專利名稱：快速熱退火以及由其制造的硅晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子制造方法和裝置，具體地涉及硅錠的制造方法，以及籍此制造的硅錠和晶片。
背景技術(shù)：
作為制造半導(dǎo)體器件起始材料的單晶硅通過被稱之為Czochralski(CZ)技術(shù)(直拉技術(shù))的晶體生長技術(shù)生長成圓柱錠。單晶硅錠通過諸如切片、刻蝕、清洗、拋光等的一系列晶圓加工工藝而被加工成晶圓。根據(jù)CZ技術(shù)，單晶硅的籽晶被浸入熔融硅中，并向上拉，于是熔融硅通過緩慢的提拉而生長成單晶錠。熔融硅裝在石英坩堝內(nèi)，并被多種雜質(zhì)污染，其中一種是氧。在硅的熔融溫度下，氧滲入晶格，直到其達(dá)到一預(yù)定濃度，該濃度一般由硅熔融溫度下硅中氧的溶解度和凝固硅中氧的實(shí)際偏析系數(shù)確定。晶體生長過程中滲入硅錠中的氧的濃度大于半導(dǎo)體器件制造中所用的典型溫度下凝固硅中氧的溶解度。隨著晶體從熔融硅中生長并冷卻，其中的氧溶解度迅速降低，籍此，氧在冷卻的硅錠中飽和。
硅錠被切割成晶片。晶片中殘留的間隙氧在后續(xù)熱過程中生長成氧淀析。器件有源區(qū)中氧淀析的出現(xiàn)可以降低柵極氧化物的完整性，并且/或者導(dǎo)致不必要的襯底漏電流。然而，如果它們?cè)谄骷性磪^(qū)外(即體區(qū))出現(xiàn)，則它們可以吸除器件加工中出現(xiàn)的金屬雜質(zhì)。這個(gè)所需作用被稱為吸除作用。
圖1是傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的剖視圖。參照?qǐng)D1，當(dāng)晶片表面上的氧淀析存在于溝道區(qū)中時(shí)，用于將柵電極18與硅襯底10電絕緣的柵極絕緣層16可能被擊穿，該溝道區(qū)位于半導(dǎo)體器件的形成在硅襯底10的表面附近的源極區(qū)12和漏極區(qū)14之間的有源區(qū)上。此外，使用MOSFET的存儲(chǔ)器件的刷新特性可能降低。
另外，形成在晶片體區(qū)10a中的氧淀析可以充當(dāng)漏電源，并可作為內(nèi)部吸除位，氧淀析通過后續(xù)熱處理產(chǎn)生，內(nèi)部吸除位能在后續(xù)半導(dǎo)體器件制造過程中俘獲不利的金屬污染物。于是，當(dāng)硅錠中的氧濃度高時(shí)，充當(dāng)內(nèi)部吸除位的氧淀析濃度能增加，使得吸除能力提高。然而，如果氧濃度不足，則氧淀析可能不在體區(qū)中產(chǎn)生，使得吸除能力可能降低或可能根本不存在。于是，需要適當(dāng)控制分布在晶片體區(qū)中的氧淀析量。
在通過傳統(tǒng)晶體生長和制片工藝獲得的晶片中，氧淀析分布在整個(gè)晶片中，從頂(前側(cè))表面到底(背側(cè))表面。通常，脊區(qū)(Denuded Zone)(DZ)10b應(yīng)當(dāng)制備為從頂面到預(yù)定深度，該區(qū)沒有D-缺陷(空位團(tuán))、位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)和氧淀析。然而，通過傳統(tǒng)方法制造的晶片可以在晶片表面附近產(chǎn)生氧淀析，該氧淀析可以充當(dāng)漏電流的源。
于是，為了形成晶片體區(qū)中的內(nèi)部吸除位和晶片表面附近的足夠DZ區(qū)，具有高氧濃度的晶片可以通過在高和低水平之間改變溫度而得以長時(shí)間熱處理，使得氧淀析可以在晶片的體區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，該濃度例如是每百萬原子(ppma)13份或更大的起始氧濃度。然而，難以獲得足夠的DZ，這是因?yàn)镈Z可以強(qiáng)烈地依賴于間隙氧的外擴(kuò)散。在通過這種傳統(tǒng)技術(shù)熱處理的半導(dǎo)體晶片中，在從晶片頂面到底面的整個(gè)晶片中的氧淀析濃度分布可以示于圖2。
具體地，長時(shí)間進(jìn)行額外高溫?zé)崽幚淼膫鹘y(tǒng)技術(shù)會(huì)降低器件的特性。例如，在晶片中可能出現(xiàn)滑移或翹曲。此外，制造成本會(huì)增加。此外，在此情形下，在體區(qū)中被氧淀析捕獲的金屬污染物，具體地是鐵(Fe)，可以通過后續(xù)工藝而釋放到DZ內(nèi)，使得釋放的污染物可以作為漏電源。
圖3是說明通過另一傳統(tǒng)方法制造的晶片的重新繪制的氧淀析濃度分布的曲線圖，該曲線在美國專利第5,401,669號(hào)的圖1A中得以公布。具體地，圖3是晶片的相對(duì)于晶片深度的氧淀析濃度分布，這來自氮?dú)夥罩袑?duì)晶片的快速熱退火工藝，并使晶片經(jīng)受后續(xù)的熱處理。然而，如在圖3中可以看到的那樣，晶片表面附近的DZ或體區(qū)中足夠的氧淀析都不能通過此傳統(tǒng)方法獲得。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例制備了一種硅晶片，該晶片具有可用作內(nèi)吸除位的氧淀析的受控垂直分布。具體地，從可以形成半導(dǎo)體器件的有源區(qū)的頂面到硅晶片的底面的氧淀析濃度分布包括分別在距晶片的頂面和底面第一和第二預(yù)定深度處的第一和第二峰。此外，脊區(qū)(DZ)包括在晶片的頂面和第一峰之間以及晶片的底面和第二峰之間。氧淀析濃度分布還在第一和第二峰之間具有凹陷區(qū)，該區(qū)對(duì)應(yīng)于晶片的體區(qū)。
另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，晶片底面和第二峰之間的脊區(qū)在其中包括至少一個(gè)滑移位錯(cuò)區(qū)，然而，晶片頂面和第一峰之間的脊區(qū)在其中沒有滑移位錯(cuò)區(qū)。在另外的實(shí)施例中，硅晶片還在脊區(qū)中包括多個(gè)淺槽隔離(STI)區(qū)，該脊區(qū)在晶片頂面和第一峰之間，且不具有STI滑移。在再一些實(shí)施例中，氧淀析濃度分布包括第一和第二峰、脊區(qū)和第一與第二峰之間的凹陷區(qū)，如上所述。多個(gè)STI區(qū)包括在晶片頂面和鄰近STI區(qū)的第一峰之間的脊區(qū)中，與圖2中的氧淀析遠(yuǎn)離STI區(qū)而出現(xiàn)的硅晶片中的相同STI區(qū)相比，該STI區(qū)包括較少的STI滑移。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，氧淀析濃度分布相對(duì)于硅晶片的中心面對(duì)稱，該中心面居中位于頂面和底面之間。于是，例如，第一和第二預(yù)定深度時(shí)相同的。然而，在其它實(shí)施例中，該分布沒有必要對(duì)稱，使得例如對(duì)第一和第二峰可以形成不同深度。此外，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，脊區(qū)的深度在離硅晶片的每個(gè)表面約5μm至約40μm的范圍內(nèi)，使得半導(dǎo)體器件的有源區(qū)形成至足夠深度。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，第一和第二峰的氧淀析濃度至少是約1×109cm-3，且第一和第二峰之間的體區(qū)內(nèi)的氧淀析濃度至少是約1×108cm-3。在其它實(shí)施例中，凹陷區(qū)內(nèi)的最低氧淀析濃度至少比第一和第二峰中的最高氧淀析濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的硅晶片包括氧淀析形核中心的受控分布，例如空位，該中心經(jīng)過后續(xù)熱處理能產(chǎn)生如上所述的氧淀析濃度分布。空位濃度分布包括在分別距晶片頂面和底面第一和第二預(yù)定深度處的第一和第二峰。此外，在晶片頂面和第一峰之間以及晶片底面和第二峰之間，空位濃度保留在預(yù)定濃度，該預(yù)定濃度低于形成DZ的臨界濃度。空位濃度分布在第一和第二峰之間具有凹陷區(qū)。在一些實(shí)施例中，晶片底面和第二峰之間的脊區(qū)在其中包括至少一個(gè)滑移區(qū)，但是在晶片頂面和第一峰之間的脊區(qū)在其中不包含滑移位錯(cuò)。在其它實(shí)施例中，多個(gè)STI區(qū)包括在晶片頂面和第一峰之間的脊區(qū)內(nèi)，并且與不包括如上所述的氧淀析形核中心的硅晶片中相同的STI區(qū)相比具有較少的STI滑移?？梢垣@得對(duì)稱的或非對(duì)稱的分布。
根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施例，在氣體混合物氣氛中并在約1100℃和約1200℃之間對(duì)硅晶片進(jìn)行快速熱退火(RTA)，以形成形核中心，該氣體混合物包括在硅晶片的頂面和底面上具有空位注入效應(yīng)的氣體和具有間隙硅注入效應(yīng)的氣體，該形核中心在后續(xù)熱處理過程中作為氧淀析生長位置，使得從晶片頂面到底面的形核中心濃度分布分別在距晶片頂面和底面第一和第二預(yù)定深度處包括第一和第二峰。此外，在晶片頂面和第一峰之間以及晶片底面和第二峰之間，形核中心濃度保持預(yù)定濃度，此濃度低于形成DZ的臨界濃度。最后，形核中心分布在第一和第二峰之間具有凹陷區(qū)，該區(qū)對(duì)應(yīng)晶片的體區(qū)。可以獲得對(duì)稱或非對(duì)稱分布。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，在包括氨氣(NH3)和氬氣(Ar)的氣體混合物氣氛中對(duì)硅晶片進(jìn)行RTA，以產(chǎn)生在后續(xù)熱處理過程中作為氧淀析生長位置的形核中心，使得從晶片頂面到底面的形核中心濃度分布可以如上所述的一樣。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，RTA在約1100℃和1150℃之間進(jìn)行。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，RTA在約1120℃的溫度進(jìn)行。在其它實(shí)施例中，RTA進(jìn)行至少約5秒。在其它實(shí)施例中，RTA通過以約每秒50℃的速度快速加熱包括氨氣和氬氣的氣氛來進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的再一些方法實(shí)施例，硅晶片通過在包括氬氣和氨氣的氣氛中并在約1100℃和約1200℃之間在具有頂面和底面的硅晶片上進(jìn)行RTA約5秒鐘而制造。在其它實(shí)施例中，RTA在約1100℃和約1150℃之間進(jìn)行。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，RTA在約1120℃進(jìn)行。在其它實(shí)施例中，在進(jìn)行RTA之前，氧氣被從氣氛中清除，且可以進(jìn)行測量以確定氣氛中存在低于預(yù)定濃度的氧。此外，在其它實(shí)施例中，在進(jìn)行RTA前，氣氛的加熱以約每秒50℃的速度從例如約800℃升高到約1100℃與約1150℃之間。另外，在進(jìn)行了RTA之后，加熱可以通過約每秒10℃和約每秒70℃之間的速度例如降低至約800℃。在其它實(shí)施例中，在降低加熱后，可以從氣氛中除去氨氣。
根據(jù)本發(fā)明的其它方法實(shí)施例，通過在包括氬氣和氨氣的氣氛中并在低于一溫度下，在RTA室中在一系列硅晶片上連續(xù)進(jìn)行RTA而制造多個(gè)硅晶片，該溫度導(dǎo)致二氧化硅自RTA室上的該系列硅晶片升華。RTA可以在上述的任何條件下進(jìn)行。在其它實(shí)施例中，可以在不清潔二氧化硅的RTA室的情況下連續(xù)加工硅晶片達(dá)6個(gè)月或更久。
