專利名稱：制備理想析氧硅晶片的工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及對半導體材料基片尤其是硅晶片的制備，該晶片用于電子元件的制造中。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于處理硅晶片的工藝，該工藝使晶片在基本上任意的電子器件制造工藝的熱處理循環(huán)過程中，形成氧淀析的理想的非均勻深度分布。
單晶硅是在大多數(shù)半導體電子元件制作工藝中所采用的原材料，一般用所謂的切氏直拉法制備，在切氏直拉法中，單個籽晶浸入熔化的硅中隨后通過緩慢提拉而生長。如熔化的硅裝在石英坩堝中時，它會被各種雜質污染，其中雜質主要是氧。在硅的熔體溫度下，氧進入晶格，直到氧達到一定濃度，該濃度是由在熔體溫度下在硅中氧的溶解度和在固化硅中氧的實際分凝系數(shù)所決定的。在通常的電子器件制作工藝的溫度下，該濃度大于氧在固體硅中的溶解度。由于晶體從熔體生長并冷卻，因此，氧在硅中的溶解度迅速降低，從而在所得到的切片或晶片中，氧以過飽和濃度存在。
通常用于電子器件制作中的熱處理循環(huán)能使氧從其中氧是過飽和的硅晶片中析出。根據(jù)氧淀析在晶片中的位置，該淀析可以是有害或有利的。位于晶片有效器件區(qū)域中的氧淀析不利于器件的工作。然而位于晶片主體中的氧淀析能捕獲不希望有的金屬雜質，該雜質會與晶片發(fā)生接觸。利用位于晶片主體中的氧淀析來捕獲金屬一般稱作內部或內在的吸氣(“IG”)。
過去，電子器件制作工藝包括一系列步驟，這些步驟設計成生產具有后述特點的硅，在該硅中具有靠近晶片表面的沒有氧淀析的范圍或區(qū)域(一般稱作“解吸區(qū)”或“無淀析區(qū)”)，并且晶片的剩余部分即晶片主體包含足夠數(shù)量的用于IG的氧淀析物。解吸區(qū)可在例如高-低-高的熱處理工序中形成，該工序例如為(a)在惰性環(huán)境中在高溫(＞1100℃)下，進行氧向外擴散熱處理，時間至少為約4小時；(b)在低溫(600-750℃)下進行氧淀析核生成作用；以及(c)在高溫(1000-1150℃)下生長氧(SiO2)淀析物。請參見例如F.Shimura的“半導體硅晶體技術”，Academic Press Inc.,San DiegoCalifornia(1989)第361-367頁及其引用的參考文獻。
然而最近，先進的電子器件制造工藝例如DRAM制造工藝已開始采用最少的高溫工藝步驟。盡管一些這樣的工藝保留足夠的高溫工藝步驟以產生解吸區(qū)和足夠的主體淀析物密度，但材料的容許極限太小而使該材料不能成為在商業(yè)上可行的產品。其它現(xiàn)行的高度先進的電子器件制造工藝根本就不包括向外擴散步驟。由于存在與有效器件區(qū)域內氧淀析相關的問題，因此，在晶片制作工藝條件下這些電子器件制作商必須使用在晶片內任何地方都不能形成氧淀析的硅晶片。結果導致全部IG潛力喪失。