專利名稱：一種單晶硅拋光片熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶硅拋光片熱處理工藝，特別涉及一種利用快速熱處理(RTA)工藝和普通退火相結(jié)合處理單晶硅拋光片獲得潔凈區(qū)的工藝方法。
背景技術(shù)：
單晶硅片是現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路的主要襯底材料，一般通過直拉(Czochralski法，簡稱CZ法)獲得硅單晶，然后經(jīng)過切片，導(dǎo)角，磨片，腐蝕，拋光等工藝后獲得集成電路級(jí)半導(dǎo)體硅拋光片。CZ法工藝，在國內(nèi)通常被稱為直拉法，或切克勞斯基法。這種工藝是將多晶硅放入石英坩堝內(nèi)，加熱熔化，然后把一支特定晶向的硅單晶(稱為籽晶)浸入熔體硅中，緩慢提升籽晶就可以獲得單晶棒。由于硅的熔點(diǎn)(1420℃)附近，石英坩堝會(huì)分解，使得熔體硅受到各種外來物質(zhì)的沾污，這些沾污的物質(zhì)主要是氧。在拉晶過程中，氧會(huì)進(jìn)入單晶內(nèi)部，處于間隙位置。由于氧在硅中的溶解度隨溫度的下降而急劇的降低。所以，通過CZ法拉制出來的硅單晶，內(nèi)部的氧都一般都處于過飽和態(tài)。
CZ法拉制的硅單晶一般的氧雜質(zhì)含量在5×1017atom/cm3到9×1017atom/cm3之間，處于晶格的間隙位置。當(dāng)單晶生成后，在1420℃到750℃的溫度區(qū)間冷卻過程中，氧沉淀會(huì)在單晶內(nèi)部成核。通過不超過1300℃的熱處理就會(huì)使得初始沉淀成核消失。但是在1000～700℃的溫度范圍內(nèi)處理硅片，硅片內(nèi)氧沉淀成核就會(huì)被穩(wěn)定下來，長時(shí)間保溫可以使這些氧沉淀成核長大，形成氧沉淀。一般認(rèn)為氧沉淀的基本單元為SiOx(x≈2)，其體積要增大。所以氧沉淀核心的形成和生長需要克服很大的應(yīng)變應(yīng)力?？瘴辉诟邷啬軌蚩焖贁U(kuò)散，緩解氧沉淀在形核過程中導(dǎo)致的晶格畸變或者形成O-V和O2V的復(fù)合體促進(jìn)氧沉淀的形核長大。因此空位會(huì)增進(jìn)氧的沉淀。相反地，自間隙原子的存在會(huì)抑制氧沉淀的形成。
在器件制造中引入的熱處理工藝導(dǎo)致硅片中氧的聚集，最終生成氧沉淀。硅片中的氧沉淀有雙重作用處于器件工作區(qū)的氧沉淀會(huì)導(dǎo)致器件失效，如柵氧化層的擊穿，形成結(jié)漏電電流等；而處于非器件工作區(qū)的氧沉淀會(huì)作為吸雜中心，俘獲器件制造中引入的有害的過渡族金屬雜質(zhì)。
在IC制作過程中，硅片的加工工藝日益復(fù)雜，在工藝過程中會(huì)引入很多金屬雜質(zhì)。已經(jīng)證實(shí)快速擴(kuò)散的過渡金屬(如Fe，Cu，Ni等)，能夠在硅片內(nèi)部成核，或者進(jìn)入晶體缺陷形成深能級(jí)缺陷。這些金屬以及形成的缺陷會(huì)產(chǎn)生漏電電流、降低少子壽命、導(dǎo)致SiO2膜擊穿和影響MOSFET的C-t特性。所以超大規(guī)模集成電路制造要求極其努力地降低工藝過程中引入的金屬沾污。
內(nèi)吸雜技術(shù)是一種有效地從有源器件區(qū)移走過渡族金屬的吸雜技術(shù)。它是利用氧沉淀的雙重性質(zhì)和金屬擴(kuò)散速度快的性質(zhì)，通過熱處理工藝在硅片體內(nèi)形成足夠密度的氧沉淀，作為金屬雜質(zhì)的俘獲中心；而在器件工作區(qū)域內(nèi)通過抑制氧沉淀形核長大，使得器件工作區(qū)內(nèi)形成沒有氧沉淀的潔凈區(qū)。在器件工藝完成后，通過高溫退火(1000℃左右的退火)處理晶圓，使得金屬沾污迅速向硅片體內(nèi)擴(kuò)散，在氧沉淀附近被固定。
衡量內(nèi)吸除工藝好壞的關(guān)鍵參數(shù)在于潔凈區(qū)的厚度和氧沉淀密度。一般希望潔凈區(qū)較薄(比器件工作區(qū)厚10～20微米)，同時(shí)潔凈區(qū)下面的氧沉淀要足夠的高。
