專利名稱：無氧淀析的切氏硅晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體材料襯底的制備，特別是涉及用于制備電子學(xué)部件的硅片。具體的講，本發(fā)明涉及對切氏(CZOCHRALSKI)單晶硅片進(jìn)行處理的一種過程，通過該處理過程，可以消除已有的氧原子團(tuán)和氧淀析物，同時防止它們在以后氧淀析熱處理中再度形成。
作為半導(dǎo)體電子學(xué)部件大多數(shù)生產(chǎn)過程的起始材料的單晶硅，通常用所謂切氏過程來制備，其中，把單晶籽晶浸入熔化硅中，然后通過緩慢提升來生長。因為熔化硅是裝在石英坩堝中，它會沾染各種雜質(zhì)，其中主要是氧。在硅熔狀物的溫度下，氧要進(jìn)入晶格，直至達(dá)到一定濃度，此濃度由硅熔狀物溫度下氧在硅中的溶解度和凝固硅中氧的實(shí)際分凝系數(shù)這兩個因素確定。這個濃度大于電子學(xué)器件制作過程中典型溫度下氧在固態(tài)硅中的溶解度。因此，當(dāng)晶體從熔狀物中生長并冷卻時，氧在晶體中的溶解度迅速下降，由此而得到的晶片中，氧是以過飽和濃度存在的。
在電子學(xué)器件制作的典型的熱處理過程中，可以形成氧淀析成核中心并最終生長成大的氧原子團(tuán)或氧淀析物。在硅片的有源器件區(qū)域，這種氧淀析物的存在將妨礙器件的使用。歷史上講，為了解決這個問題，電子學(xué)器件制作過程包括了一系列步驟，目的是要得到這樣的硅片它表面附近存在沒有氧淀析物的區(qū)域(通常稱為“裸露區(qū)”或“無淀析”區(qū))。無淀析區(qū)可以通過例如高-低-高的熱處理序列來形成，如(a)在高溫(＞1100℃)惰性氣氛下，進(jìn)行氧外擴(kuò)散熱處理，時間至少約4小時，(b)在低溫下(600-750℃)形成氧淀析核，及(c)高溫下(1000-1150℃)氧(SiO2)淀析物生長。例如參閱，F(xiàn).Shimura,Semi-conductor Silicon Crystal Technology,Academic Press,Inc.,SanDiego California(1989)，第361-367頁以及該書所引文獻(xiàn)。
然而，近來更先進(jìn)的電子學(xué)器件制作過程，例如DRAM制作過程，已經(jīng)開始減少熱處理步驟的使用。雖然某些制作過程仍然保持足夠的熱處理步驟，以得到無淀析區(qū)，但要使它成為商業(yè)上可行的產(chǎn)品，對材料的要求是太苛刻了。其他近代的高度先進(jìn)的電子器件制作過程，根本不包括外擴(kuò)散步驟。由于在有源器件區(qū)中氧淀析物所出現(xiàn)的問題，這些電子學(xué)器件必須使用這樣的硅片制作，這些硅片不會在電子學(xué)器件制作過程的條件下，在硅片的任何地方形成氧淀析物。
因而，需要一種處理過程，它在器件制作之前可以消除硅片中已有的氧原子團(tuán)或淀析物，同時還能防止之后氧淀析物的形成。
本發(fā)明的目標(biāo)之一是提供一種切氏單晶硅片，以及制備此種硅片的過程，在這種硅片中，氧原子團(tuán)或淀析物已經(jīng)被消除；并且這種硅片在經(jīng)歷氧淀析熱處理時，不再形成氧淀析物或氧原子團(tuán)。
因此，簡而言之，本發(fā)明針對熱處理切氏單晶硅片的一種過程，在這種過程中，先在快速的熱退火爐中消除氧原子團(tuán)，然后再在一個熱處理步驟中防止將來形成氧淀析物。此過程包括在至少約1150℃溫度、至少約1000ppma的氧濃度下熱處理硅片，以消除存在的氧原子團(tuán)，并得到這樣的硅片，它在經(jīng)受氧淀析熱處理時不會形成氧淀析物。