根據(jù)其它方法實(shí)施例，熱處理可以在RTA之后進(jìn)行，以產(chǎn)生從晶片頂面到底面的氧淀析濃度分布，該曲線包括分別距晶片頂面和底面第一和第二預(yù)定深度處的第一和第二峰、晶片頂面和第一峰之間以及晶片底面和第二峰之間的DZ，以及第一和第二峰之間的凹陷區(qū)?？梢垣@得對(duì)稱或非對(duì)稱的分布曲線。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，經(jīng)歷根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝的硅晶片可以用硅錠制造，該硅錠根據(jù)硅錠提拉速率曲線從熱區(qū)爐內(nèi)的熔融硅中拉出，其中，硅錠的提拉速率足夠高，以便防止間隙團(tuán)聚的形成，但又足夠低，以防止間隙團(tuán)聚的形成，并防止空位團(tuán)聚的形成。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，經(jīng)歷根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝的硅晶片可以用硅錠制造，該硅錠根據(jù)硅錠提拉速率曲線從熱區(qū)爐中的熔融硅中拉出，其中，硅錠的提拉速率足夠高，使得在不形成間隙團(tuán)聚的情況下在硅錠的整個(gè)直徑范圍內(nèi)形成空位團(tuán)聚。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，用于生長單晶硅錠的Czochralski拉晶設(shè)備包括加熱室殼、加熱室殼內(nèi)用于裝盛熔融硅的坩堝、加熱室殼內(nèi)坩堝附近用以夾持籽晶的籽晶夾具以及加熱室殼內(nèi)環(huán)繞坩堝的加熱器。還在加熱室殼內(nèi)設(shè)置環(huán)形的熱屏蔽護(hù)套，該護(hù)套包括彼此分離的內(nèi)和外熱屏蔽護(hù)套壁，以及連接內(nèi)和外熱屏蔽護(hù)套壁的熱屏蔽護(hù)套頂和熱屏蔽護(hù)套底，熱屏蔽護(hù)套頂從內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁到外熱屏蔽護(hù)套壁向上傾斜，而熱屏蔽護(hù)套底從內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁到外熱屏蔽護(hù)套壁向下傾斜。環(huán)形熱屏蔽護(hù)套還在其中在外屏蔽護(hù)套壁與熱屏蔽護(hù)套底的相交處包括切口。在坩堝內(nèi)，支撐元件支撐熱屏蔽護(hù)套。
根據(jù)其它實(shí)施例，熱屏蔽護(hù)套底包括內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁附近的第一部分，該部分從內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁向外熱屏蔽護(hù)套壁向下傾斜。熱屏蔽護(hù)套底還包括外熱屏蔽護(hù)套壁附近的第二部分，該部分從外熱屏蔽護(hù)套壁向內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁向下傾斜。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的Czochralski拉晶設(shè)備還將籽晶夾具從坩堝內(nèi)拉出，以將熔融硅生長成圓柱形單晶硅錠，該硅錠沿其中心軸并繞該軸生長成圓柱形，并與熔融硅形成硅錠-熔融硅界面。熱屏蔽護(hù)套的內(nèi)和外熱屏蔽護(hù)套壁的長度、熱屏蔽護(hù)套頂和第一及第二部分的傾斜角、硅錠與內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁之間的距離、坩堝與外熱屏蔽護(hù)套壁之間的距離、熔融硅與內(nèi)熱屏蔽護(hù)套壁之間的距離，以及熱屏蔽板的位置中的至少一個(gè)被選擇，使得被提拉的硅錠基于其中心的硅錠溫度以至少1.4°K/min的速率從硅錠-熔融硅界面的溫度冷卻到硅錠的預(yù)定溫度。


圖1是剖視圖，顯示形成在硅晶片表面附近的傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的結(jié)構(gòu)；圖2是說明傳統(tǒng)晶片的氧淀析濃度分布的曲線圖；圖3是說明另一傳統(tǒng)晶片的氧淀析濃度分布的曲線圖；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的氧淀析濃度分布；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的快速熱退火(RTA)工藝的時(shí)序圖；圖6顯示在氮?dú)?N2)氣氛中進(jìn)行圖5所示的RTA工藝后，相對(duì)于晶片深度的點(diǎn)缺陷濃度分布；圖7顯示在氬氣(Ar)氣氛中進(jìn)行圖5所示的RTA工藝后，相對(duì)于晶片深度的點(diǎn)缺陷濃度分布；圖8顯示在氫氣(H2)氣氛中進(jìn)行圖5所示的RTA工藝后，相對(duì)于晶片深度的點(diǎn)缺陷濃度分布；圖9顯示了圖5的RTA工藝后相對(duì)于包括N2氣和Ar氣的氣體混合物的各種混合比的空位濃度分布；圖10顯示了在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后，通過后續(xù)熱處理獲得的相對(duì)于在RTA過程中所用的氣體種類的氧淀析濃度分布；圖11是說明硅晶片表面附近晶體起始淀析(COP)隨圖5的RTA在Ar氣氛內(nèi)的進(jìn)行而溶解的曲線圖；
圖12是顯示晶片氧淀析分布的照片，該晶片在N2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖13是顯示晶片氧淀析分布的照片，該晶片在Ar氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖14是顯示晶片氧淀析分布的照片，該晶片在H2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖15是顯示晶片氧淀析分布的照片，該晶片在N2和Ar氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖16是顯示晶片氧淀析分布的照片，該晶片在N2和H2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖17是顯示形成在晶片表面附近的DZ的深度的照片，該晶片在N2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖18是顯示形成在晶片表面附近的DZ的深度的照片，該晶片在Ar氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖19是顯示形成在晶片表面附近的DZ的深度的照片，該晶片在H2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖20是顯示形成在晶片表面附近的DZ的深度的照片，該晶片在N2氣和Ar氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖21是顯示形成在晶片表面附近的DZ的深度的照片，該晶片在N2氣和H2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理；圖22A是顯示原生狀態(tài)的COP形狀的照片，圖22B顯示了在N2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后已經(jīng)改變的COP的形狀；圖23A是顯示原生狀態(tài)的COP形狀的照片，圖23B顯示了在N2氣和Ar氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后已經(jīng)改變的COP的形狀；圖24A是顯示原生狀態(tài)的COP形狀的照片，圖24B顯示了在N2氣和H2氣氣氛中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后已經(jīng)改變的COP的形狀；圖25是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片制備的流程圖；圖26是說明硅錠中相對(duì)點(diǎn)缺陷分布和V/G比(硅錠的拉速/溫度梯度)之間的關(guān)系的概念圖；圖27是說明傳統(tǒng)Czochralski(CZ)拉晶設(shè)備的示意圖；圖28是根據(jù)專利申請(qǐng)第09/989,951號(hào)和第09/320,210號(hào)的另一種傳統(tǒng)CZ拉晶設(shè)備的示意圖；圖29是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CZ拉晶設(shè)備的示意圖；圖30是顯示圖29的CZ拉晶設(shè)備的主要部件的圖；圖31是顯示圖5的RTA之后的峰處氧淀析濃度相對(duì)于N2和Ar混合氣體的流速變化而變化的曲線；圖32是顯示圖5的RTA之后的峰處氧淀析濃度相對(duì)于N2和Ar混合氣體的混合比變化而變化的曲線；圖33是顯示圖5的RTA之后的峰處氧淀析濃度相對(duì)于升溫速率變化而變化的曲線；圖34是顯示圖5的RTA之后的峰處氧淀析濃度相對(duì)于退火時(shí)間變化而變化的曲線；圖35是顯示圖5的RTA之后的峰處氧淀析濃度相對(duì)于退火溫度變化而變化的曲線；圖36是顯示圖5的RTA之后的峰處氧淀析濃度相對(duì)于降溫速率變化而變化的曲線；圖37圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的快速熱退火的時(shí)間-溫度分布；圖38圖解說明圖37的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的快速熱退火的氧淀析的溫度依賴性；圖39圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧淀析的退火時(shí)間依賴性；圖40圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的快速熱退火過程中氧淀析對(duì)氬氣與氨氣的流速比的依賴性；圖41圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧淀析對(duì)降溫速率的依賴性；圖42圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為起始氧濃度函數(shù)的峰體微缺陷(BMD)密度；圖43圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片底面上的滑移長度與快速熱退火的溫度之間的關(guān)系；圖44圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的滑移長度與氬氣對(duì)氨氣比的關(guān)系；圖45圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為降溫速率的函數(shù)的滑移長度