常規(guī)的內(nèi)吸除工藝是三步退火法第一步.高溫退火，使得表面區(qū)域內(nèi)氧發(fā)生外擴(kuò)散。退火溫度約為1100～1150℃第二步.氧沉淀形核熱處理。通過低溫(600～800℃)下的熱處理，使得過飽和間隙氧發(fā)生氧沉淀形核；第三步.氧沉淀長大。通過在高溫(1000～1150℃)下的熱處理，氧沉淀形核開始長大形成吸除陷阱，并在硅片表面區(qū)域形成潔凈區(qū)。
這種傳統(tǒng)的退火方法有著嚴(yán)重的缺陷，主要表現(xiàn)在潔凈區(qū)厚度對(duì)初始氧依賴程度大。由于單晶拉制條件的限制，獲得的單晶沿軸向的氧含量分布不均勻，一般在單晶的頭部氧含量比較高，在中部比較低，尾部有開始升高，加上熱場(chǎng)的影響，使得同一單晶上獲得的硅片的氧含量有差異，氧沉淀成核也不一致。而傳統(tǒng)的退火方法一般會(huì)大批次(如100片/批)進(jìn)行熱處理，這樣帶來的嚴(yán)重的問題就是，由于氧含量和氧沉淀形核狀態(tài)的不同，將導(dǎo)致該批在氧外擴(kuò)散工藝中氧外擴(kuò)散的深度不一致，最終結(jié)凈區(qū)的厚度不一樣。其次該工藝強(qiáng)烈依賴硅片中的初始氧濃度，對(duì)于氧濃度較低的硅片很難形成足夠的吸雜中心。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠獲得高的氧沉淀密度和寬的潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案達(dá)到的第一步工藝就是對(duì)硅片進(jìn)行快速熱處理，該步驟工藝可以在任何商用的RTP退火爐中進(jìn)行。RTP退火爐是使用鹵素?zé)艏訜?，能夠使得硅片迅速加熱到設(shè)定溫度，加熱的最高溫度一般為1250℃。在該步工藝中，采用氨氣作為保護(hù)氣氛。讓硅片在1200℃保溫5～40秒后，快速降溫。降溫速率保持在20～100℃/S?？焖偻嘶鹨话悴捎脝纹嘶鸸に?，每片硅片的處理時(shí)間約為4分鐘左右。
使用快速熱處理工藝的目的主要有兩條。首先是消除初始熱歷史導(dǎo)致的氧沉淀形核，尤其是消除表面區(qū)10μm～100μm范圍內(nèi)的氧沉淀核心。如果這些氧沉淀的初始形核不能夠被消除的話，在后序的熱處理工藝中這些氧沉淀初始形核會(huì)在表面長大，導(dǎo)致潔凈區(qū)形成困難。其次，獲得高濃度的過飽和空位。由于氨氣在高溫下能夠分解，會(huì)生成部分的游離氮原子。游離態(tài)的氮原子能夠和硅片反應(yīng)，在硅片表面發(fā)生不完全氮化，使得硅片表面會(huì)發(fā)生氮化生成氮化硅(Si3N4)。氮化硅的生成使得在氮化硅和硅的界面處形成大量空位。在1200℃時(shí)空位可以迅速擴(kuò)散到達(dá)硅片內(nèi)部。同時(shí)根據(jù)Schottky和Frenkel機(jī)制，硅片中形成大量的自間隙原子和空位。在這個(gè)過程中，空位不斷的向內(nèi)部擴(kuò)散，同時(shí)還自間隙原子復(fù)合，在最終形成了圖1所示的空位分布。
工藝的第二步為氧化退火工藝，與快速退火工藝不同的是該步工藝在臥式爐內(nèi)進(jìn)行，為批處理工藝。退火溫度在850～950℃之間最佳。退火氣氛為含氧氣氛，氧氣的比例不低于40％，處理時(shí)間為10到60分鐘。
硅片在含氧氣氛下退火會(huì)發(fā)生表面氧化。形成一層氧化硅膜。在形成氧化膜的過程中，在Si-SiO2的界面處，由于硅的不完全氧化，能夠在界面處生成大量自間隙硅原子，這樣將導(dǎo)致自間隙原子向晶體內(nèi)部的注入。和表層區(qū)域的空位發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致將來形成潔凈區(qū)。
