán)境中RTA后的空位和間隙點缺陷濃度分布。
如圖6至圖8的實施例所示，在惰性氣體環(huán)境中RTA之后的空位點缺陷濃度(由(a)標示的凸曲線)在晶片的頂面和底表面低，而在晶片的主體區(qū)高。當在惰性氣體環(huán)境中，RTA爐的溫度迅速增加到圖5中點(a)的溫度時，作為晶片中的點缺陷而存在的空位的平衡濃度增加。由于空位的遷移率在晶片主體區(qū)中低，所以空位濃度保持低于主體區(qū)中的平衡濃度。但是，空位的運動在晶片表面附近是活性的，因此晶片表面附近的空位濃度迅速達到平衡濃度。另一方面，當RTA爐的溫度迅速增加時，隨空位濃度的增加，間隙硅的平衡濃度通過例如空位和間隙硅之間的富蘭克爾(Frenkel)復合而降低。此外，由于存在于晶片主體區(qū)的間隙的遷移率低，如此處的空位一樣，主體區(qū)中的間隙濃度保持高于平衡濃度。然而，接近晶片表面的間隙濃度達到平衡濃度，就象接近晶片表面的空位濃度那樣。
當晶片在高溫下保持一段達到圖5點(b)的時間時，擴散發(fā)生，使得空位和間隙都達到平衡濃度。在晶片迅速冷卻到圖5點(c)的溫度之后，具有高擴散系數(shù)的間隙點缺陷在降低了的溫度下達到一個新的平衡濃度。然而，具有低擴散系數(shù)的空位點缺陷則在晶片中過飽和。具體地，空位的過飽和度在晶片主體區(qū)中高。但是，由于空位的遷移率在接近晶片表面處高，所以空位點缺陷濃度在降低了的溫度下立即達到新的平衡濃度。
從而在惰性氣體環(huán)境中RTA之后的空位濃度分布具有如圖6至圖8所示的凸形。
此外，如圖6所示，在圖5的RTA在N2氣環(huán)境中進行的情況下，滲透到晶片主體區(qū)的N2氣與空位硅結(jié)合，以形成了小尺寸的氮化硅(Si3N4)，因而主體區(qū)中的空位濃度降低。同時，由于由N2氣的空位注入效應(yīng)，接近晶片表面的空位濃度增加。其結(jié)果是，N2氣環(huán)境下的空位濃度分布有著與在惰性氣體環(huán)境中制造的晶片中的分布相反的形狀(由“b”標示的曲線)。
此外，當圖5的RTA過程分別在圖7和8所示的Ar和H2氣環(huán)境中進行時，由于間隙硅注入效應(yīng)，整個晶片的空位濃度降低。具體地，因為所用氣體的間隙硅注入效應(yīng)導致空位硅與間隙硅的復合在接近晶片表面迅速發(fā)生，所以空位濃度可以保持在一個臨界濃度，該臨界濃度是特定溫度下的平衡濃度。
在本發(fā)明的實施例中，圖5的RTA在諸如N2氣與Ar氣或者N2氣與H2氣這樣的氣體混合物環(huán)境中進行，并因此在這些氣體混合物環(huán)境下的空位濃度分布可以通過組合圖6和7的那些分布、以及圖6和8的那些分布而獲得。如圖9所示，在該氣體混合物環(huán)境中制造的晶片的空位濃度分布示出了離硅晶片頂面和底面預定深度處的第一和第二峰。此外，可以注意到，從頂面和低面到第一和第二峰的空位濃度低于特定溫度下的平衡濃度。此外，在第一和第二峰之間的主體區(qū)中，空位濃度分布具有凹的形狀。
圖9的空位濃度分布可以根據(jù)本發(fā)明實施例獲得，原因是圖5的RTA過程在包含提供空位和間隙硅注入效應(yīng)的氣體的氣體混合物環(huán)境中進行。使用對數(shù)標度將從N2氣環(huán)境中的空位硅注入效應(yīng)獲得的空位硅濃度分布與從Ar或H2氣環(huán)境中的間隙硅注入效應(yīng)獲得的間隙硅濃度分布相比較，在從晶片的頂面和底面到預定深度的區(qū)域中，空位硅濃度分布比間隙硅濃度分布更平緩。但是從預定深度到主體區(qū)，空位硅濃度分布變得比間隙硅濃度分布更陡峭。因此在接近晶片的頂面和底面的貧化區(qū)中，通過與間隙硅復合，空位硅濃度保持在或低于一臨界值，即，小于或等于特定溫度的平衡濃度值。在該貧化區(qū)之外，空位硅濃度迅速增加到等于或高于平衡濃度的值。然后，在空位和間隙硅濃度值之差達到最大值的晶片的深度處，即空位硅濃度分布變得比間隙硅濃度更陡峭的地方，形成了峰(第一和第二峰)。空位硅濃度由峰處向主體區(qū)降低，因而在第一和第二峰之間獲得凹的空位濃度分布。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，晶片的空位點缺陷經(jīng)由后續(xù)半導體裝置制造中的熱處理循環(huán)產(chǎn)生氧淀析物。換句話說，空位點缺陷變成由后續(xù)熱處理循環(huán)形成的氧淀析物的形核中心?？瘴粷舛仍礁?，氧淀析物濃度越高。因此可以從晶片的空位濃度分布推導出氧淀析物的濃度分布。
空位濃度和氧淀析物濃度具有下列關(guān)系
該關(guān)系表達式表明，當空位硅濃度(VSi)和初始氧濃度(Oi)增加時，反應(yīng)向右進行，因而氧淀析物濃度增加。在以上關(guān)系表達式中，σ為常數(shù)。
在本發(fā)明的實施例中，對已經(jīng)經(jīng)受圖5的RTA過程的晶片進行后續(xù)熱處理之后，獲得氧淀析物濃度分布?？紤]到半導體裝置制造中熱處理循環(huán)的條件，后續(xù)熱處理的條件被確定，在該熱處理中氧淀析物形成。為了在晶片之間進行比較，在圖5的RTA過程之后，后續(xù)處理在N2氣環(huán)境中在約800℃進行約4小時，而在約1600℃進行約16小時。