；圖46A和46B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片底部的X-射線形貌照片；圖47圖解說明填隙膜致密后，槽內(nèi)的應(yīng)力；圖48A是可以在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硅晶片中制造的場效應(yīng)晶體管器件的橫截面視圖；圖48B圖解說明圖48A的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片中氧淀析的分布；圖49示意性說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的淺槽隔離器件內(nèi)滑移的運(yùn)動(dòng)，這是槽的位錯(cuò)釘扎的結(jié)果；圖50圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的累積故障率與不具有M形氧淀析濃度分布的晶片和具有M形氧淀析濃度分布的晶片的恢復(fù)時(shí)間之間的關(guān)系；圖51是傳統(tǒng)快速熱退火系統(tǒng)的橫截面視圖；圖52是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的改進(jìn)的CZ拉晶設(shè)備的示意圖；以及圖53示出了圖52的CZ拉晶設(shè)備的改進(jìn)部件的細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)現(xiàn)，且不應(yīng)當(dāng)受限于此處提及的實(shí)施例；更確切地，這些實(shí)施例被提供來使本公開完整且全面，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中，層的厚度和區(qū)域?yàn)榱饲逦鹨姸右钥浯?。在整個(gè)公開中，相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)諸如層、區(qū)或襯底的元件被稱作在另一元件“上”時(shí)，它可以直接在該另一元件上，或者可以有間隔元件。相反地，當(dāng)一個(gè)元件被稱作“直接”在另一元件之上時(shí)，沒有間隔元件存在。另外，此處所述和所說明的每個(gè)實(shí)施例還包括其互補(bǔ)導(dǎo)電類型實(shí)施例。
圖4示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硅晶片的氧淀析濃度分布。將此分布與圖2和3所示的通過傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的硅晶片氧淀析濃度分布相比，在距離晶片的頂面和底面一預(yù)定深度范圍內(nèi)存在脊區(qū)(DZ)，且氧淀析濃度在每個(gè)DZ與體區(qū)之間的邊界上形成雙峰。此外，在雙峰之間的體區(qū)中，出現(xiàn)大量氧淀析，該氧淀析足以產(chǎn)生對(duì)金屬污染的吸除效應(yīng)。
更具體地，對(duì)于傳統(tǒng)氧淀析分布，被位于晶片中心區(qū)的單峰吸除的金屬污染物可以通過后續(xù)熱處理工藝釋放。與傳統(tǒng)分布相反，在氧淀析濃度分布中包括雙峰結(jié)構(gòu)的本發(fā)明實(shí)施例中，金屬污染物可以在晶片的表面和體區(qū)這兩個(gè)方向上釋放，使得釋放到表面的金屬污染物的量可以減少。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的快速熱退火(RTA)工藝的時(shí)序圖。可以使用商業(yè)提供的RTA爐。在RTA工藝中，首先，根據(jù)本發(fā)明的硅晶片被裝入RTA爐內(nèi)以進(jìn)行準(zhǔn)備期(I)，該爐子的溫度例如設(shè)置為約700℃。然后，RTA爐內(nèi)的溫度以例如約50℃/sec的速率快速升高到約1250℃的溫度(II)。然后，溫度維持在1250℃一預(yù)定時(shí)期，例如約10秒鐘(III)，且RTA爐的溫度以約33℃/sec的速率快速降低到準(zhǔn)備期溫度(IV)。最后，晶片從RTA爐內(nèi)取出(V)。通過圖5所示的RTA工藝實(shí)施例，氧淀析形核中心的分布可以得以控制，且出現(xiàn)在晶片表面附近的晶體起始淀析(COP)的空位可以被溶解，這將在以后參照?qǐng)D11說明。
圖5的工藝溫度范圍僅是說明性的。然而，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA中，環(huán)境氣體的種類、環(huán)境氣體的流速、環(huán)境氣體的混合比率、升溫速率、退火溫度、退火時(shí)間和/或降溫速率(即冷卻速率)全都對(duì)獲得相應(yīng)于圖4的分布起作用，這將在以下說明。RTA在至少約1150℃進(jìn)行至少約5秒。例如，RTA在1150℃進(jìn)行至少30秒，或在1250℃進(jìn)行至少5至10秒。另外，晶片以約至少30℃/sec的速率快速冷卻。
包括對(duì)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(shí)施例的RTA的氣體。在一些實(shí)施例中，氮(N2)氣用作具有空位注入效應(yīng)的氣體，而氬(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8說明了在圖5所示的RTA分別在N2、Ar和H2氣氛中進(jìn)行后，空位缺陷和間隙硅缺陷相對(duì)于晶片深度的點(diǎn)缺陷濃度分布。在圖6至8中，點(diǎn)(a)代表了在惰性氣體氣氛中進(jìn)行了RTA后空位點(diǎn)缺陷的濃度分布，點(diǎn)(b)和(c)分別代表了在相應(yīng)氣體環(huán)境中進(jìn)行了RTA后空位和間隙點(diǎn)缺陷的濃度分布。
如圖6至8的實(shí)施例所示，在惰性氣體氣氛中進(jìn)行了RTA之后的空位點(diǎn)缺陷濃度((a)代表的凸曲線)在晶片的頂面和底面上低，而在晶片體區(qū)內(nèi)高。當(dāng)RTA爐的溫度在惰性氣體氣氛中快速升高到圖5的點(diǎn)(a)處的溫度時(shí)，以點(diǎn)缺陷形式存在于晶片內(nèi)的空位的平衡濃度增加。因?yàn)榫w區(qū)內(nèi)空位的遷移能力低，所以在體區(qū)中，空位濃度保持比平衡濃度低。然而，空位的運(yùn)動(dòng)在晶片表面附近活躍，使得晶片表面附近的空位濃度快速達(dá)到平衡濃度。另一方面，隨著RTA爐的溫度迅速提高，以及空位濃度的增加，間隙硅的平衡濃度例如通過空位和間隙硅之間的富蘭克爾復(fù)合而降低。此外，因?yàn)榫w區(qū)中出現(xiàn)的間隙的遷移能力低，類似其中的空位，所以體區(qū)中的間隙濃度仍然高于平衡濃度。然而，晶片附近的間隙濃度達(dá)到平衡濃度，晶片表面的空位濃度也這樣。
當(dāng)晶片保持在高溫一直到圖5的點(diǎn)(b)的時(shí)期，擴(kuò)散發(fā)生，使得空位和間隙均達(dá)到平衡濃度。在晶片快速冷卻到圖5的點(diǎn)(c)的溫度后，具有大擴(kuò)散系數(shù)的間隙點(diǎn)缺陷在降低的溫度下達(dá)到新平衡濃度。然而，具有小擴(kuò)散系數(shù)的空位點(diǎn)缺陷在晶片中變成過飽和。具體地，空位過飽和的程度在晶片體區(qū)內(nèi)較高。然而，因?yàn)榫砻娓浇瘴坏倪w移能力強(qiáng)，所以空位點(diǎn)缺陷的濃度在下降的溫度下立即達(dá)到新的平衡濃度。
于是，在惰性氣氛內(nèi)進(jìn)行RTA后的空位濃度分布具有如圖6至8所示的凸形狀。
此外，如圖6所示，在圖5的RTA在N2氣氣氛中進(jìn)行的情況下，滲入到晶片體區(qū)內(nèi)的N2氣與空位硅結(jié)合，形成更小尺寸的氮化硅(Si3N4)，使得體區(qū)內(nèi)空位濃度降低。同時(shí)，晶片表面附近空位濃度因N2氣的空位注入效應(yīng)而增加。結(jié)果，N2氣氛中的空位濃度分布具有與惰性氣氛中制造的晶片的相反的形狀(“b”表示的曲線)。
此外，當(dāng)圖5的RTA工藝分別在Ar和H2氣氣氛中進(jìn)行時(shí)，如圖7和8所示，空位濃度因間隙硅注入效應(yīng)而在整個(gè)晶片中降低。具體地，因?yàn)榭瘴还韬烷g隙硅的復(fù)合因所用氣體的間隙硅注入效應(yīng)而在晶片表面附近迅速發(fā)生，所以空位濃度可以維持在一臨界濃度，該濃度是特定溫度下的平衡濃度。
在本發(fā)明實(shí)施例中，圖5的RTA在例如N2和Ar氣或N2和H2氣的氣體混合物氣氛中進(jìn)行，于是氣體混合物氣氛中的空位濃度分布可以通過將圖6和7的，以及圖6和8的分布結(jié)合而獲得。如圖9所示，在氣體混合物氣氛中制造的晶片的空位濃度分布在距離硅晶片的頂面和底面預(yù)定深度的位置上呈現(xiàn)出第一和第二峰。此外，可以注意到，從頂面和底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體區(qū)內(nèi)，空位濃度分布具有凹形。
圖9的空位濃度分布可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例獲得，因?yàn)閳D5的RTA工藝在包括提供空位和間隙硅注入效應(yīng)的氣體混合物氣氛中進(jìn)行。使用對(duì)數(shù)刻度，將在N2氣氣氛中由空位硅注入效應(yīng)獲得的空位硅濃度分布與在Ar或H2氣氣氛中由間隙硅注入效應(yīng)獲得的間隙硅濃度分布相比，在從晶片頂面和底面到預(yù)定深度的范圍內(nèi)，空位硅濃度的分布沒有間隙硅濃度的分布那么陡。然而，從預(yù)定深度到體區(qū)，空位硅濃度分布變得比間隙硅濃度分布陡。于是，在晶片頂面和底面附近的脊區(qū)內(nèi)，空位硅濃度通過與間隙硅復(fù)合而保持在臨界值，或低于臨界值，即小于或等于特定溫度的平衡濃度值。在脊區(qū)以外，空位硅濃度迅速增加到等于或高于平衡濃度值。然后，在晶片的一深度處，空位和間隙硅濃度值之間的差在該處達(dá)到最大值，即空位硅濃度分布在該處變得比間隙硅濃度更陡，形成峰(第一和第二峰)。峰以外到體區(qū)，空位硅濃度降低，使得在第一和第二峰之間獲得凹陷空位濃度分布。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，晶片的空位點(diǎn)缺陷通過后續(xù)半導(dǎo)體器件制造的熱工藝循環(huán)產(chǎn)生氧淀析。也即，空位點(diǎn)缺陷變成通過后續(xù)熱工藝循環(huán)形成的氧淀析的形核中心。空位濃度越高，氧淀析濃度越高。于是，氧淀析濃度分布可以從晶片的空位濃度分布推得。
空位濃度和氧淀析濃度具有以下關(guān)系
此關(guān)系表達(dá)式說明，空位硅濃度(Vsi)和間隙氧濃度(Oi)增加，反應(yīng)向右邊進(jìn)行，使得氧淀析濃度增加。在以上關(guān)系表達(dá)式中，σ是常數(shù)。
在本發(fā)明實(shí)施例中，氧淀析濃度分布在對(duì)晶片的后續(xù)熱處理后獲得，該晶片經(jīng)歷了圖5的RTA工藝。后續(xù)熱處理的條件通過考慮半導(dǎo)體器件制造中熱工藝循環(huán)的條件而確定，氧淀析在半導(dǎo)體器件制造過程中形成。為了進(jìn)行圖5的RTA工藝后的晶片之間的比較，后續(xù)加工在N2氣氣氛中在約800℃進(jìn)行約4小時(shí)，并在約1600℃進(jìn)行約16小時(shí)。