提高退火溫度、保溫時(shí)間、氧氣分壓，則可以導(dǎo)致潔凈區(qū)變寬，反之變窄。
第三步退火工藝，即氧沉淀成核長大工藝。就是讓硅片在800℃保溫4小時(shí)，在低溫階段(800℃)氧沉淀開始成核。
第四步.氧沉淀長大。通過在高溫(900～1000℃)下的熱處理，氧沉淀成核開始長大形成吸雜陷阱。并在硅片表面區(qū)域形成潔凈區(qū)。處理時(shí)間為4小時(shí)，氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛。該退火工藝一般由器件廠家在器件制造工藝中實(shí)施。
確定工藝性能好壞的參數(shù)主要有潔凈區(qū)的厚度，體內(nèi)氧沉淀的密度?，F(xiàn)代器件工藝希望獲得較薄的潔凈區(qū)，同時(shí)希望有足夠的氧沉淀來充當(dāng)吸雜中心。具體的工藝性能參數(shù)的檢測(cè)方法是在第四步退火后，在將硅片沿(111)或(100)晶面解理，然后由wright腐蝕液腐蝕5分鐘；再由去離子水漂洗、吹干后即刻用金相顯微鏡觀測(cè)。根據(jù)顯微鏡內(nèi)的標(biāo)尺，可以測(cè)出潔凈區(qū)的厚度。通過目測(cè)視場(chǎng)內(nèi)氧沉淀的數(shù)量，可以獲得氧沉淀密度。
第二步工藝在潔凈區(qū)的形成過程中起著關(guān)鍵作用，對(duì)沒有進(jìn)行第二步處理的硅片解理、腐蝕后，在金相顯微鏡下觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)解理面上氧沉淀密度很高但是沒有潔凈區(qū)生成。
快速退火和氧化退火是決定氧沉淀密度和潔凈區(qū)厚度的決定性工藝。對(duì)比不同工藝條件下獲得的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)提高快速退火保溫溫度、保溫時(shí)間、降溫速率將會(huì)獲得較高的氧沉淀密度。提高氧化退火的溫度、保溫時(shí)間、氧氣分壓可以使得潔凈區(qū)變寬。
現(xiàn)代硅片生產(chǎn)工藝一般要經(jīng)歷以下步驟單晶拉制-單晶滾磨-切片-導(dǎo)角-磨片-腐蝕-熱施主消除退火-拋光-清洗-封裝。本發(fā)明對(duì)硅片制造工藝非常實(shí)用，使用本發(fā)明可以替代熱施主消除退火，即在拋光工藝過后實(shí)施快速退火處理。使用本發(fā)明后硅片制造工藝改為單晶拉制-滾磨-切片-導(dǎo)角-磨片-腐蝕-粗拋光-快速退火-氧化退火-清洗-精拋光-清洗-封裝。
在本發(fā)明中提出使用氨氣氣氛作為快速退火的保護(hù)氣體，以求在整個(gè)硅片內(nèi)部獲得較高的空位濃度(高的空位濃度將導(dǎo)致高的氧沉淀密度)；同時(shí)在快速退火工藝后引入了950℃的氧化退火，通過氧化硅片表面，達(dá)到自間隙硅原子注入的目的。通過注入的自間隙原子抵消表層區(qū)域內(nèi)的空位濃度，使得表層空位濃度降低。氧沉淀成核長大的工藝是在950℃退火處理后進(jìn)行的，工藝參數(shù)和常規(guī)退火一致(800℃保溫4小時(shí)，1000℃保溫16小時(shí))。在800℃成核工藝中，由于表層區(qū)域自間隙原子的注入，空位濃度降低，抑制了自間隙氧原子的聚集成核，隨后形成潔凈區(qū)。
本發(fā)明工藝為快速退火和常規(guī)退火相結(jié)合獲得氧沉淀初始核心的分布通過快速退火注入空位保證最終獲得很高的氧沉淀密度；通過氧化退火注入自間隙硅原子，中和表層空位，抑制表層氧沉淀形成氧沉淀，最終保證表層有潔凈區(qū)的生成。
下面通過附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋和說明，并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。


圖1.為快速退火和氧化退火后空位在硅片內(nèi)部的分布圖。
圖2a.為無氧化退火的硅片解理面的腐蝕圖。
圖2b.有氧化退火的硅片解理面的腐蝕圖。