此外，為了考察本發(fā)明使用的氣體混合物的作用，圖5的RTA過程中使用的氣體混合物的流速和混合比被改變。圖9示出在圖5所示的RTA過程之后相對包含N2氣和Ar氣的氣體混合物的混合比例的變化的空位濃度分布。圖31是顯示峰值處氧淀析物濃度相對Ar/N2混合氣體流速改變的變化的曲線。
圖9中，(a)代表當N2和Ar的混合比為70∶30時的空位濃度分布，(b)代表當N2和Ar的混合比為50∶50時的空位濃度分布，而(c)代表當N2和Ar的混合比為30∶70時的空位濃度分布。應(yīng)該指出，當N2氣濃度增加時，峰朝晶片的表面移動，且峰的空位濃度增加。即，DZ的深度隨N2濃度增加而迅速降低，其中，由后續(xù)工藝導致的氧淀析物不在DZ中形成。
圖31的在峰處的氧淀析物濃度在圖5的RTA結(jié)束之后，在N2氣環(huán)境中于約800℃下進行約4小時，然后在約1600℃進行約16小時的進一步熱處理完成之后進行測量。這里，RTA通過在約50℃/sec的升溫速率、約1250℃的退火溫度、約10秒鐘的退火時間和約33℃/sec的降溫速率的條件下使Ar/N2混合氣體流動來進行。Ar/N2混合氣體中的Ar/N2氣體的流速按1/1、2/2、3/3、4/4和5/5l/min進行變化。圖31的結(jié)果示出氧淀析物濃度隨混合氣體流速的增加而增加。
除混合氣體中的Ar/N2氣體按3/1、2.5/1.5、2/2、1.5/2.5和1/3l/min的流速以各種混合比提供外，圖32在峰處的氧淀析物濃度是在與圖31的數(shù)據(jù)相同的條件下進行RTA之后測量的。在圖5的RTA之后，進一步的熱處理在N2氣環(huán)境中在大約800℃進行約4小時，接著在大約1600℃進行約16小時。圖32的結(jié)果示出，在4l/min的氣體混合物恒定質(zhì)量流下，氧淀析物濃度隨著混合氣體中N2的比例的增加而增加。
RTA的工藝條件，包括氣體混合物的混合比和流速、升溫速率、退火溫度和時間、降溫速率等，可以在多種水平上變化，以改變空位濃度分布的峰值位置、峰值處的空位濃度值、主體區(qū)的空位濃度值、貧化區(qū)的尺寸和/或類似值。
圖33顯示在圖5的RTA過程之后峰值處的氧淀析物濃度相對于升溫速率變化而變化。為了比較，RTA的其它工藝條件保持不變，即，N2氣和Ar氣的混合比設(shè)置為50∶50，退火溫度設(shè)置為1250℃，退火時間設(shè)置為10秒鐘，且降溫速率設(shè)置為33℃/sec。對所有晶片，后續(xù)熱處理在N2氣環(huán)境中在800℃約4小時和其后的1600℃約16小時的條件下進行，其與前面測量中的相同。其結(jié)果示于表1。表1

圖33和表1表明，峰值處的氧淀析物濃度受升溫速率的影響不大。
圖34示出在圖5的RTA過程之后峰值處的氧淀析物濃度相對退火時間變化的變化。為了精確比較，RTA的其它工藝條件保持不變，也即，N2氣和Ar氣的混合比設(shè)置為50∶50，升溫速率設(shè)置為50℃/sec，退火溫度設(shè)置為1250℃，而降溫速率設(shè)置為33℃/sec。對所有晶片，后續(xù)熱處理在N2氣環(huán)境中在800℃約4小時且其后的1600℃約16小時的條件下進行，其與前面測量中的相同。其結(jié)果示于表2。
表2

圖34和表2表明，峰值處的氧淀析物濃度受退火時間的影響，且對于峰值處至少109/cm3或更高的氧淀析物濃度，退火應(yīng)該持續(xù)至少5秒鐘或更長。
圖35示出在圖5的RTA過程之后峰值處的氧淀析物濃度相對退火溫度變化的變化。為了比較，RTA的其它工藝條件保持不變，也即，N2氣和Ar氣的混合比設(shè)置為50∶50，升溫速率設(shè)置為50℃/sec，退火時間設(shè)置為10秒鐘，降溫速率設(shè)置為33℃/sec。對所有晶片，后續(xù)熱處理在N2氣環(huán)境中在800℃約4小時和其后的1600℃約16小時的條件下進行，其與前面測量中的相同。其結(jié)果示于表3。表3

圖35和表3表明峰值處的氧淀析物濃度受退火溫度的影響，且對于峰值處至少109/cm3或更高的氧淀析物濃度，退火溫度應(yīng)該高(至少1250℃或以上)。退火溫度和時間與氧淀析物濃度緊密聯(lián)系。考慮圖34的結(jié)果，可以注意到，對于一定的氧淀析物濃度，在更高的退火溫度下退火時間可以減少，然而對于一定的氧淀析物濃度，在較低的退火溫度下退火時間可以延長。
圖36示出在圖5的RTA過程之后峰值處的氧淀析物濃度相對于降溫速率變化的變化。為了比較，RTA的其它工藝條件保持不變，也即，N2氣和Ar氣的混合比設(shè)置為50∶50，升溫速率設(shè)置為50℃/sec，退火時間設(shè)置為10秒鐘。對所有晶片，后續(xù)熱處理在N2氣環(huán)境中在800℃約4小時和其后的1600℃約16小時的條件下進行，其與前面測量中的相同。其結(jié)果示于表4。
表4

圖36和表4表明峰值處的氧淀析物濃度受降溫速率的影響不大。但氧淀析物濃度隨著升溫速率的增加有些許增加。