另外，為了研究本發(fā)明中使用的氣體混合物的效應(yīng)，在圖5的RTA工藝過程中使用的氣體混合物的流速和混合比被改變。圖9示出了進(jìn)行圖5的RTA后相對(duì)于包括N2氣和Ar氣的氣體混合物的混合比的變化的空位濃度分布。圖31是顯示峰處相對(duì)于Ar/N2混合氣體的流速的變化的氧淀析濃度的變化的曲線圖。
在圖9中，(a)代表N2和Ar的混合比為70∶30時(shí)的空位濃度分布，(b)代表N2和Ar的混合比為50∶50時(shí)的空位濃度分布，(c)代表N2和Ar的混合比為30∶70時(shí)的空位濃度分布。應(yīng)當(dāng)注意，隨著N2濃度增加，峰向晶片表面偏移，且峰的空位濃度增加。即，隨著N2濃度的增加，DZ的深度迅速降低，在該DZ內(nèi)，氧淀析因后續(xù)加工而沒有形成。
在圖5的RTA完成之后的在約800℃持續(xù)約4小時(shí)，然后在約1600℃持續(xù)約16小時(shí)的進(jìn)一步熱處理之后，測量圖31的峰處的氧淀析濃度。此處，RTA通過在約50℃/sec的升溫速率、約1250℃的退火溫度、約10秒的退火時(shí)間和約33℃/sec的降溫速率的條件下流動(dòng)Ar/N2氣體混合物來進(jìn)行。Ar/N2混合物中Ar/N2氣體的流速被改變?yōu)?/1、2/2、3/3、4/4和5/5升/min。圖31的結(jié)果表明，氧淀析濃度隨混合氣體流速的增加而增加。
圖32的峰處的氧淀析濃度在RTA以與用于圖31的數(shù)據(jù)的條件相同的條件進(jìn)行后測量，不同之處在于，氣體混合物中的Ar/N2氣以3/1、2.5/1.5、2/2、1.5/2.5、1/3升/min的流速和不同的混合比供給。在圖5的RTA之后，進(jìn)一步的熱處理在N2氣氛中在800℃進(jìn)行約4小時(shí)，然后在1600℃進(jìn)行16小時(shí)。圖32的結(jié)果表明，在4升/min的恒定氣體混合物質(zhì)量流條件下，氧淀析濃度隨氣體混合物中的N2比率的增加而增加。
包括氣體混合物的混合比和流速、升溫速率、退火溫度和時(shí)間、降溫速率等的RTA的工藝條件可以在不同程度上改變，以改變空位濃度分布中峰的位置、峰處空位濃度值、體區(qū)的空位濃度值、脊區(qū)的尺寸和/或類似值。
圖33顯示了圖5的RTA之后峰處相對(duì)于升溫速率變化的氧淀析濃度的變化。為了比較，RTA的其它工藝條件保持恒定，即N2和Ar氣的混合比設(shè)為50∶50，退火溫度設(shè)為1250℃、退火時(shí)間設(shè)為10秒，降溫速率設(shè)為33℃/min。后續(xù)熱處理在N2氣氛中在800℃ 4小時(shí)然后在1600℃ 16小時(shí)的條件下對(duì)所有晶片進(jìn)行，這與前述測量中的相同。結(jié)果示于表1。
表1

圖33和表1表明，峰處氧淀析濃度沒有很大地受到升溫速率的影響。
圖34顯示了圖5的RTA之后峰處相對(duì)于退火時(shí)間變化的氧淀析濃度的變化。為了準(zhǔn)確比較，RTA的其它工藝條件保持恒定，即N2和Ar氣的混合比設(shè)為50∶50，升溫速率設(shè)為50℃/sec，退火溫度設(shè)為1250℃，降溫速率設(shè)為33℃/sec。后續(xù)熱處理在N2氣氛中在800℃ 4小時(shí)然后在1600℃ 16小時(shí)的條件下對(duì)所有晶片進(jìn)行，這與前述測量中的相同。結(jié)果示于表2。
表2

圖34和表2說明，峰處的氧淀析濃度受退火時(shí)間的影響，且為了峰處至少109/cm3或更大的氧淀析濃度應(yīng)當(dāng)將退火持續(xù)至少5秒或更久。
圖35顯示了圖5的RTA之后峰處相對(duì)于退火溫度變化的氧淀析濃度的變化。為了比較，RTA的其它工藝條件保持恒定，即N2和Ar氣的混合比設(shè)為50∶50，升溫速率設(shè)為50℃/sec，退火時(shí)間設(shè)為10秒，降溫速率設(shè)為33℃/sec。后續(xù)熱處理在N2氣氛中在800℃ 4小時(shí)然后在1600℃ 16小時(shí)的條件下對(duì)所有晶片進(jìn)行，這與前述測量中的相同。結(jié)果示于表3。
表3

圖35和表3表明，峰處的氧淀析濃度受退火溫度的影響，且為了峰處至少109/cm3或更大的氧淀析濃度退火溫度應(yīng)當(dāng)高(至少約1250℃或更高)。退火溫度和時(shí)間與氧淀析濃度緊密相關(guān)?？紤]到圖34的結(jié)果，可以注意到，對(duì)于某個(gè)氧淀析濃度，退火時(shí)間在更高的退火溫度時(shí)可以降低，而為了某個(gè)濃度，退火時(shí)間在更低的退火溫度下可以延長。
圖36顯示了圖5的RTA之后峰處相對(duì)于降溫速率變化的氧淀析濃度的變化。為了比較，RTA的其它工藝條件保持恒定，即N2和Ar氣的混合比設(shè)為50∶50，升溫速率設(shè)為50℃/sec，退火溫度設(shè)為1250℃，退火時(shí)間設(shè)為10秒。后續(xù)熱處理在N2氣氛中在800℃ 4小時(shí)然后在1600℃ 16小時(shí)的條件下對(duì)所有晶片進(jìn)行，這與前述測量中的相同。結(jié)果示于表4。
表4

圖36和表4表明，峰處的氧淀析濃度未受到降溫速率的大影響。然而，氧淀析濃度略微隨升溫速率的增加而增加。
圖10顯示了相對(duì)于RTA過程中所用的氣體種類的氧淀析濃度分布，該分布通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝后的后續(xù)熱處理獲得。圖10中，(a)代表N2氣氣氛中制造的晶片的氧淀析濃度分布，(b)代表N2氣和Ar氣氣氛中制造的晶片的氧淀析濃度分布，(c)代表N2氣和H2氣氣氛中制造的晶片的氧淀析濃度分布，(d)代表Ar氣氣氛中制造的晶片的氧淀析濃度分布，(e)代表H2氣氣氛中制造的晶片的氧淀析濃度分布。
為了比較，RTA和后續(xù)熱處理在相同的工藝條件下對(duì)所有晶片進(jìn)行。即，RTA在1250℃進(jìn)行10秒，后續(xù)熱處理如上所述在800℃ 4小時(shí)和1600℃ 16小時(shí)的條件下執(zhí)行兩次。結(jié)果示于表5。
表5


圖11是說明當(dāng)圖5的RTA在Ar氣氛中進(jìn)行時(shí)，硅晶片表面附近的COP溶解的圖。通常，在由CZ技術(shù)生長硅錠的過程中形成的COP具有破損的八面體空隙形狀，且氧化硅層22形成在空隙20a的內(nèi)側(cè)。此外，當(dāng)RTA工藝在Ar或H2氣氣氛中進(jìn)行時(shí)，晶片表面附近出現(xiàn)的COP溶解，其中，氣體對(duì)晶片表面提供間隙硅注入效應(yīng)。
詳細(xì)描述COP的溶解機(jī)制。其中在晶體生長過程中氧氣以起始濃度Oi結(jié)合的硅錠冷卻時(shí)，硅錠的氧濃度在冷卻溫度變成過飽和。于是，由硅錠形成的晶片的起始氧濃度也過飽和而超過氧的預(yù)定溶解度(圖11中用“S”表示)。然而，晶片表面附近的起始氧濃度因氧經(jīng)過晶片表面的向外擴(kuò)散而等于或小于預(yù)定溶解度“S”。同時(shí)，在晶片體區(qū)內(nèi)，過飽和氧被供給到空隙20a內(nèi)，并被用于在空隙20a內(nèi)側(cè)形成氧化硅層22。此外，因?yàn)榫砻娓浇?即，圖11的表面和虛線“T”之間的區(qū)域)的起始氧濃度低于氧的預(yù)定溶解度“S”，所以氧從形成在空隙20b內(nèi)的氧化硅層(未示出)析出，同時(shí)硅因?yàn)樵赗TA工藝過程中提供的氣體的間隙硅注入效應(yīng)而在空隙20b的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)。結(jié)果，空隙20b的尺寸減小，空隙22b最終消失。
因?yàn)镃OP的溶解效應(yīng)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝可以推廣至多種晶片。如表5所示，使用H2氣比使用Ar氣更使這種COP溶解效應(yīng)得到強(qiáng)化。
圖12至16是顯示晶片的氧淀析分布的照片，該晶片在RTA后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理，并具有圖10的氧淀析濃度分布。具體地，圖12對(duì)應(yīng)使用N2氣的情況，圖13對(duì)應(yīng)使用Ar氣的情況，圖14對(duì)應(yīng)使用H2氣的情況，圖15對(duì)應(yīng)使用N2和Ar的情況，而圖16對(duì)應(yīng)使用N2和H2氣的情況。此外，每個(gè)圖的左邊表示晶片的頂面，其右邊表示晶片的底面。
圖17至21是顯示在晶片表面附近形成的DZ的深度的照片，其中不存在氧淀析，該晶片在RTA后經(jīng)歷了后續(xù)熱處理并具有圖10的氧淀析濃度分布。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和Ar氣的情況，圖21代表使用N2和H2的情況。如從表5可以看出的那樣，DZ僅在N2氣氛中形成。
圖22A至24B是顯示原生COP的形狀和在圖5的RTA后被改變的COP的形狀的照片。具體地，圖22A和22B代表RTA在N2氣氛內(nèi)進(jìn)行的情況，圖23A和23B代表RTA在N2和Ar氣氛中進(jìn)行的情況，圖24A和24B代表N2和H2氣氛的情況。如表5所示，在N2氣氛中，COP未充分溶解。此外，在N2氣與Ar或H2氣混合的氣體混合物氣氛中，COP的溶解是平緩的，特別地，在H2氣氛中，COP能完全溶解。由此結(jié)果可以推斷出，原生狀態(tài)的COP尺寸的減小可以有助于圖5的RTA工藝過程中溶解COP。
通過對(duì)硅晶片執(zhí)行圖5的RTA工藝，本發(fā)明實(shí)施例可以控制經(jīng)后續(xù)熱工藝循環(huán)形成的氧淀析的分布，這些熱工藝循環(huán)通常在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中進(jìn)行?，F(xiàn)在將說明其中進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的RTA工藝的整個(gè)晶片制備的實(shí)施例，以及對(duì)實(shí)施RTA有效的晶片制備。
圖25是一流程圖，說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片制備，具體地，說明晶體生長(S10)之后的常規(guī)制片工藝。常規(guī)制片技術(shù)的概述見1986年的S.Wolf和R.N.Tauber的教科書“VLSI時(shí)代的硅加工，卷1，加工技術(shù)”的第1章第1-35頁，該書的公開內(nèi)容在此處參考引用。參見圖25，常規(guī)的制片工藝包括使用CZ拉晶設(shè)備生長硅錠的晶體生長步驟(S10)；將硅錠切成晶片的切片步驟(S12)，圓化每個(gè)切片邊沿或侵蝕切片表面的侵蝕步驟(S14)。然后，在清洗切片表面的第一清洗步驟(S16)后，進(jìn)行施主消除步驟(S18)，并拋光形成半導(dǎo)體器件的晶片頂面(S20)，在第二清洗步驟(S22)中清洗拋光的晶片。然后，封裝所得晶片(S24)。