本發(fā)明還針對熱處理切氏單晶硅片的一種過程，以消除氧淀析物或氧原子團(tuán)，同時防止在以后熱處理步驟中氧淀析物的形成。此過程包括在至少1150℃溫度下在快速熱退火爐中熱處理硅片，以消除已有的氧原子團(tuán)或氧淀析物，并且控制熱處理硅片的冷卻速率，一直到低于950℃，從而產(chǎn)生一種硅片，它在經(jīng)受氧淀析熱處理時不會形成氧淀析物。
本發(fā)明此外還針對熱處理切氏單晶硅片的一種過程，以消除氧淀析物或氧原子團(tuán)，同時防止在以后熱處理步驟中氧淀析物的形成。此過程包含在至少1150℃溫度下、在一種氣氛下、在快速熱退火爐中熱處理硅片，以消除已有的氧原子團(tuán)或氧淀析物。熱處理的硅片接著以大于約20℃的冷卻速率，冷卻到950℃至1150℃之間的某個溫度，然后在大約950℃至1150℃之間的某個溫度熱退火，從而生產(chǎn)一種硅片，它在經(jīng)受氧淀析熱處理時不會形成氧淀析物。
本發(fā)明的其他目標(biāo)和特性將部分地明確，部分地將在下面指出。
本發(fā)明的過程提供一種方法，用它可以得到氧淀析物或氧原子團(tuán)的濃度以及與氧淀析物有關(guān)的其他缺陷都已減少的單晶硅片。另外，本過程得到的硅片，基本上在以后任何的氧淀析熱處理中(例如在800℃的溫度下退火硅片四個小時，然后在1000℃溫度下16小時)不會形成氧淀析物。因而本發(fā)明的過程可以用來消除硅片中許多種先前存在的缺陷，如大的氧原子團(tuán)和某些種氧引起的堆垛層錯(“OISF”)核。在硅片中仍然存在的溶解的氧不再淀析，即使該硅片經(jīng)受氧淀析熱處理。
本發(fā)明的過程的起始材料，是根據(jù)通常的切氏單晶生長方法生長的單晶棒，加以切割得到的單晶硅片。這種切氏方法以及標(biāo)準(zhǔn)的切割、研磨、腐蝕及拋光的技術(shù)已披露在，例如F.Shimura,Semi-conductorSilicon Crystal Technology,Academic Press,Inc.,San DiegoCalifornia(1989)，和Silicon Chemical Etching,(J.Grabmaier ed.)Spring-Verlag,New york,1982中(這里引用，以供參考)。這種硅片可以是拋光了的、也可以是僅研磨、腐蝕而沒有拋光的。另外，這種硅片可以是以空位或自填隙點(diǎn)缺陷作為主要的本征點(diǎn)缺陷。例如這種硅片從中心到邊緣可以是以空位為主、從中心到邊緣以自填隙為主、或者包含主材料空位的中心核，環(huán)以自填隙主材料的軸對稱環(huán)。
切氏方法生長的硅，典型的氧濃度在約5×1017到9×1017原子/cm3之間(ASTM標(biāo)準(zhǔn)F-121-83)。因為用本過程可以基本消除硅片的氧淀析行為(就是說，即使經(jīng)受氧淀析熱處理，該硅片基本上無氧淀析)，因而起始硅片的氧濃度可以在由切氏過程得到的濃度范圍任意處，甚至于可以超出這個范圍。在硅片藉以切割出的硅單晶棒中可能形成的氧淀析成核中心，與單晶硅棒從硅的熔點(diǎn)(約1410℃)溫度經(jīng)過約750℃的范圍到約350℃的冷卻速率有關(guān)。
在起始材料中是否存在這些成核中心，在本發(fā)明中并不是決定性的。然而這些中心最好能用本發(fā)明的快速熱退火熱處理加以消除。