圖10示出通過根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA處理之后的后續(xù)熱處理所獲得的、相對于RTA期間使用各種氣體的氧淀析物濃度分布。在圖10中，(a)代表在N2氣環(huán)境中制造的晶片的氧淀析物濃度分布，(b)代表在N2氣和Ar氣環(huán)境中制造的晶片的氧淀析物濃度分布，(c)代表在N2氣和H2氣環(huán)境中制造的晶片的氧淀析物濃度分布，(d)代表在Ar氣環(huán)境中制造的晶片的氧淀析物濃度分布，而(e)代表在H2氣環(huán)境中制造的晶片的氧淀析物濃度分布。
為了比較，在同樣的工藝條件下對所有晶片進行RTA和后續(xù)熱處理。即，RTA在1250℃下進行10秒鐘，而如上面所述那樣，后續(xù)熱處理在800℃約4小時及其后的1600℃約16小時的條件下進行兩次。該結(jié)果示于表5。
表5

圖11是顯示當圖5的RTA在Ar氣環(huán)境中實施時，接近硅晶片表面的COP溶解的圖。通常，在由CZ技術(shù)晶錠生長期間形成的COP具有不完整的八面體空穴形狀，而氧化硅層22形成在空穴22a的內(nèi)側(cè)。此外，當RTA過程在Ar或H2氣環(huán)境中進行時，在晶片表面附近出現(xiàn)的COP被溶解，其中該氣體給晶片表面提供間隙硅注入效應(yīng)。
詳細描述COP的溶解機制，當在晶體生長期間以初始濃度Oi結(jié)合氧的晶錠冷卻時，該晶錠中的氧濃度在冷卻的溫度下變成過飽和。因此，由晶錠形成的晶片的初始氧濃度也過飽和而超過氧的預定溶解度(在圖11中用“S”標示)。然而，由于通過晶片表面的氧的向外擴散，接近晶片表面的初始氧濃度等于或少于預定的溶解度“S”。同時，在晶片的主體區(qū)中，過飽和的氧被提供給空穴20a并且用于在空穴20a的內(nèi)部形成氧化硅層22。此外，由于接近晶片表面(即，圖11中表面和虛線“T”之間的區(qū)域)的初始氧濃度少于氧的預定溶解度“S”，所以氧從形成在空穴20b中的氧化硅層(未示出)中分泌出來，同時由于在RTA過程期間提供的氣體的間隙硅注入效應(yīng)，硅設(shè)置在空穴20b內(nèi)側(cè)。結(jié)果是，空穴20b的尺寸減小而空穴22b最終消失。
由于COP的溶解效應(yīng)，根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程可以推廣到各種晶片上。如表5所示，這種COP溶解效應(yīng)通過使用H2氣比使用Ar氣更能增強。
圖12至圖16是顯示在RTA過程后經(jīng)過后續(xù)熱處理，并具有圖10的氧淀析物濃度分布的晶片的氧淀析物分布的照片。具體地，圖12對應(yīng)于使用N2氣的情況，圖13對應(yīng)于使用Ar氣的情況，圖14對應(yīng)于使用H2氣的情況，圖15對應(yīng)于使用N2氣和Ar氣的情況，而圖16對應(yīng)于使用N2氣和H2氣的情況。此外，每個圖的左邊顯示晶片的頂面，而其右面顯示晶片的底面。
圖17至圖21是顯示在晶片表面附近形成的DZ的深度的照片，該處無氧淀析物存在，而晶片在RTA處理后經(jīng)過后續(xù)熱處理并且具有圖10的氧淀析物濃度分布。具體地，圖17代表使用N2氣的情況，圖18代表使用Ar氣的情況，圖19代表使用H2氣的情況，圖20代表使用N2氣和Ar氣的情況，而圖21代表使用N2氣和H2氣的情況。正如可以從表5注意到的那樣，DZ只能在N2氣環(huán)境中形成。
圖22A至圖24B是顯示原生COP形狀，以及在RTA過程之后已經(jīng)改變了的COP形狀的照片。具體地，圖22A和圖22B代表在N2氣環(huán)境中進行RTA的情況，圖23A和圖23B代表在N2和Ar氣環(huán)境中進行RTA的情況，而圖24A和圖24B代表在N2和H2氣環(huán)境中進行RTA的情況。如表5所示，在N2氣環(huán)境中COP基本上不溶解。此外，在N2氣與Ar或者H2氣混合的氣體混合物環(huán)境中COP的溶解是平穩(wěn)的，而特別地，COP可以在H2氣環(huán)境中完全溶解。根據(jù)這個結(jié)果，也可以推導出，原生COP尺寸的降低的可以促進在圖5的RTA過程中完全地溶解COP。
本發(fā)明的實施例可以通過對硅晶片執(zhí)行圖5的RTA過程，控制經(jīng)由通常在半導體裝置制造中進行的后續(xù)熱處理循環(huán)而形成的氧淀析物分布。在根據(jù)本發(fā)明RTA過程實施過程中的整個晶片制備的實施例、以及在應(yīng)用RTA時起作用的晶片制備的實施例，現(xiàn)在將得以描述。
圖25是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的晶片制備流程圖，具體地，顯示了晶體生長(S10)之后的一常規(guī)晶片加工工藝。常規(guī)晶片加工技術(shù)的概述公開于S.Wolf和R.N.Tanber于1986著的課本“超大規(guī)模集成電路時代的硅加工，卷1，加工技術(shù)(Silicon Processing for the VLSI ERA，Volume 1，ProcessTechnology)”的第一章的1至35頁，其公開內(nèi)容因而合并于此作為參考。參照圖25，常規(guī)晶片加工工藝包括使用CZ提拉器生長晶錠的晶體生長步驟(S10)、將晶錠切成晶片的切片步驟(S12)、使每個切片邊緣變圓或刻蝕切片表面的刻蝕步驟(S14)。然后，在清潔切片表面的第一清潔步驟(S16)之后，進行施主去除步驟(S18)，拋光形成半導體裝置的晶片頂面(S20)，在第二清潔步驟(S22)中清潔拋光的晶片。然后封裝所得的晶片(S24)。