圖5的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA在施主消除步驟(S18)中進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例的RTA可以在一單獨(dú)的步驟中進(jìn)行。然而，考慮到成本。優(yōu)選的是在施主消除步驟(S18)中進(jìn)行RTA。通常，施主消除指一種工藝，該工藝在制片工藝過程中通過熱處理將硅錠中包含的氧成分轉(zhuǎn)變成氧沉淀，以減少作為施主的可能性，該氧成分在后續(xù)半導(dǎo)體器件制造過程中以離子的形式出現(xiàn)并充當(dāng)注入雜質(zhì)離子的電子施主。此熱處理在RTA爐內(nèi)在約700℃進(jìn)行約30秒或更久。
圖27是傳統(tǒng)CZ拉晶設(shè)備的示意性視圖，其中進(jìn)行晶體生長(S10)。如圖27所示，CZ拉晶設(shè)備100包括爐子、晶體提拉機(jī)構(gòu)、氣氛控制器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。CZ爐通常稱作熱區(qū)爐。該熱區(qū)爐包括加熱器104、可由石英制造的坩堝106、可由石墨制造的下容器(succeptor)108，以及在圖示第一方向112繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸110。
冷卻套或口132被諸如水冷的外部冷卻機(jī)構(gòu)冷卻。熱屏114可以提供額外的熱分布。熱包(heat pack)102用吸熱材料116填充以提供額外的熱分布。
晶體提拉機(jī)構(gòu)包括晶體提拉軸120，它可以在與第一方向112相反的圖示的第二方向122上繞軸旋轉(zhuǎn)。晶體提拉軸120包括其端部的籽晶夾具120a。籽晶夾具120a夾持籽晶124，該籽晶從坩堝106的熔融硅126拉出以形成硅錠128。
氣氛控制系統(tǒng)可以包括加熱室外殼130、冷卻套132和未顯示的其它氣流控制器和真空抽氣系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以用于控制加熱元件、提拉器以及其它電和機(jī)械元件。
為了生長單晶硅錠，籽晶124與熔融硅126接觸，并在軸向(向上)上逐漸提起。熔融硅126冷卻和凝固成單晶硅發(fā)生在硅錠128和熔融硅126的界面131上。如圖27所示，界面131相對(duì)于熔融硅126是凹陷的。
通過根據(jù)本發(fā)明的RTA實(shí)施例，圖4所示的受控氧淀析濃度分布可以從至少三種類型的硅晶片獲得。具體地，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA可用于“完美”晶片，其中不存在諸如間隙團(tuán)和空位團(tuán)的缺陷；“半完美”晶片，其中僅在空位富集區(qū)出現(xiàn)空位團(tuán)，而在空位富集區(qū)外沒有空位團(tuán)和間隙團(tuán)，該空位富集區(qū)在離晶片中心一預(yù)定半徑的范圍內(nèi)；以及在整個(gè)晶片中僅包含空位團(tuán)而沒有間隙團(tuán)的晶片。然而，本發(fā)明不限于以上晶片，并包括可以應(yīng)用本發(fā)明原理的所有類型的晶片。如上所述，本發(fā)明的實(shí)施例致力于圖4所示的受控氧淀析濃度分布，該分布可以通過對(duì)應(yīng)用了本發(fā)明的硅晶片執(zhí)行圖5的RTA工藝和后續(xù)熱處理而獲得。此外，至于COP，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種晶片，在該晶片中，COP僅在晶片體區(qū)中出現(xiàn)，而不在DZ內(nèi)出現(xiàn)。
為了防止硅晶片的缺陷，已經(jīng)有許多實(shí)際研究集中在高純度硅錠的晶體生長工藝上。例如，眾所周知，籽晶的提拉速率和熱區(qū)結(jié)構(gòu)的溫度梯度應(yīng)當(dāng)控制。對(duì)硅錠提拉速率(V)和硅錠-熔融硅界面的溫度梯度(G)的控制詳細(xì)描述于1982年《晶體生長學(xué)報(bào)》第59卷第625至643頁的Voronkov的“硅中螺位錯(cuò)形成原理”內(nèi)。此外，Voronkov原理的應(yīng)用可以在1996年11月25至29日的《硅材料先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)第二屆國際研討會(huì)會(huì)議錄》第519頁的本發(fā)明人等的題名為“晶體缺陷對(duì)器件特性的影響”的出版物中找到。此出版物公開了在V對(duì)G的比率(被稱為V/G比)低于臨界比(V/G)*時(shí)，間隙富集區(qū)形成，而在V/G比高于臨界比(V/G)*時(shí)，空位富集區(qū)形成。
具體地，圖26是說明硅錠中相對(duì)點(diǎn)缺陷分布和V/G比之間的關(guān)系的示意性視圖。如圖26所示，在硅錠生長中，對(duì)于V/G比高于臨界V/G比(V/G)*，空位富集區(qū)形成。此外，對(duì)于空位濃度高于臨界空位濃度Cv*的V/G比，空位團(tuán)形成，而對(duì)于間隙濃度高于臨界間隙濃度Ci*的V/G比，間隙團(tuán)形成。另外，在圖26中，從(V/G)I*到(V/G)B*的寬度代表B-帶，這是間隙相關(guān)缺陷(小尺寸位錯(cuò))，而從(V/G)V*到(V/G)P*的寬度代表P-帶，這時(shí)O.S.F環(huán)(大尺寸氧淀析)。
本發(fā)明實(shí)施例可用于無缺陷的完美晶片，該晶片在硅錠生長過程中具有介于B-帶和P-帶之間的V/G比；半完美晶片，該晶片具有包括P-帶的V/G比；以及一種晶片，其中，空位團(tuán)在整個(gè)晶片中形成，這是因?yàn)閷?duì)應(yīng)于臨界空位濃度Cv*的臨界V/G比(V/G)v*以上的V/G比。
可用于本發(fā)明的完美晶片和半完美晶片在美國專利申請(qǐng)第08/989,591號(hào)及其延續(xù)部分，美國專利申請(qǐng)第09/320,210號(hào)和第09/320,102號(hào)中得以詳細(xì)描述，這些申請(qǐng)?jiān)诖颂巺⒖家谩Ｓ谑?，其詳?xì)描述將略去。
圖28是延續(xù)部分的申請(qǐng)中公開的改進(jìn)的CZ拉晶設(shè)備的示意性視圖，其中，熱屏214相比于圖27所示的CZ拉晶設(shè)備有所改進(jìn)。簡單地，如圖28所示，改進(jìn)的CZ拉晶設(shè)備200包括爐子、晶體提拉機(jī)構(gòu)、氣氛控制器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。熱區(qū)爐包括加熱器204、坩堝206、下容器208和在圖示第一方向212上繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸210。冷卻套232和熱屏214可以提供額外的熱分布，熱包202包括吸熱材料216以提供額外的熱分布。
晶體提拉機(jī)構(gòu)包括晶體提拉軸220，它可以在圖示的與第一方向212相反的第二方向222上繞軸旋轉(zhuǎn)。晶體提拉軸220包括其端部的籽晶夾具220a。籽晶夾具220a夾持籽晶224，該籽晶從坩堝206中的熔融硅拉出以形成硅錠228。
環(huán)境控制系統(tǒng)可以包括加熱室外殼230、冷卻套232和未示出的其它氣流控制器和真空抽氣系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可用于控制加熱元件、提拉器或其它電和機(jī)械的元件。
為了生長單晶硅錠，籽晶224與熔融硅226接觸，并在軸向(向上)上逐漸提起。熔融硅226冷卻和凝固成單晶硅發(fā)生在硅錠228和熔融硅226的界面231上。與圖27的CZ拉晶設(shè)備相反，圖28的CZ拉晶設(shè)備200還在熱屏214內(nèi)包括熱屏護(hù)蓋234，該護(hù)蓋允許更精確地控制V/G比。
圖29是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的改進(jìn)的CZ拉晶設(shè)備的示意性視圖，圖30說明圖29的CZ拉晶設(shè)備的改進(jìn)部分的細(xì)節(jié)。圖29和30中，圖28中的相似附圖標(biāo)記用于指代相似元件，并且，僅與圖28的CZ拉晶設(shè)備的區(qū)別將被描述。如圖29和30所示，對(duì)圖28的CZ拉晶設(shè)備的改變包括熱屏護(hù)蓋300的形狀和熱屏板360的額外安裝。具有類似環(huán)的90°旋轉(zhuǎn)梯形形狀的熱屏蔽護(hù)蓋300包括優(yōu)選地為垂直的內(nèi)熱屏護(hù)蓋壁310和外熱屏護(hù)蓋壁330，以及與內(nèi)和外熱屏護(hù)蓋壁310和330連接的熱屏護(hù)蓋頂340和熱屏護(hù)蓋底320。此處，熱屏護(hù)蓋頂340以相對(duì)于水平面的β角從內(nèi)熱屏護(hù)蓋壁310到外熱屏護(hù)蓋壁330向上傾斜，而熱屏護(hù)蓋底320以相對(duì)于水平面的α角從內(nèi)熱屏護(hù)蓋壁310到外熱屏護(hù)蓋壁330向下傾斜，形成圖示的梯形。
環(huán)形熱屏護(hù)蓋300可以用吸熱材料填充(未示出)，并且可以用碳鐵素體(carbon ferrite)形成。
另外，熱屏護(hù)蓋300通過支撐部件350固定在熱包202頂部。熱屏板360設(shè)置在熱屏護(hù)蓋300的熱屏護(hù)蓋頂340的和冷卻套232之間，它環(huán)繞被提拉的硅錠。
圖29和30所示的CZ拉晶設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以允許硅錠的冷卻速率增加。出現(xiàn)在被拉硅錠內(nèi)的空隙尺寸通常正比于硅錠-熔融硅界面上的起始空位濃度的平方根，但卻反比于硅錠冷卻速率的平方根。如參照?qǐng)D11所述，一旦在晶體生長過程中形成的硅錠中出現(xiàn)的空隙尺寸小于預(yù)定尺寸，雖然被拉的晶錠包含空隙，但是該空隙可以通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝而自DZ溶解。
于是，為了減少硅錠中空隙的尺寸(根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，這是所需要的)，硅錠的冷卻速率可以提高。隨著硅錠冷卻速率提高，硅錠中心的溫度梯度Gc可以增大。于是，如果V/G比率對(duì)于預(yù)定缺陷分布為常數(shù)，則硅錠(V)的提拉速率應(yīng)當(dāng)增加。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，為了在其中心硅錠溫度的基礎(chǔ)上提高硅錠的冷卻速率至至少1.4°K/min或更高，以將硅錠從硅錠-熔融硅界面上的溫度冷卻到硅錠的預(yù)定溫度，內(nèi)熱屏護(hù)蓋壁310的長度a、外熱屏護(hù)蓋壁330的長度c、熱屏護(hù)蓋頂340的角度β、熱屏護(hù)蓋底320的角度α、硅錠228與內(nèi)熱屏護(hù)蓋壁310之間的距離d、坩堝206與外熱屏護(hù)蓋壁330之間的距離f、內(nèi)和外熱屏護(hù)蓋壁310和330之間的距離e、內(nèi)熱屏護(hù)蓋壁310和熔融硅226之間的距離b，以及熱屏板360的位置中的至少一個(gè)可變。
在圖29的CZ拉晶設(shè)備中，硅錠的提拉速率因被拉硅錠的高冷卻速率而可以在例如0.50至1.00mm/min的范圍內(nèi)增加，使得硅錠的產(chǎn)率可以增加。此外，通過圖28的CZ拉晶設(shè)備制造的完美晶片或半完美晶片的加工極限可以為硅錠的生長而規(guī)定。