根據(jù)本發(fā)明的過程，單晶硅片首先經(jīng)歷一個熱處理步驟，在此步驟中，硅片被加熱到高溫。這個熱處理步驟最好是在快速熱退火爐中進(jìn)行，在退火爐中，硅片迅速被加熱到某個目標(biāo)溫度并在該溫度下經(jīng)較短時間退火。一般講，該硅片經(jīng)受高于1150℃的溫度，不低于1175℃較好，不低于1200℃更好，在約1200℃到1275℃之間最好。硅片在此溫度下通常保持至少一秒鐘，典型的至少保持?jǐn)?shù)秒鐘(例如至少3秒)，最好數(shù)十秒(例如20、30、40、或50秒)，視原來存在缺陷的情況，也可以保持直至約60秒的時間(這已接近市售快速退火爐的極限)。
快速退火可以用很多種市售快速熱退火(“RTA”)爐來實(shí)現(xiàn)，在這些爐中，硅片各自被一排排高功率燈加熱。RTA爐能夠快速加熱硅片，例如它能把一片硅片在幾秒鐘內(nèi)從室溫加熱到1200℃。一種市售RTA爐是AG Associates(Mountain View,CA)610型。
在超過1150℃下熱處理硅片將使許多種原先存在的氧原子團(tuán)及OISF核的瓦解。另外它將增加硅片中晶格空位的數(shù)密度。
迄今得到的信息表明，某些與氧有關(guān)的缺陷，例如環(huán)狀的氧化引起的堆垛層錯(OISF)，是高濃度空位的存在所促成的高溫成核氧聚集。另外，在高空位區(qū)域，人們相信，氧原子成團(tuán)在高溫下迅速發(fā)生，這和低空穴的區(qū)域不同，在那里，氧淀析行為和缺乏氧淀析成核中心的區(qū)域更為相似。由于氧淀析行為受空位濃度的影響，因此在本發(fā)明的過程中，在熱處理硅片中的空位密度是被控制的以便在以后的氧淀析熱處理中，避免氧的淀析。
在本發(fā)明的過程的第一個實(shí)施例中，熱處理硅片中的空位濃度用控制熱處理時的氣氛加以控制或至少部分地控制。迄今為止的實(shí)驗證據(jù)表明，足夠量的氧的存在能抑制熱處理硅片中的空位濃度。雖然沒有任何特別理論依據(jù)，但確信在有氧的情況下，快速熱退火處理將使硅表面氧化，從而引起向內(nèi)的硅自填隙流。這個向內(nèi)的自填隙流，通過先表面引起復(fù)合然后向內(nèi)引起復(fù)合，有逐漸改變空位濃度分布的效果。
不管機(jī)理是什么，在本發(fā)明過程的第一實(shí)施例中，是在含有氧的氣氛中，進(jìn)行快速熱退火的步驟的；即退火是在包含氧氣(O2)、水蒸汽、或者包含能夠氧化暴露硅表面的氧的化合物氣體的氣氛中進(jìn)行的。因而氣氛可以完全是氧或氧的化合物氣體，或者可以加一些非氧化氣體，例如氬。然而應(yīng)該注意到，當(dāng)氣氛不完全是氧時，那么包含至少約0.001大氣壓(atm)的氧的分壓或1000份每百萬個原子(ppma)為好。氣氛中的氧分壓不低于約0.002atm(2000ppma)較好，不低于0.005atm(5000ppma)更好，不低于0.01atm(10000ppma)則最好。
本征點(diǎn)缺陷(空位和硅自填隙)可以在單晶硅中擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率依賴于溫度。因此本征點(diǎn)缺陷的濃度分布是本征點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散系數(shù)和復(fù)合率的函數(shù)，而這兩者又是溫度的函數(shù)。例如，在快速熱退火步驟中硅片退火時的溫度附近，本征點(diǎn)缺陷是相對地可移動的，而高達(dá)700℃的溫度下，在任意工業(yè)上有實(shí)際意義的時間內(nèi)本征點(diǎn)缺陷幾乎是不移動的。迄今為止的實(shí)驗證據(jù)表明，在低于約700℃時空位的有效擴(kuò)散速率顯著減慢，也許高到800℃、900℃、甚至1000℃，在任何工業(yè)上有實(shí)際意義的時間內(nèi)，空位可以認(rèn)為是不能移動的。