根據(jù)本發(fā)明實施例的圖5的RTA在施主去除步驟(S18)中執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明其它實施例的RTA可以在獨立的步驟中進行。但從成本的觀點出發(fā)，優(yōu)選地RTA在施主去除步驟(S18)中進行。通常，施主去除指的是，將包含在硅錠中、在后續(xù)半導體裝置制造期間以離子形式存在并充當注入雜質(zhì)離子的電子施主的氧成份，經(jīng)由晶片加工工藝中的熱處理而轉(zhuǎn)變成氧淀析物，以降低作為施主起作用的可能性。這種熱處理在RTA爐中在大約700℃進行約30秒或更長。
圖27是傳統(tǒng)CZ提拉器的簡圖，晶體生長(S10)在其中進行。如圖27所示，CZ提拉器100包括一熔爐、一晶體提拉機構(gòu)、一環(huán)境控制器和一計算機控制系統(tǒng)。CZ爐一般稱為熱區(qū)熔爐。該熱區(qū)熔爐包括加一熱器104、一可用石英制造的坩堝106、一可由石墨制造的下托體(succeptor)108、以及沿所示的第一方向112繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸110。
冷卻套或口132由諸如水冷的外部冷卻裝置冷卻。隔熱屏114可以提供附加的熱分布。熱罐(heat pack)102填滿吸熱材料116以提供附加的熱分布。
晶體提拉機構(gòu)包括晶體提拉桿120，它可以沿如所示的與第一方向112相反的第二方向122繞軸旋轉(zhuǎn)。晶體提拉桿120包括一位于其端部的籽晶夾具120a。籽晶夾具120a夾持籽晶124，它由坩堝106中的熔融硅126中拉出以形成晶錠128。
環(huán)境控制系統(tǒng)可包括腔封套130、冷卻套132和其它未示出的氣流控制器與真空排氣系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)可以用于控制加熱元件、提拉器及其它電子和機械元件。
為了生長單晶硅錠，籽晶124接觸熔融硅126，并且逐漸沿軸向(向上)拉出。熔融硅126冷卻和固化成單晶硅發(fā)生在晶錠128和熔融硅126的界面131處。如圖27所示，界面131相對于熔融硅126中凹。
如圖4所示的受控氧淀析物濃度分布可以通過根據(jù)本發(fā)明的RTA實施例從至少三種類型的硅晶片獲得。特別地，根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA可以應(yīng)用于不存在諸如間隙聚集和空位聚集等點缺陷的“完美”晶片；空位聚集僅僅在離晶片中心的一個預定半徑內(nèi)的富空位區(qū)中出現(xiàn)，而在富空位區(qū)外不存在空位聚集和間隙聚集的“半完美”晶片；以及在整個晶片中僅包含空位聚集，而沒有間隙聚集的晶片。但是，本發(fā)明不局限于上述晶片，而包括本發(fā)明的原理可以應(yīng)用的所有類型晶片。如上所述，本發(fā)明的實施例定向為如圖4所示的受控氧淀析物濃度分布，此分布可以通過執(zhí)行圖5的RTA過程及可以應(yīng)用本發(fā)明的硅晶片的后續(xù)熱處理而獲得。此外，對于COP，本發(fā)明實施例提供其中COP僅僅出現(xiàn)在晶片的主體區(qū)中，而不出現(xiàn)在DZ中的晶片。
為了防止硅晶片的缺陷，很多應(yīng)用研究關(guān)注于高純度晶錠的晶體生長過程。例如，眾所周知，籽晶的提拉速率和熱區(qū)結(jié)構(gòu)中的溫度梯度應(yīng)當被控制。晶錠提拉速率(V)和晶錠-熔融硅界面的溫度梯度(G)的控制被詳細敘述于沃儂科夫(Voronkov)發(fā)表在“晶體生長學報(Journal of Crystal Growth)”的1982年第59卷625至643頁的“硅中螺型缺陷形成機制(The Mechanism of SwirlDefects Formation in Silicon)”中。此外，沃儂科夫理論的應(yīng)用可以在本發(fā)明人等發(fā)表在1996年11月25至29日“先進硅材料科學與技術(shù)第二屆國際研討會(Proceedings of the Second International Symposium on AdvancedScience and Technology of Silicon Material)”期間發(fā)表的標題為“晶體缺陷對裝置特性的影響(Effect of Crystal Defects on Device Characteristics)”的文章的519頁中找到。該文章公開了當V對G的比(稱為V/G比)低于臨界比(V/G)*時，富間隙區(qū)形成，而當V/G比高于臨界比(V/G)*時，富空位區(qū)形成。