以上描述的本發(fā)明實(shí)施例可以制造非常適于在其中制造高密度和/或高性能集成電路的晶片。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在批量生產(chǎn)條件下，根據(jù)以上所述的實(shí)施例制造的硅晶片可能在其器件區(qū)內(nèi)具有不需要的大量滑移。器件區(qū)中的滑移可通過快速熱退火過程中其支撐腳和/或支撐環(huán)上的晶片的自重導(dǎo)致的應(yīng)力引發(fā)，或通過STI致密化導(dǎo)致的應(yīng)力引發(fā)。這些滑移可以影響由該晶片制造的集成電路器件的可靠性和/或產(chǎn)率。
此外，還發(fā)現(xiàn)，如上所述制造的硅晶片會(huì)在RTA加熱室上形成不需要的二氧化硅升華物。更具體地，原生氧化物或其它來自晶片的二氧化硅(SiO2)可以在RTA工藝過程中蒸發(fā)，并沉積到石英RTA加熱室上。RTA加熱室上的SiO2升華物可以降低RTA工藝的效率、可靠性和/或再現(xiàn)性，并且會(huì)使RTA加熱室的頻繁清洗和/或更換成為必要。
本發(fā)明實(shí)施例起因于一種認(rèn)識(shí)，即用于制造包括第一和第二峰、脊區(qū)以及第一與第二峰之間的凹陷區(qū)的氧淀析濃度分布的RTA工藝可以在包括氨(NH3)氣和氬(Ar)氣的氣體混合物氣氛中進(jìn)行，而不是如上所述的氮(N2)氣和氬(Ar)氣的氣體混合物。與在此以前使用氮和氬氣氛的諸如1220℃的更高溫度相反，通過將氨氣用作空位注入氣體，而不是氫氣，RTA工藝可以在更低的溫度下發(fā)生，例如在約1100℃與約1200℃之間，或約1100℃與約1150℃之間，或約1100℃與約1120℃之間，或約1120℃。通過使更低溫度的RTA工藝可用，滑移的量和/或二氧化硅升華物的量可以顯著減少。相應(yīng)地，由該晶片制造的集成電路的產(chǎn)率和可靠性可以增加和/或制造晶片的批量生產(chǎn)成本可以減少。
更具體地，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，具有氧淀析濃度分布的硅晶片可以如上所述那樣制造，該分布包括第一和第二峰、晶片頂面與第一峰之間以及晶片底面與第二峰之間的脊區(qū)、以及第一與第二峰之間的凹陷區(qū)。然而，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，晶片底面與第二峰之間的脊區(qū)可以在其中包括至少一個(gè)滑移區(qū)，然而，在晶片頂面與第一峰之間的脊區(qū)在其中沒有滑移位錯(cuò)。更具體地，可以生產(chǎn)具有離晶片頂面約5μm或約40μm之間的厚度的無滑移區(qū)，使得器件可以在其中以提高的產(chǎn)率、性能和/或可靠性制造。另外，在晶片頂面和第一峰之間的脊區(qū)內(nèi)可以形成多個(gè)淺槽隔離(STI)區(qū)，并且與硅晶片內(nèi)相同的STI區(qū)相比，具有減少的STI滑移，在該晶片中，氧淀析遠(yuǎn)離STI區(qū)出現(xiàn)。優(yōu)選地，STI區(qū)無STI滑移。
另外，本發(fā)明實(shí)施例允許RTA在約1100℃與約1200℃之間，或約1100℃與約1150℃之間，或約1100℃與1120℃之間，或約1120℃進(jìn)行，以產(chǎn)生如上所述的形核中心濃度分布。然而，因?yàn)榭梢允褂酶偷臏囟龋曰瓶梢匀缟纤瞿菢訙p少，且二氧化硅升華物可以減少或消除。
具體地，本發(fā)明實(shí)施例在包括氬氣和氨氣的氣氛中，在約1100℃與約1200℃之間，或約1100℃與約1150℃之間，或約1100℃與1120℃之間，或約1120℃，在具有頂面和底面的硅晶片上執(zhí)行RTA工藝至少約5秒鐘。在一些實(shí)施例中，在進(jìn)行RTA之前，將氧從氬氣氛去除，以減少或防止氧與氨氣之間的反應(yīng)?？梢杂脗鞲衅鱽肀O(jiān)測氣氛中存在低于預(yù)定氧濃度的氧。另外，溫度可以在例如約800℃的預(yù)定溫度保持例如約10秒鐘的時(shí)間，以使氧氣能去除。在執(zhí)行RTA之后，還可以將氨氣從氣氛中去除。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA工藝可以在低于某一溫度時(shí)在RTA加熱室內(nèi)在一系列硅晶片上順序進(jìn)行，該溫度導(dǎo)致二氧化硅從該系列硅晶片到RTA加熱室上的升華?？梢允褂玫陀诩s1200℃、或低于約1150℃、或者1120℃或其以下的溫度。于是，能減少并可以消除清洗和/或替換加熱室的需要。在一具體實(shí)施例中，當(dāng)在高于約1200℃的溫度進(jìn)行使用氫氣和氨氣的RTA時(shí)，發(fā)現(xiàn)RTA加熱室每6個(gè)月后就需要清潔和/或更換。明顯不同地，本發(fā)明實(shí)施例在長達(dá)6個(gè)月或更久的時(shí)間里無需清潔或更換RTA加熱室，此實(shí)施例利用氨氣和氬氣在諸如低于1150℃的溫度的較低溫度執(zhí)行RTA。
圖37圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA的時(shí)間/溫度曲線。應(yīng)當(dāng)理解的是，如圖37所示的RTA工藝可以制造圖4所示晶片的相同的M-形分布，但是允許減小滑動(dòng)應(yīng)力和/或降低二氧化硅升華。此外，如圖37所述的本發(fā)明實(shí)施例與以上參照?qǐng)D5所述的RTA工藝的實(shí)施例形成對(duì)照。
現(xiàn)在參照?qǐng)D37，在時(shí)刻(a)之前，將晶片裝入諸如傳統(tǒng)石英RTA爐的RTA加熱室或爐內(nèi)持續(xù)一諸如約10秒的待用期I，該RTA加熱室或爐的溫度設(shè)定為例如約800℃。此時(shí)，在RTA加熱室中通入氬氣流。另外，在此時(shí)間段I內(nèi)，在時(shí)刻(a)和(b)之間，氧的清除可以發(fā)生，以清除可能從晶片向外擴(kuò)散并且/或者在RTA氣氛中出現(xiàn)的氧。通過將RTA溫度在待用溫度維持諸如10秒的預(yù)定時(shí)間段I，和/或通過在RTA加熱室內(nèi)設(shè)置傳感器，氧的清除可以發(fā)生，該傳感器能檢測加熱室內(nèi)的氧濃度已經(jīng)減少至低于預(yù)定量，例如小于1ppma。
繼續(xù)圖37的描述，在氧清除期I的最后，RTA爐內(nèi)的溫度在時(shí)間間隔II內(nèi)以例如約50℃每秒的速率快速升高。在升溫的同時(shí)，氨(NH3)流經(jīng)加熱室。將要理解的是，氨氣流的開始可以在升溫開始之間、在時(shí)刻(b)之前、在時(shí)刻(b)和(c)之間的升溫過程中的任何階段，或者一旦RTA溫度已經(jīng)在時(shí)刻(c)之后達(dá)到時(shí)發(fā)生。如圖37所示，NH3氣流可以與時(shí)刻(b)時(shí)升溫的開始同步。
仍然繼續(xù)圖37的描述，RTA在時(shí)間點(diǎn)(c)和(d)之間的時(shí)間間隔III中維持約5秒至約30秒。如圖37所示，時(shí)間間隔III中的RTA優(yōu)選地在約1100℃和約1200℃之間，或者在1100℃和1150℃之間。在其他實(shí)施例中，RTA維持在約1100℃和約1120℃之間。在再一實(shí)施例中，RTA在1120℃進(jìn)行。這些RTA工藝與以上的在約1250℃進(jìn)行RTA工藝的圖5，以及諸如上述的美國專利第6,204,152號(hào)和第5,994,761號(hào)中所述的其它傳統(tǒng)RTA工藝形成對(duì)照。
仍然參照?qǐng)D37，在時(shí)間間隔IV內(nèi)，RTA爐內(nèi)的溫度例如以約10℃/sec和約70℃/sec之間的速率，優(yōu)選地以約33℃/sec的速率迅速減小(降溫)至待用期V的溫度。優(yōu)選地，氨氣流維持至降溫過程IV的最后，時(shí)刻(e)。然而，氨氣流可以在降溫過程IV中或在RTA過程III中終止。在待用期V中，氨氣的清除優(yōu)選地例如在時(shí)刻(e)開始發(fā)生。然而，氨的清除可以早一點(diǎn)發(fā)生，或者根本不發(fā)生。優(yōu)選地，一旦氨已經(jīng)清除，則晶片可以在時(shí)刻(f)從RTA爐取出。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例還發(fā)現(xiàn)，圖37的RTA曲線可用于制造相同的所需的圖4的M-形氧淀析濃度曲線，同時(shí)使滑移和/或氧升華能明顯減少和/或消除。
圖37的工藝溫度范圍僅是說明性的。另外，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的RTA中，環(huán)境氣體的流速、環(huán)境氣體的混合比、升溫速率、退火溫度、退火時(shí)間和/或降溫速率可以對(duì)獲得如圖4的分布曲線起作用，這將在以下描述。
圖38圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖37的快速熱退火工藝的氧淀析對(duì)于不同快速退火溫度(圖37的間隔III)的溫度依賴性。在所有例子中，采用10秒的間隔III的退火時(shí)間，以及間隔IV中33.3℃每秒的降溫速率和相等的氬氣與氨氣流量。圖38圖示了圖4所示的第一和第二峰處的體積微缺陷(Bulk Micro-Defect)(BMD)密度(即空位缺陷和間隙缺陷)(峰BMD)，以及第一和第二峰之間凹陷體區(qū)內(nèi)最低部分處的體積微缺陷密度(體區(qū)BMD)。與每個(gè)BMD測量值相關(guān)的平方表示了圖4的脊區(qū)的深度。BMD缺陷用密度(cm-2)表示，且可以通過乘以104而轉(zhuǎn)換成體積(cm-3)。
參照?qǐng)D38，可以看出，最右邊的一對(duì)豎條顯示了氬氣和氮?dú)鈿夥罩?220℃溫度下具有約23μm深度的DZ區(qū)、約1.4×106的峰BMD和約1.2×105的體區(qū)BMD。如圖38所示，相似的特征可以在約1120℃在氬氣和氨氣的氣氛中獲得。因而，形似的BMD分布可以在1120℃獲得，此溫度比與氬氣和氮?dú)鈿夥找黄鹗褂玫臏囟鹊?00℃。圖38還說明，DZ的深度、體區(qū)BMD和峰BMD作為溫度的函數(shù)可以得以控制。在約1100℃和約1150℃之間的范圍可以控制DZ的深度，同時(shí)維持體區(qū)BMD和峰BMD相對(duì)恒定。例如，在約1120℃和約1170℃之間，DZ的深度、峰BMD和體區(qū)BMD表現(xiàn)為相對(duì)地不受溫度的影響，而在約1100℃和約1120℃之間，DZ的深度隨著升高溫度而降低，BMD峰濃度和BMD體區(qū)濃度隨溫度增加而增加。
圖39圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧淀析的退火時(shí)間依賴性。如圖39所示，在使用等流量氬氣和氨氣的1120℃退火溫度下，BMD峰、BMD體區(qū)或DZ深度均未顯示出對(duì)10秒至30秒之間的退火時(shí)間的強(qiáng)烈依賴。因而，為了提高生產(chǎn)量，可以優(yōu)選10秒鐘的退火時(shí)間。
圖40圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧淀析對(duì)氬氣與氨氣流速之比的依賴性。如圖所示，DZ深度、峰BMD和體區(qū)BMD在大比率范圍內(nèi)未顯示出對(duì)氬氣與氨氣之比高度依賴。
圖41圖示說明了氧淀析對(duì)圖37的間隔IV的降溫速率的依賴性。如圖所示，在從約10℃至約70℃每秒的寬速率范圍內(nèi)，顯示出DZ深度、峰BMD或體區(qū)BMD對(duì)降溫速率的非常小的依賴性。因而，由于以下將要詳細(xì)說明的原因而可以使用33.3℃/sec。