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種制備單硅晶片的工藝，其中在基本上任意的電子器件制造工藝的熱處理循環(huán)過程中，本發(fā)明的工藝會形成氧淀析的理想的非均勻深度分布；提供這樣一種工藝，其中，在對晶片進行熱處理形成晶片中的晶格空位之后，可進行氧化熱退火以調整空位分布；提供這樣一種晶片，其中，該晶片最優(yōu)地并可重復地形成足夠深度的解吸區(qū)以及在晶片主體中形成足夠的氧淀析物密度；提供這樣一種晶片，其中，解吸區(qū)的形成和晶片主體中氧淀析物的形成與在晶片這些區(qū)域中氧濃度之間的差別無關；提供這樣一種工藝，其中，解吸區(qū)的形成與氧的向外擴散無關；提供這樣一種晶片，其中，所得到的解吸區(qū)的深度基本上與IC制造工序的細節(jié)無關；以及提供這樣一種晶片，其中，解吸區(qū)的形成和晶片主體中氧淀析的形成不受熱歷史、切氏生長中的氧濃度以及單晶硅結晶塊的影響，其中硅晶片從該結晶塊切片。
因此簡而言之，本發(fā)明的目的在于提供一種對單晶硅晶片進行熱處理以便在后續(xù)熱處理步驟中影響晶片的析氧特性的工藝，該硅晶片具有前表面、后表面、位于前后表面之間的中分面、包含有前表面和距離D之間晶片區(qū)域的表面層、以及包含有中分面和表面層之間晶片區(qū)域的主體層，距離D從前表面并在朝著中分面方向上測量。本工藝包括在氣氛中對晶片進行熱處理，從而在晶片的表面和主體層中形成晶格空位；在具有至少約100ppma氧分壓的氣氛中在超過約1150℃的溫度下對已經過熱處理的晶片進行熱退火；然后控制已退火晶片的冷卻速度，產生具有一定空位濃度分布的晶片，在該分布中峰值密度出現(xiàn)在或接近中分面處；并且空位濃度一般在晶片前表面方向上減少；而且表面和主體層中空位濃度之間的差別使晶片在超過750℃的溫度下進行的熱處理能在表面層中形成解吸區(qū)且在主體層中形成氧團簇或淀析，該主體層中氧團簇或淀析的濃度主要取決于空位的濃度。
本發(fā)明的目的還在于提供一種對單晶硅晶片進行熱處理以便在后續(xù)熱處理步驟中影響晶片的析氧特性的工藝，該硅晶片具有前表面、后表面、位于前后表面之間的中分面、包含有前表面和距離D之間晶片區(qū)域的表面層、以及包含有中分面和表面層之間晶片區(qū)域的主體層，距離D從前表面并在朝著中分面方向上測量。本工藝包括在氣氛中對晶片進行熱處理，從而在晶片的表面和主體層中形成晶格空位；通過在含氧氣氛中加熱已經過熱處理的晶片，對所述晶片的表面進行氧化；然后控制已退火晶片的冷卻速度，產生具有一定空位濃度分布的晶片，在該濃度分布中峰值密度出現(xiàn)在或接近中分面處；并且空位濃度一般在晶片前表面方向上減少；而且表面和主體層中空位濃度之間的差別使晶片在超過750℃的溫度下的熱處理能在表面層中形成解吸區(qū)且在主體層中形成氧團簇或淀析，該主體層中氧團簇或淀析的濃度主要取決于空位的濃度。
本發(fā)明的其它目的和特征將部分地明確，部分地在以下指出。


圖1示意性地描述本發(fā)明的工藝。
圖2示出經過如實例1所述處理的晶片(試樣4-7)的橫截面的照片。
圖3示出經過如實例1所述的一系列步驟的晶片(試樣4-8)的橫截面的照片。
圖4示出經過如實例1所述的一系列步驟的晶片(試樣3-14)的橫截面的照片。
圖5示出鉑濃度(atom/cm3)和距晶片(試樣4-7)表面的深度之間的關系記錄圖，該晶片已經過如實例1所述的一系列步驟。
圖6示出經過如實例2所述的一系列步驟的晶片(試樣3-4)的橫截面的照片。
圖7示出經過如實例2所述的一系列步驟的晶片(試樣3-5)的橫截面的照片。
圖8示出經過如實例2所述的一系列步驟的晶片(試樣3-6)的橫截面的照片。
圖9示出經過如實例3所述的一系列步驟的晶片(試樣1-8)的橫截面的照片。