具體地，圖26是顯示硅錠中相對點缺陷分布與V/G比之間的關(guān)系的示意圖。如圖26所示，在晶錠生長期間，對高于臨界V/G比(V/G)*的V/G比，富空位區(qū)形成。同樣，對空位濃度大于臨界空位濃度Cv*的V/G比，空位聚集形成，而對間隙濃度大于臨界間隙濃度Cl*的V/G比，間隙聚集形成。此外，在圖26中，從(V/G)I*到(V/G)B*的寬度代表一個B-帶，它是相對缺陷(小尺寸位錯)的間隙，而從(V/G)V*到(V/G)P*的寬度代表一個P-帶，它是一O.S.F.環(huán)形(大尺寸氧淀析物)。
本發(fā)明的實施例可以應(yīng)用于沒有缺陷的在晶錠生長期間具有位于B-帶和P-帶之間的V/G比的完美晶片、具有包括P-帶的V/G比的半完美晶片，以及由于高于對應(yīng)于臨界空位濃度Cv*的臨界V/G比(V/G)*的V/G而在整個晶片中形成空位聚集的晶片。
可應(yīng)用于本發(fā)明的完美晶片和半完美晶片在美國專利申請第08/989,591及其繼續(xù)部分申請、美國專利申請第09/320,210和第09/320,102中得到了詳細描述，這些申請在此被引用。因而其詳細描述將省略。
圖28是在繼續(xù)部分申請中公開的改進的CZ提拉器的簡圖，其中的隔熱屏214與圖27所示的CZ提拉器相比進行了改進。簡要地，如圖28所示，改進的CZ提拉器200包括一熔爐、一晶體提拉機構(gòu)、一環(huán)境控制器和一計算機控制系統(tǒng)。熱區(qū)熔爐包括一加熱器204、一坩堝206、一下托體208以及一沿所示第一方向212繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸210。冷卻套232和隔熱屏214可提供附加的熱分布，而熱罐202包含熱吸收材料216以提供附加的熱分布。
晶體提拉機構(gòu)包括晶體提拉桿220，該桿可以沿所示的與第一方向212相反的第二方向222繞軸轉(zhuǎn)動。晶體提拉桿220包括一位于其端部的籽晶夾具220a。籽晶夾具220a夾持籽晶224，它由坩堝206中的熔融硅中拉出以形成晶錠228。
環(huán)境控制系統(tǒng)可包括腔封套230、冷卻套232和其它未示出的氣流控制器和真空排氣系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)可用于控制加熱元件、提拉器及其它電子和機械元件。
為了生長單晶體硅錠，籽晶224與熔融硅226接觸并逐漸沿軸向(向上)提拉。熔融硅226冷卻并固化為單晶硅發(fā)生在晶錠228和熔融硅226之間的界面231處。與圖27的CZ提拉器相比，圖28的CZ提拉器200進一步包括隔熱屏214中的隔熱罩234，它容許更精確地控制V/G比。
圖29是根據(jù)本發(fā)明實施例的改進的CZ提拉器的簡圖，而圖30詳細顯示圖29的CZ提拉器的改進部分。在圖29和圖30中，與圖28所用相同的附圖標記用于表示相同的元件，并且只有與圖28的CZ提拉器的不同之處將得以描述。如圖29和30所示，由圖28的CZ提拉器的變化包括隔熱罩300的形狀和隔熱板360的附加安裝。類似環(huán)形的具有90°旋轉(zhuǎn)梯形的隔熱罩300包括優(yōu)選地為垂直的內(nèi)隔熱罩壁310和外隔熱罩壁330，以及連接內(nèi)和外隔熱罩壁310和330的隔熱罩頂340和隔熱罩底320。此處，隔熱罩頂340由內(nèi)隔熱罩壁310到外隔熱罩壁330以與水平成β角的角度向上傾斜，同時隔熱罩底320從內(nèi)隔熱罩壁310到外隔熱罩壁330以與水平成α角的角度向下傾斜，形成所示的梯形。
環(huán)形隔熱罩300可以用吸熱材料(未示出)填充，并且可以由鐵酸碳(carbon ferrite)制作。
此外，隔熱罩300由支撐元件350固定在熱罐202的頂部。隔熱板360安裝在隔熱罩300的隔熱罩頂340和冷卻套232之間，環(huán)繞被拉出的晶錠。
圖29和圖30所示的CZ提拉器的結(jié)構(gòu)可以允許晶錠的冷卻速率提高。存在于拉出的晶錠中的空穴尺寸一般來說正比于晶錠-熔融硅界面處的初始空位濃度的平方根，反比于晶錠冷卻速率的平方根。如參考圖11所述，只要在晶體生長期間形成的存在于晶錠中的空穴尺寸小于預定尺寸，雖然拉出的晶錠包含空穴，但這些空穴可以通過根據(jù)本發(fā)明實施例的RTA過程從DZ中溶解。
因此，為了降低晶錠中空穴的尺寸，這是根據(jù)本發(fā)明的實施例所希望的，晶錠的冷卻速率可以提高。當晶錠的冷卻速率提高時，晶錠中心的溫度梯度Gc可能增加。因此，如果V/G比對于預定缺陷分布恒定，則晶錠的拉出速率(V)應(yīng)該增加。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，以晶錠中心處的溫度為基礎(chǔ)，為了將晶錠的冷卻速率增加到至少1.4°K/min或以上，以便將晶錠從晶錠-熔融硅界面處的溫度冷卻到晶錠的預定溫度，內(nèi)隔熱罩壁310的長度a、外隔熱罩壁330的長度c、隔熱罩頂340的角度β、隔熱罩底320的角度α、晶錠228至內(nèi)隔熱罩壁310之間的距離d、坩堝206至外隔熱罩壁330的距離f、內(nèi)外隔熱罩壁310和330之間的距離e、內(nèi)隔熱罩壁310至熔融硅226之間的距離b，以及隔熱板360的位置中的至少一個可以改變。