圖42圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為原生硅錠和晶片中起始氧濃度的函數(shù)的峰BMD和體區(qū)BMD。上部(實(shí))線表示峰BMD密度，而下部(虛)線表示體區(qū)BMD密度。如圖所示，雖然在晶體生長中峰BMD顯得相對(duì)獨(dú)立于起始氧濃度，但是體區(qū)BMD顯得強(qiáng)烈依賴于起始氧濃度。因而，起始氧濃度可用于控制峰對(duì)體區(qū)BMD的比率，該比率從與約13ppma的起始氧濃度時(shí)的約5一樣小到約9ppma時(shí)的約10。具體地，可以將起始氧濃度選定為例如約9ppma，以提供峰BMD和體區(qū)BMD之間的至少一個(gè)數(shù)量級(jí)(約10倍)的差。
總之，圖38-42表明，使用包括氨氣和氬氣的氣氛，可以在小于1200℃、小于1150℃、在1100℃和1120℃之間、以及/或者在約1120℃的溫度獲得圖4的M-形氧淀析濃度分布，此分布與可以在氬氣和氮?dú)庵性诟哂诩s1200℃的溫度，例如1220℃下獲得的氧淀析濃度分布是對(duì)等的?，F(xiàn)在將說明滑移的產(chǎn)生和SiO2的升華是如何通過利用本發(fā)明的實(shí)施例，包括上述溫度范圍而減少并且優(yōu)選地被消除的。
在描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的滑移產(chǎn)生的減少之前，將提供對(duì)滑移起源的討論。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的那樣，在RTA過程中，晶片在RTA爐內(nèi)可以用三個(gè)支撐腿或一個(gè)棱環(huán)支撐。通過將晶片僅部分支撐在支撐腿或棱邊上，晶片的自重將在晶片中導(dǎo)致應(yīng)力，該應(yīng)力自身可以導(dǎo)致滑移。滑移通常起源于晶片的被支撐腿或環(huán)支撐的底面，并向上延伸至形成器件的晶片頂面。為了減小并優(yōu)選地消除滑移對(duì)有源器件的影響，需要在第一峰和第一(頂部)表面之間的DZ區(qū)內(nèi)提供無滑移區(qū)。換句話說，需要提供自晶片頂面約40μm深的無滑移區(qū)。于是，自底面的滑移將不進(jìn)入器件區(qū)。不幸地，利用傳統(tǒng)RTA工藝難以制備40μm的無滑移區(qū)。
圖43圖示說明了晶片底面上相對(duì)于使用氬氣和氨氣氣氛的本發(fā)明的RTA實(shí)施例的溫度的滑移長度。圖43中，滑移長度在上左角所示的晶片上的三個(gè)點(diǎn)處測量。這些位置對(duì)應(yīng)于RTA爐內(nèi)晶片支撐腿的位置。第一支撐腿1毗鄰RTA爐的氣體入口，而其它的位置2和3遠(yuǎn)離該氣體入口。圖43的右側(cè)還顯示了氬氣和氮?dú)鈿夥障碌幕崎L度測量值。
參照?qǐng)D43，在1220℃下，在氬氣和氮?dú)鈿夥罩校梢栽诰奈恢?上產(chǎn)生3.5mm的滑移長度，這是不可接受的。形成明顯對(duì)照的是，在1120℃的低溫度下，使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氬氣和氨氣氣氛可以制得小于1.5mm的滑移長度。晶片底面上的小于1.5mm的滑移長度可以在晶片頂部產(chǎn)生40μm深的無滑移區(qū)。因而，可以制得晶片的無滑移有源區(qū)。
圖44圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的相對(duì)于氬氣對(duì)氨氣比率的滑移長度。如圖所示，可以在較寬的氣體比率范圍內(nèi)制備小于1.5mm的可接受的滑移。
圖45圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為降溫速率的函數(shù)的滑移長度。如同可以看出的那樣，降溫速率可以影響滑移長度。為了提供小于約1.5mm的滑移長度，應(yīng)當(dāng)維持至少約30℃每秒的降溫速率。
圖46A和46B是晶片底面的X射線形貌(XRT)照片，它們示出了滑移，并且分別對(duì)應(yīng)于氬氣和氮?dú)鈿夥罩?250℃下持續(xù)10秒的RTA，以及氬氣和氨氣氣氛中1120℃下持續(xù)10秒的RTA。如圖46A所示，在晶片的第一位置可以看到明顯的滑移，該位置對(duì)應(yīng)于圖43-45的位置#1并顯示在圖46A的頂部。相反地，在圖46B內(nèi)，在晶片上的三個(gè)支撐腿位置上缺陷僅為支撐腿印記自身。因而，可以制得具有無滑移有源區(qū)的晶片。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的滑移減少的另一方面現(xiàn)在將得以說明。具體地，通過在DZ下方，向M形氧淀析濃度分布提供足夠高的氧淀析密度，淺槽隔離(Shallow Trench Isolation)(STI)中的滑移也可以被減少，并且優(yōu)選地可以被消除。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的那樣，STI可用于將諸如晶體管的器件與集成電路基板有源區(qū)內(nèi)的其它器件隔開。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的那樣，在STI中，溝槽在半導(dǎo)體襯底的面上形成，然后用諸如未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)的絕緣材料和/或高密度等離子體(HDP)填充。溝槽還可以用不同的絕緣體，如氮化硅襯墊。由于硅晶片和溝槽內(nèi)絕緣材料之間的熱膨脹差異，壓和/或張應(yīng)力會(huì)在溝槽和襯墊之間的界面上產(chǎn)生。
溝槽絕緣區(qū)內(nèi)的應(yīng)力大小可以是溝槽長徑比和/或其它工藝條件的函數(shù)。例如，表6說明了三個(gè)晶片D21、D19和D17的溝槽內(nèi)應(yīng)力的分布，其中，長徑比從晶片D21到晶片D19至D17增加。如表6所示，晶片D21中應(yīng)力最高，晶片D17中應(yīng)力最小。
表6
圖47針對(duì)表6的晶片圖示說明了間隙填充膜致密化后溝槽內(nèi)的應(yīng)力。圖47中，線的長度與應(yīng)力的大小成比例。
在不希望被任何操作理論束縛的情況下，理論上STI器件內(nèi)的滑移可以利用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧淀析濃度分布減少，這是因?yàn)闀?huì)發(fā)生氧的釘扎現(xiàn)象。具體地，除了能在鄰近有源區(qū)的晶片體區(qū)內(nèi)提供非常高的氧淀析濃度外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧淀析濃度分布可以提供無氧淀析的器件有源區(qū)。此外，氧淀析之間的間隔可以非常小。理論上，這些特征可以在體區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高的線張力，該線張力進(jìn)而導(dǎo)致溝槽內(nèi)位錯(cuò)的移動(dòng)，于是位錯(cuò)被移離器件有源區(qū)并被釘扎在氧淀析上。
圖48A是場效應(yīng)晶體管器件的橫截面視圖，該晶體管可以在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硅晶片內(nèi)制造，且在800℃退火4小時(shí)，并在1000℃持續(xù)16小時(shí)，以使氧淀析形成。如圖所示，除了在對(duì)應(yīng)于M形分布的第一峰的鄰近器件的體區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)高濃度的氧淀析外，對(duì)應(yīng)于頂部DZ的器件有源區(qū)一般無氧淀析。圖48B圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖48A的晶片內(nèi)的M形氧淀析分布。
圖49示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的STI器件內(nèi)作為溝槽位錯(cuò)釘扎結(jié)果的滑移的潛在移動(dòng)。在不希望被任何操作理論束縛的情況下，圖49中，F(xiàn)A是工藝誘導(dǎo)應(yīng)力，它可以例如在溝槽內(nèi)的間隙填充材料致密化后產(chǎn)生。FA可以在溝槽的角落處最大，如圖47A-47C的擬合結(jié)果所示。此外，在圖49中，F(xiàn)int是溝槽位錯(cuò)和氧淀析之間的互作用力，且可以由下式給出Eint=12∫σD·ϵO/Pdv+12∫σO/P·ϵDdv,∂Eint∂x=Fint,]]>其中數(shù)量在圖49中示出，其中εO和εD表示應(yīng)變，且其中v表示體積。如圖49所示，位錯(cuò)移動(dòng)可以由下式得出
FLT=Gb22R,FLTmax=GbL,]]>其中FLT是線張力矢量，并且是材料常數(shù)G、布拉格矢量b和位錯(cuò)中心之間長度L的函數(shù)。于是，當(dāng)氧淀析之間的距離減少時(shí)，線張力FLT的大小增加。這能導(dǎo)致FA≤FLT+Fint的位錯(cuò)釘扎條件下位錯(cuò)的移動(dòng)，于是在平衡條件下，F(xiàn)LTmax=GbL.]]>因而，當(dāng)L減小時(shí)，F(xiàn)LTmax增加。總之，在不希望被任何操作理論束縛的情況下，明確的是，較小氧淀析的高密度導(dǎo)致L減小，F(xiàn)LT增加，于是，F(xiàn)A≤FLT+Fint，從而導(dǎo)致位錯(cuò)釘扎。
可能難于直接觀察到位錯(cuò)的釘扎。然而，位錯(cuò)釘扎可以通過比較例如具有STI結(jié)構(gòu)的128MB動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的器件而確定，該器件被制造得具有圖4的分布。圖50圖示了兩種晶片的相對(duì)于刷新時(shí)間的故障位元的數(shù)目，一種晶片具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的M形氧淀析濃度分布(圖50的下部曲線)，一種晶片具有恒定的氧淀析濃度分布(圖50的上部曲線)。如圖50所示，對(duì)于給定的刷新時(shí)間，與具有恒定氧淀析濃度分布(圖50的上部曲線)的晶片相比，使用具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的M形氧淀析分布的晶片(圖50的下部曲線)，故障位元的數(shù)目更少。在不希望被任何操作理論束縛的情況下，理論上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的M形分布在有源器件區(qū)內(nèi)提供了位錯(cuò)釘扎。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的那樣，有源器件區(qū)內(nèi)的位錯(cuò)可以捕獲其中的電子，該電子減少了器件的刷新時(shí)間，并且/或者在給定的刷新時(shí)間導(dǎo)致更多位元故障。于是，圖50明顯提供了利用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的M形氧淀析濃度分布而形成位錯(cuò)釘扎的證據(jù)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造的硅晶片可以減少并優(yōu)選地消除RTA加熱室上的SiO2升華。圖51是包括石英加熱室512和RTA加熱源陣列514的傳統(tǒng)RTA系統(tǒng)510的橫截面視圖。晶片516示于加熱室512內(nèi)，并由支撐腿518支撐。晶片通常在其上包括天然氧化層520。