圖10示出如實例4所述的、在根據(jù)本發(fā)明的單晶硅晶片的快速熱退火過程中主體微缺陷(BMD)的數(shù)量密度與氣氛中氧分壓的對數(shù)關系曲線。
圖11示出晶片(白色背景)橫截面的放大照片，該晶片在NEC-1處理之后，已根據(jù)本發(fā)明在缺少增厚氧化物層的情況下在氮化氣氛中經過熱退火。
圖12示出圖11所示晶片橫截面的一部分的放大照片，其放大倍率比圖11中更大，該圖詳細表明晶片基本上缺少解吸區(qū)。
圖13示出晶片(白色背景)橫截面的放大照片，該晶片已根據(jù)本發(fā)明在缺少增厚氧化物層的情況下在氮化氣氛中經過熱退火，并接著進行熱氧化處理。
圖14示出圖13所示晶片橫截面的一部分的放大照片，其放大倍率比圖13中更大，該圖詳細示出晶片中所存在的解吸區(qū)。
圖15示出晶片(白色背景)橫截面的放大照片，該晶片已根據(jù)本發(fā)明在缺少增厚氧化物層的情況下在氮化氣氛中經過熱退火，并接著僅在晶片一側上進行熱氧化處理。
圖16示出圖15所示晶片橫截面的一部分的放大照片，其放大倍率比圖15中更大，該圖詳細表明在晶片屏蔽側上基本上缺少解吸區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)理想的析出晶片，在基本上任意的電子器件制造工藝過程中，該晶片會形成有足夠深度的解吸區(qū)并形成包含足夠的氧淀析密度的晶片主體，該氧淀析用于IG目的。有利地是，該理想析出晶片可采用在半導體硅制造工業(yè)中普遍使用的工具在幾分鐘內制備。此工藝在硅中產生“樣板”，該樣板確定或“印制”在電子器件制造工藝中析氧的方式。
用于本發(fā)明的理想析出晶片的原材料為單晶硅晶片，該晶片已從根據(jù)常規(guī)切氏晶體生長方法生長的單晶結晶塊切片。這些方法以及標準硅切片、研磨、蝕刻和拋光技術，在例如F.Shimura的“半導體硅晶體技術”，Academic Press,1989和“硅化學蝕刻”(J.Grabmaier等)，Springer-Verlag,New York,1982(在此引入作為參考)中已公開。
用切氏法生長的硅通常具有的氧濃度在大約5×1017-9×1017atom/cm3范圍內(ASTM標準F-121-83)。因為晶片的析氧特性變得基本上與理想析出晶片中的氧濃度沒有關系，原始晶片中任何地方的氧濃度下降到由切氏直拉法得到的范圍之內或者甚至下降到該范圍之外。
根據(jù)單晶硅結晶塊在從硅熔點溫度(約1410℃)到大約750-350℃的溫度范圍內的冷卻速度，氧淀析核化中心可在單晶硅結晶塊中形成，晶片從該結晶塊切片。在原材料中這些核化中心存在與否對于本發(fā)明不是關鍵的，然而，通過在不超過1300℃的溫度下對硅進行熱處理，這些中心能被溶解。一定的熱處理，例如在大約800℃溫度下對硅進行退火大約4小時，可穩(wěn)定這些中心，使得它們在不超過約1150℃的溫度下不會被溶解。氧淀析的檢測極限目前大約為5×106淀析數(shù)量/cm3。氧淀析核化中心的存在(或密度)不能用現(xiàn)有技術直接測量。然而可使用各種技術間接測量它們的存在。如先前討論的，在硅中預先存在的氧淀析核化中心可被穩(wěn)定，并且這些淀析可通過對硅進行析氧熱處理而在這些地點生長。因而，在析氧熱處理之后可間接測量核化中心的存在，該熱處理例如為在800℃溫度下退火4小時接著在1000℃溫度下退火16小時。