在圖29中的CZ提拉器中，由于拉出的晶錠的高冷卻速率，晶錠的拉出速率可以提高，例如，在0.50至1.00mm/min的范圍內(nèi)，從而晶錠的生產(chǎn)率可以提高。另外，通過圖28所示的CZ提拉器制造的完美晶片或半完美晶片的加工余量可提供給晶錠的生長。
在附圖和說明書中，公開了本發(fā)明典型的優(yōu)選實施例，盡管使用了特定的條件，但它們僅僅是為了解釋和說明的目的，而不是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的領(lǐng)域在權(quán)利要求書中限定。
權(quán)利要求
1.一種具有頂面、底面以及在頂面和底面之間其內(nèi)的氧淀析物濃度分布的硅晶片，氧淀析物濃度分布包括分別位于離晶片的頂面和底面第一和第二預定深度處的第一和第二峰值；在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間的貧化區(qū)(DZ)；以及在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的硅晶片，其中，氧淀析物濃度分布相對居中位于頂面和底面間的硅晶片中央面對稱。
3.如權(quán)利要求1所述的硅晶片，其中，貧化區(qū)的深度在離硅晶片的頂面和底面約10μm到40μm范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的硅晶片，其中，貧化區(qū)的深度距硅晶片的兩個表面的頂部約30μm。
5.如權(quán)利要求1所述的硅晶片，其中，在第一和第二峰值處的氧淀析物濃度至少約為1×109cm-3。
6.如權(quán)利要求1所述的硅晶片，其中，在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)中的氧淀析物濃度至少約為1×108cm-3。
7.如權(quán)利要求1所述的硅晶片，其中，晶體原生淀析物(COP)僅僅存在于晶片的第一和第二峰值之間的下凹區(qū)內(nèi)。
8.一種具有頂面、底面以及在頂面和底面之間其內(nèi)的空位濃度分布的硅晶片，空位濃度分布包括分別位于離晶片的頂面和底面的第一和第二預定深度處的第一和第二峰值；具有預定空位濃度的區(qū)域，該濃度低于臨界濃度，該區(qū)域在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間；以及在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)。
9.如權(quán)利要求8所述的硅晶片，其中，空位濃度分布相對居中位于頂面和底面間的硅晶片中央面對稱。
10.如權(quán)利要求8所述的硅晶片，其中，晶體原生淀析物(COP)僅僅存在于晶片的第一和第二峰值之間的主體區(qū)內(nèi)。
11.一種制造硅晶片的方法，包括在包含在晶片的頂面和底面上具有空位注入效應(yīng)的氣體和具有間隙注入效應(yīng)的氣體的氣體混合物環(huán)境中，對硅晶片實施快速熱退火(RTA)，以生成形核中心，此形核中心在后續(xù)熱處理中充當氧淀析物生長位，在從晶片頂面到底面的形核中心濃度分布中，形核中心濃度分布包括分別位于離晶片的頂面和底面的第一和第二預定深度處的第一和第二峰值；具有預定形核中心濃度的區(qū)域，該形核中心的濃度低于臨界濃度，該區(qū)域在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間；以及在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，進行快速熱退火過程的步驟也產(chǎn)生從晶片頂面到底面的空位濃度分布，該空位濃度分布包括分別位于離晶片的頂面和底面的第一和第二預定深度處的第一和第二峰值；具有預定空位濃度的區(qū)域，該濃度低于臨界濃度，該區(qū)域在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間；以及在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在硅晶片上進行后續(xù)熱處理以形成從晶片頂面到底面的氧淀析物濃度分布的步驟，該氧淀析物濃度分布包括分別位于離晶片的頂面和底面的第一和第二預定深度處的第一和第二峰值；在晶片的頂面和第一峰值之間以及晶片的底面和第二峰值之間的貧化區(qū)(DZ)；以及在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，氣體混合物包括氮(N2)氣和氬(Ar)氣。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，氣體混合物包括氮(N2)氣和氬(Ar)氣。