可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在高于約1200℃的溫度進(jìn)行RTA時(shí)，存在的天然氧化物和/或其它二氧化硅可以從晶片上蒸發(fā)，并沉積到石英加熱室512上。這種現(xiàn)象被稱作“SiO2升華”。當(dāng)SiO2沉積到加熱室壁上時(shí)，它會(huì)降低加熱室的效率和/或工藝的可靠性，這會(huì)降低晶片的產(chǎn)量和/或性能。
形成鮮明對(duì)照的是，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，當(dāng)RTA退火在低于約1200℃時(shí)、在低于約1150℃時(shí)、在約1100℃和約1120℃之間時(shí)，或在約1120℃時(shí)，很少或無SiO2升華發(fā)生。事實(shí)上，發(fā)現(xiàn)，晶片可以在無需清潔或更換加熱室512的情況下在RTA系統(tǒng)512內(nèi)進(jìn)行長達(dá)6個(gè)月或更久。
圖52是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的改進(jìn)的CZ拉晶設(shè)備的示意圖，圖53示出了圖52的CZ拉晶設(shè)備的改進(jìn)部件的細(xì)節(jié)。圖52和53中，圖28-30中使用的相似附圖標(biāo)記表示相似的元件，以下僅說明與圖28-30的CZ拉晶設(shè)備的區(qū)別。
如圖52和53所示，熱屏護(hù)套底包括鄰近內(nèi)熱屏護(hù)套壁310的第一部分320a，該部分從內(nèi)熱屏護(hù)套壁310朝外熱屏護(hù)套壁330向下傾斜。第二部分320b也包括在外熱屏護(hù)套壁330附近，該部分從外熱屏護(hù)套壁330朝內(nèi)熱屏護(hù)套壁320例如以圖53所示的γ角向下傾斜。在不同角度上，熱屏護(hù)套底的第二部分320b可以被考慮為一切口，該切口在熱屏護(hù)套內(nèi)，在外熱屏護(hù)套壁330和熱屏護(hù)套底320之間的交叉點(diǎn)上。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖52和53的CZ拉晶設(shè)備可以提供一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)點(diǎn)。首先，硅錠表面228與內(nèi)熱屏護(hù)套壁310之間的距離d可以減小，以允許硅錠內(nèi)更均勻的熱分布。此外，切口320b區(qū)域的氬氣速度可以降低，這可以增加硅錠228表面的溫度均勻性。最后，該切口可以減小氬氣中的湍流。一個(gè)或多個(gè)這些和/或其它因素的結(jié)果是，可以獲得提高的硅錠質(zhì)量。
在附圖和說明書中，已經(jīng)公開了本發(fā)明的典型優(yōu)選實(shí)施例，雖然采用了具體的術(shù)語，但是它們僅在一般的和敘述性的意義上得以使用，并不用于限制的目的，本發(fā)明的范圍在所附權(quán)利要求中得以闡明。
權(quán)利要求
1.一種制造硅晶片的方法，包括在包括氬和氨的氣氛中并在約1100℃和約1200℃之間對(duì)具有頂面和底面的硅晶片進(jìn)行快速熱退火工藝至少約5秒。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝包括在包括氬和氨的氣氛中并在約1100℃和約1150℃之間對(duì)具有頂面和底面的硅晶片進(jìn)行快速熱退火工藝至少約5秒。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從包括氬和氨的氣氛中清除氧先于進(jìn)行快速熱退火工藝。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，檢測氣氛中存在低于預(yù)定濃度的氧也先于進(jìn)行快速熱退火工藝。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝之前是以約50℃/秒的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度升高到約1100℃和約1150℃之間。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝之前是以約50℃/秒的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度從約800℃升高到約1100℃和約1150℃之間。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，升高溫度之前是將氧從包括氬和氨的氣氛中除去。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，檢測包括氬和氨的氣氛中存在低于預(yù)定濃度的氧也先于進(jìn)行快速熱退火工藝。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝之后是以約10℃/秒和約70℃/秒之間的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度從約1100℃和約1150℃之間降低。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝之后是以約10℃/秒和約70℃/秒之間的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度從約1100℃和約1150℃之間降低至約800℃。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，降溫之后是將氨從包括氬和氨的氣氛中除去。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝包括在包括氬和氨的氣氛中在約1120℃對(duì)具有頂面和底面的硅晶片進(jìn)行快速熱退火工藝至少約5秒。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行快速熱退火工藝包括在包括氬和氨的氣氛中在約1100℃和約1150℃之間對(duì)具有頂面和底面的硅晶片進(jìn)行快速熱退火工藝至少約5秒和約30秒之間。
14.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在升溫和進(jìn)行快速熱退火工藝之間進(jìn)行以下步驟在約800℃維持包括氬和氨的氣氛的溫度約10秒。
15.一種制造多個(gè)硅晶片的方法，包括在包括氬和氨的氣氛中并在低于導(dǎo)致二氧化硅從一系列硅晶片升華到快速熱退火加熱室上的溫度的溫度下對(duì)快速熱處理加熱室內(nèi)的一系列硅晶片連續(xù)進(jìn)行快速熱退火工藝。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連續(xù)進(jìn)行快速熱退火工藝包括在約1100℃和約1200℃之間對(duì)每一晶片進(jìn)行快速熱退火工藝至少約5秒。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連續(xù)進(jìn)行快速熱退火工藝包括在約1100℃和約1150℃之間對(duì)每一晶片進(jìn)行快速熱退火工藝至少約5秒。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，從包括氬和氨的氣氛中除去氧先于對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，檢測包括氬和氨的氣氛中存在低于預(yù)定濃度的氧也先于對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝之前是以約50℃/秒的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度升高到約1100℃和約1150℃之間。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝之前是以約50℃/秒的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度從約800℃升高到約1100℃和約1150℃之間。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，升溫之前是將氧從包括氬和氨的氣氛中除去。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，檢測包括氬和氨的氣氛中存在低于預(yù)定濃度的氧也先于對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝之后是以約10℃/秒和約70℃/秒之間的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度從約1100℃和約1150℃之間降低。
25.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行快速熱退火工藝之后是以約10℃/秒和約70℃/秒之間的速率將包括氬和氨的氣氛的溫度從約1100℃和約1150℃之間降低至約800℃。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，降溫之后是將氨從包括氬和氨的氣氛中除去。
27.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連續(xù)進(jìn)行快速熱退火工藝包括在快速熱退火加熱室內(nèi)對(duì)硅晶片連續(xù)進(jìn)行快速熱退火至少6個(gè)月，而無需清潔二氧化硅快速熱退火加熱室。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有受控缺陷分布的硅晶片，其中，具有從晶片表面向內(nèi)的足夠深度的脊區(qū)與晶片體區(qū)內(nèi)的高吸除效應(yīng)結(jié)合。硅晶片中，充當(dāng)內(nèi)部吸除位置的氧淀析具有垂直分布。從晶片頂面到底面的氧淀析濃度分布包括在距晶片頂面和底面第一和第二預(yù)定深度處的第一和第二峰、晶片的頂和底面與第一和第二峰中的每一個(gè)之間的脊區(qū)，以及第一和第二峰之間的凹陷區(qū)，該凹陷區(qū)對(duì)應(yīng)晶片體區(qū)。為了得到這種氧淀析濃度分布，晶片在包括氨(NH
文檔編號(hào)C30B15/14GK1796621SQ200510120429
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2002年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月28日
發(fā)明者樸在勤 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社