圖3.為氧化退火對(duì)潔凈區(qū)厚度的影響曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例在氨氣氣氛下，對(duì)硅片進(jìn)行RTA處理工藝，然后對(duì)硅片進(jìn)行氧化退火。在其它工藝條件都相同的情況下，改變氧化退火的時(shí)間，最后對(duì)硅片進(jìn)行800℃保溫4小時(shí)，1000℃保溫16小時(shí)的熱處理工藝生成氧沉淀并獲得潔凈區(qū)并對(duì)之分析。具體工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
可以看到潔凈區(qū)厚度隨著氧化退火時(shí)間增加而增加。沒有氧化退火處理過的硅片沒有出現(xiàn)潔凈區(qū)，但是腐蝕的解理面上有很高的氧沉淀密度。
表1

如圖1、2、3所示，圖1為快速退火和氧化退火后空位在硅片內(nèi)部的分布示意圖，由圖可知在快速退火過程中，空位被大量注入且在快速冷卻時(shí)保留在硅片內(nèi)部。并且空位在硅片內(nèi)部保持均勻分布；經(jīng)過氧化退火后，部分自間隙硅原子有表面向硅片表層注入中和了硅片表層中的空位，使得硅片表層的空位濃度較低在隨后退火中被中和的區(qū)域不會(huì)有氧沉淀生成，形成潔凈區(qū)。圖2a為無氧化退火的硅片解理面的腐蝕圖，圖2b為有氧化退火的硅片解理面的腐蝕圖，由圖可知，本發(fā)明工藝中快速退火和氧化退火缺一不可。圖3為氧化退火對(duì)潔凈區(qū)厚度的影響曲線，增加氧化退火時(shí)間使得潔凈區(qū)變寬。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)硅片獲得潔凈區(qū)的熱處理工藝，其步驟如下第一步，對(duì)硅片進(jìn)行快速熱處理；第二步，氧化退火工藝；第三步，退火工藝；第四步，氧沉淀長大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片快速熱處理工藝，其特征在于所述的第一步在任何商用的快速退火爐中進(jìn)行，采用氨氣作為保護(hù)氣氛，加熱的最高溫度為1250～1150℃，硅片在該溫度保溫時(shí)間為5～40秒，降溫速率保持在20～100℃/S；所述第二步的氧化退火工藝，為批處理工藝，退火溫度為850～950℃之間，退火氣氛為含氧氣氛，氧氣的比例不低于40％，處理時(shí)間為10～120分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片快速熱處理工藝，其特征在于所述第一步中的降溫速率為50～90℃/S，純氨氣氣氛；所述第二步的含氧氣份中氧氣的比例不低于50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片熱處理工藝處理的硅片，潔凈區(qū)厚度為5～40μm，氧沉淀密度為6～9×106個(gè)/cm2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)硅片獲得潔凈區(qū)的熱處理工藝，其步驟如下第一步，對(duì)硅片進(jìn)行快速熱處理；第二步，氧化退火工藝；第三步，退火工藝；第四步，氧沉淀長大。本發(fā)明工藝為快速退火和常規(guī)退火相結(jié)合獲得氧沉淀初始核心的分布通過快速退火注入空位保證最終獲得很高的氧沉淀密度；通過氧化退火注入自間隙硅原子，中和表層空位，抑制表層氧沉淀形成氧沉淀，最終保證表層有潔凈區(qū)的生成。
文檔編號(hào)C30B33/00GK1769549SQ200410088609
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者馮泉林, 周旗鋼, 屠海令, 王敬, 劉斌, 萬關(guān)良, 張果虎 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司