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，在第一和第二峰值以及下凹區(qū)內(nèi)的氧淀析物濃度可通過調(diào)節(jié)氣體混合物的混合比來控制。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，貧化區(qū)的深度可通過調(diào)節(jié)氣體混合物的混合比來控制。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在第一和第二峰值以及下凹區(qū)內(nèi)的氧淀析物濃度還可通過調(diào)節(jié)快速熱退火過程的溫度和時間來控制。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，貧化區(qū)的深度還可通過調(diào)節(jié)快速熱退火過程的溫度和時間來控制。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，執(zhí)行快速熱退火工藝的步驟包括以至少約30℃/Sec的速率快速冷卻晶片。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，執(zhí)行快速熱退火工藝的步驟在至少約1150℃的溫度下進行。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，執(zhí)行快速熱退火工藝的步驟進行至少約5秒的一段時間。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，執(zhí)行快速熱退火工藝的步驟在約1150℃或更高的溫度下進行大約30秒或更長的時間。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，執(zhí)行快速熱退火工藝的步驟在約1250℃或更高的溫度下進行大約5秒的時間。
25.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，對硅晶片執(zhí)行后續(xù)熱處理的步驟在約800℃和約1000℃之間的溫度下進行約4到20小時間的時間。
26.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，氧淀析物濃度分布被控制為相對居中位于頂面和底面間的硅晶片中央面對稱。
27.如權(quán)利要求11所述的硅晶片，其中，貧化區(qū)的深度在離硅晶片的頂面和底面約10μm到約40μm的范圍內(nèi)。
28.如權(quán)利要求11所述的硅晶片，其中，貧化區(qū)的深度為離硅晶片的頂面和底面約30μm。
29.如權(quán)利要求11所述的硅晶片，其中，在第一和第二峰值處的氧淀析物濃度為至少約1×109cm-3。
30.如權(quán)利要求11所述的硅晶片，其中，在第一和第二峰值之間的下凹區(qū)中的氧淀析物濃度為至少約1×108cm-3。
31.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，快速熱退火在硅晶片的晶片加工的施主去除步驟中進行。
32.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在進行快速熱退火工藝之后拋光晶片的頂面。
33.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述進行的步驟之前進行根據(jù)晶錠提拉速率分布將晶錠從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，其中晶錠的拉出速率足夠高以防止間隙聚集的形成，但要足夠低以便于將空位聚集的形成限制在晶錠中心軸周圍的富空位區(qū)中；以及將晶錠沿徑向切片以提供硅晶片。
34.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述進行的步驟之前進行根據(jù)一晶錠提拉速率分布，將晶錠從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，所述晶錠的拉出速率分布在晶錠的中心產(chǎn)生包括空位聚集的富空位區(qū)，以及富空位區(qū)以外的純凈區(qū)，純凈區(qū)域包括無空位聚集和間隙聚集的間隙點缺陷；以及將晶錠沿徑向切片以提供硅晶片。
35.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述進行的步驟之前進行根據(jù)晶錠提拉速率分布，將晶錠從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，所述晶錠的拉出速率足夠高以防止間隙聚集的形成，但要足夠低以防止空位聚集的形成；以及將晶錠沿徑向切片以提供硅晶片。