因而在本發(fā)明的第二個實(shí)施例中，通過在空位相對地可移動的溫度范圍控制硅片的冷卻速率，從而控制了，至少部分控制了熱處理硅片中的空位濃度。硅片的溫度在這段溫度范圍內(nèi)下降時，空位擴(kuò)散到硅片表面并且被湮滅，這樣就導(dǎo)致空位濃度分布的變化，其變化界限依賴于硅片保持在該溫度范圍內(nèi)某個溫度下時間的長短以及該溫度的數(shù)值；一般講，較高的溫度以及較長的擴(kuò)散時間導(dǎo)致更多的擴(kuò)散。一般講，從退火溫度到空位實(shí)際上已不能移動的溫度(例如約950℃)的平均冷卻速率不超過每秒20℃為好，不超過10℃更好，不超過5℃最好。
另外，硅片的溫度也可以在高溫退火以后迅速下降(例如以大于約20℃/秒的速率)到小于1150℃但大于950℃的溫度，然而保持一段時間，這段時間的長度取決于所保持的溫度。例如，對于靠近1150℃，則用幾秒(例如至少約2、3、4、6秒或更多)可能已夠了，但在靠近950℃，則可能要用幾分(例如至少約2、3、4、6分鐘或更多)才足以減少空位濃度。
硅片一旦冷卻到單晶硅中晶格空位相對地可移動的溫度范圍以外時，冷卻速率對于硅片的淀析特性，不再有顯著影響，因而不再起關(guān)鍵作用。
通常，冷卻步驟可以處于與加熱步驟同一氣氛下進(jìn)行。適當(dāng)?shù)臍夥瞻?，例如氮化氣?即包含氮?dú)?N2)或氮化合物氣體如氨的氣氛，它可以氮化暴露的硅表面)；氧化(含氧)氣氛，非氧化，非氮化氣氛(例如氬、氦、氖、二氧化碳)，以及它們的組合。
雖然在本過程中使用的快速熱處理可以導(dǎo)致少量的氧從硅片上表面和下表面向外擴(kuò)散，但得到的熱處理過的硅片的填隙氧濃度，作為到硅片表面距離的函數(shù)，仍頗為均勻。例如，一片熱處理過的硅片，在從硅片中心到離硅片表面不足15微米處，可以有頗為均勻的填隙氧濃度，如果從硅片中心到離硅片表面不足10微米有頗為均勻的填隙氧濃度則較好，從硅片中心到離硅片表面不足5微米更好，從硅片中心到離硅片表面不足3微米最好。在此情形下，頗為均勻的氧濃度意味著氧濃度變化不到約50％，不足約20％更好，如不足10％最好。
根據(jù)以上所述，可以看到本發(fā)明的幾個目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到。在不超出本發(fā)明的范圍下，可以對上述組成和過程作各種各樣的改變，因而我們上述所敘述的全部內(nèi)容均應(yīng)解釋為示例性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1．一種去除切氏單晶硅片的氧淀析的熱處理過程，此過程包括在至少約1150℃的溫度、在氧濃度至少約1000ppma的氣氛下在快速熱退火爐中熱處理硅片。
2．按照權(quán)利要求1的過程，其中，硅片在約1200℃到約1275℃之間進(jìn)行熱處理。
3．按照權(quán)利要求1或2的過程，其中，氣氛中具有至少約2000ppma的氧濃度。
4．按照權(quán)利要求1或2的過程，其中，氣氛中具有至少約5000ppma的氧濃度。
5．按照權(quán)利要求1或2的過程，其中，氣氛中具有至少約10000ppma的氧濃度。