36.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述進行的步驟之前進行根據(jù)晶錠提拉速率分布，將晶錠從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，所述晶錠的拉出速率分布產(chǎn)生點缺陷，而不產(chǎn)生間隙聚集和空位聚集；以及將晶錠沿徑向切片以提供硅晶片。
37.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述進行的步驟之前進行根據(jù)晶錠提拉速率分布，將晶錠從熱區(qū)熔爐中的熔融硅中拉出，其中晶錠的拉出速率足夠高，從而空位聚集在晶錠的整個直徑范圍內(nèi)形成，而不形成間隙聚集；以及將晶錠沿徑向切片以提供硅晶片。
38.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，在提拉步驟中形成于硅晶片中的空位聚集的尺寸約為0.2μm。
39.如權(quán)利要求34的方法，其中，在提拉步驟中形成于硅晶片中的空位聚集的尺寸約為0.2μm。
40.如權(quán)利要求35的方法，其中，在提拉步驟中形成于硅晶片中的空位聚集的尺寸約為0.2μm。
41.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，晶錠提拉步驟還包括，基于中心晶錠溫度，以至少約1.4°K/min的冷卻速率將拉出的晶錠冷卻到預定溫度。
42.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，晶錠提拉步驟還包括，基于中心晶錠溫度，以至少約1.4°K/min的冷卻速率將拉出的晶錠冷卻到預定溫度。
43.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，晶錠提拉步驟還包括，基于中心晶錠溫度，以至少約1.4°K/min的冷卻速率將拉出的晶錠冷卻到預定溫度。
44.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，晶錠提拉步驟包括，以在約0.5到約1.0mm/min的范圍內(nèi)的提拉速率將晶錠拉出。
45.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，晶錠提拉步驟包括，以在約0.5到約1.0mm/min的范圍內(nèi)的提拉速率將晶錠拉出。
46.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，晶錠提拉步驟包括，以在約0.5到約1.0mm/min的范圍內(nèi)的提拉速率將晶錠拉出。
47.一種用于生長單晶硅錠的丘克拉斯基提拉器，包括腔封套；在該腔封套中裝盛熔融硅的坩堝；在該腔封套中的籽晶夾具，它靠近坩堝用于夾持籽晶；在該腔封套中的加熱器，它環(huán)繞坩堝；在該腔封套中的環(huán)形隔熱罩，包括相互隔離的內(nèi)和外隔熱罩壁；連接內(nèi)和外隔熱罩壁的隔熱罩頂和隔熱罩底；隔熱罩頂由內(nèi)隔熱罩壁朝外隔熱罩壁向上傾斜，而隔熱罩底從內(nèi)隔熱罩壁朝外隔熱罩壁向下傾斜；以及將該隔熱罩支撐在坩堝內(nèi)的支撐元件。
48.如權(quán)利要求47所述的丘克拉斯基提拉器，其中，環(huán)形隔熱罩填充有吸熱材料。
49.如權(quán)利要求47所述的丘克拉斯基提拉器，還包括位于隔熱罩和籽晶夾具之間的冷卻套。
50.如權(quán)利要求49所述的丘克拉斯基提拉器，還包括在隔熱罩和冷卻套之間、圍繞拉出的晶錠的隔熱板。
51.如權(quán)利要求50所述的丘克拉斯基提拉器，其中，提拉器還構(gòu)造為將籽晶夾具從坩堝中拉出，以便將熔融硅生長成圓柱狀單晶硅錠，此硅錠生長成圓柱狀，并與熔融硅形成晶錠-熔融硅界面；隔熱罩中內(nèi)和外隔熱罩壁的長度、隔熱罩頂和底的傾角、晶錠與內(nèi)隔熱罩壁之間的距離、坩堝與外隔熱罩壁之間的距離、熔融硅與內(nèi)隔熱罩壁之間的距離，以及隔熱板位置中的至少一個被選擇，以便基于其中心的晶錠溫度，以至少約1.4°K/min的速率將拉出的晶錠從晶錠-熔融硅界面的溫度冷卻到晶錠的預定溫度。
52.如權(quán)利要求50所述的丘克拉斯基提拉器，其中，隔熱罩由鐵酸碳形成。
全文摘要
提供了具有受控缺陷分布的硅晶片,其中具有離晶片表面向內(nèi)足夠深度的貧化區(qū)與晶片主體區(qū)內(nèi)的高捕獲效應(yīng)相結(jié)合。在硅晶片中,充當本征捕獲位的氧淀析物表現(xiàn)出垂直分布。從晶片頂面至底面的氧淀析物濃度分布包括:分別位于離晶片的頂面和底面第一和第二預定深度處的第一和第二峰值;在晶片的頂面和底面和每一個第一峰值與第二峰值之間的貧化區(qū);以及在第一和第二峰值之間,對應(yīng)于晶片的主體區(qū)的下凹區(qū)。對這樣的氧淀析物濃度分布,在晶片加工過程的施主去除步驟中,該晶片經(jīng)歷了在包含氮(N
文檔編號H01LGK1345986SQ0112330
公開日2002年4月24日 申請日期2001年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者樸在勤 申請人:三星電子株式會社