6．按照權(quán)利要求1或2的過程，其中，硅片被熱處理至少約20秒。
7．按照權(quán)利要求1或2的過程，其中，硅片被熱處理至少約40秒。
8．一種去除切氏單晶硅片的氧淀析的熱處理過程，此過程包括以至少約1150℃的溫度在快速熱退火爐中熱處理硅片，并控制從熱處理的最高溫度經(jīng)過一個空位相對可移動的溫度范圍加以冷卻的冷卻速率，以把單晶硅中的空位數(shù)密度減少到某一數(shù)值，使得熱處理過的硅片中在經(jīng)受氧淀析熱處理時不會形成氧淀析物。
9．按照權(quán)利要求8的過程，其中，硅片在約1200℃到約1275℃之間的某個溫度進(jìn)行熱處理。
10．按照權(quán)利要求8的過程，其中，從在熱處理過程中最高溫度到約900℃溫度之間冷卻速率是被控制的。
11．按照權(quán)利要求8、9或10的過程，其中，冷卻速率小于約20℃/秒。
12．按照權(quán)利要求8、9或10的過程，其中，冷卻速率小于約10℃/秒。
13．按照權(quán)利要求8、9或10的過程，其中，冷卻速率小于約5℃/秒。
14．按照權(quán)利要求8、9或10的過程，其中，硅片在氮化氣氛中冷卻。
15．按照權(quán)利要求8、9或10的過程，其中，硅片在氧化氣氛中冷卻。
16．按照權(quán)利要求8、9或10的過程，其中，硅片在非氮化，非氧化氣氛中冷卻。
17．一種去除切氏單晶硅片的氧原子團(tuán)，并防止在以后氧淀析熱處理中氧淀析物形成的熱處理過程，此過程包括在至少約1150℃的溫度下在快速熱退火爐中熱處理硅片，以消除原先存在的氧原子團(tuán)；以超過約20℃的速率，冷卻熱處理過的硅片到約950℃至1150℃之間的某個溫度；在約950℃到1150℃之間的某個溫度熱退火冷卻過的硅片，從而得到經(jīng)受氧淀析熱處理也不會形成氧淀析物的硅片。
18．按照權(quán)利要求17的過程，其中，硅片在約1200到約1275℃之間某個溫度進(jìn)行熱處理。
19．按照權(quán)利要求17或18的過程，其中，冷卻過的硅片在約950℃的溫度下熱退火約2分鐘。
20．按照權(quán)利要求17或18的過程，其中，冷卻過的硅片在約950℃的溫度下熱退火約6分鐘。
21．按照權(quán)利要求17或18的過程，其中，冷卻過的硅片在約1150℃的溫度下熱退火約2秒。
22．按照權(quán)利要求17或18的過程，其中，冷卻過的硅片在約1150℃的溫度下熱退火約6秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及處理切氏單晶硅片的一種過程,以消除已經(jīng)存在的氧原子團(tuán)和氧淀析物,同時防止它們在以后氧淀析熱處理中再次形成。此過程包括(ⅰ)在快速熱退火爐中、在至少1150℃的溫度、至少1000ppma的氧濃度下熱處理硅片,或者(ⅱ)在快速熱退火爐中、在至少約1150℃的溫度下熱處理硅片,然后,在硅片從熱處理的最高溫度經(jīng)過一個空位相對可移動的溫度范圍冷卻時,控制冷卻速率,以使單晶硅中的空位數(shù)密度減少到一定數(shù)值,從而即使硅片以后經(jīng)受氧淀析熱處理,硅片中也不會形成氧淀析物。
文檔編號H01L21/324GK1319253SQ99810607
公開日2001年10月24日 申請日期1999年8月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月2日
發(fā)明者羅伯特·J·福斯特 申請人:Memc電子材料有限公司