當置換碳在單晶硅中作為雜質存在時，置換碳能對氧淀析核化中心的形成起到催化作用。因此，基于這個或其它的原因，優(yōu)選單晶硅原材料具有較低濃度的碳。也就是說，單晶硅中的碳濃度應小于約5×1016atom/cm3，優(yōu)選小于1×1016atom/cm3，更優(yōu)選小于5×1015atom/cm3。
現(xiàn)在結合圖1，本發(fā)明的理想析出晶片的原材料，即單晶硅晶片1，具有前表面3、后表面5以及位于前后表面之間的假設的中分面7。在本文中術語“前”和“后”用于區(qū)分晶片兩個主要的、一般是平面的表面；對于此處所用的術語，晶片前表面不一定是隨后要在其上制作電子器件的表面，晶片后表面也不一定是與隨后要在其上制作電子器件的表面相反的晶片主表面。另外，由于硅晶片通常具有一些總厚度不均勻(TTV)、扭曲和彎曲的現(xiàn)象，因此，前表面上各點和后表面上各點之間的中點不會精確地落在一個平面內，然而實際上，TTV、扭曲和彎曲通常是如此輕微，以致于可以說中點極近似地落在假設的中分面內，該中分面與前、后表面的距離近似相等。
在本發(fā)明的工藝的第一實施例中，晶片1在步驟S1中在含氧氣氛中進行熱處理，從而生長包圍晶片1的表面氧化物層9。一般而言，該氧化物層的厚度大于在硅上形成的天然氧化物層(大約15埃)；優(yōu)選地，該氧化物層的厚度至少為約20埃，在一些實施例中至少為約25?；蛏踔林辽贋榧s30埃。然而，迄今為止所獲得的試驗結果表明，厚度大于約30埃的氧化物層盡管不與所希望的效果發(fā)生沖突，但沒有任何好處。
在步驟S2中，對晶片進行熱處理步驟，其中把晶片加熱到高溫，形成并由此增加晶片1中晶格空位13的數(shù)量密度。優(yōu)選地，此熱處理步驟在快速熱退火爐中執(zhí)行，在退火爐中，晶片快速加熱到目標溫度并在該溫度下退火相對較短的時間。一般而言，晶片經受超過1150℃的溫度，該溫度優(yōu)選至少1175℃，更優(yōu)選至少約1200℃，最優(yōu)選在約1200和1275℃之間。
在本發(fā)明的第一實施例中，快速熱退火步驟在氮化氣氛中進行，亦即在包含氮氣(N2)或含氮化合物氣體如氨的氣氛中進行，該氣氛能氮化暴露的硅表面。因而該氣氛只包含氮氣或氮化合物氣體，或者它另外包含非氮化氣體如氬。一旦達到退火溫度時，即使不是立即，也是幾乎此時在晶片中實現(xiàn)空位濃度的增加。晶片一般在此溫度下保溫至少1秒鐘，通常保溫至少幾秒鐘(例如至少3秒)，優(yōu)選保溫幾十秒鐘(例如20、30、40或50秒)，并且根據(jù)晶片所希望的特性，保溫時間可高達約60秒鐘(接近于商業(yè)上可行的快速熱退火爐的極限)。所得到的晶片在晶片中具有相對較均勻的空位濃度(數(shù)量密度)分布。
基于迄今為止所獲得的試驗結果，快速熱退火步驟在其中進行的氣氛優(yōu)選僅僅有相對較小的氧氣分壓、水蒸汽分壓和其它氧化氣體分壓，也就是說，該氣氛總體上缺少氧化氣體或此類氣體的分壓，不足以注入足夠數(shù)量的抑制空位濃度增加的硅自填隙原子。盡管氧化氣體濃度的下限沒有精確確定，但已證實對于0.01大氣壓(atm)或每百萬原子10000份(ppma)的氧分壓，觀察到空位濃度不增加并且沒有效果。因而，優(yōu)選氣氛具有小于0.01atm或10000ppma的氧氣和其它氧化氣體的分壓，更優(yōu)選地這些氣體在氣氛中的分壓不大于約0.005atm(5000ppma)，更優(yōu)選地不大于約0.002atm(2000ppma)，最優(yōu)選地不大于約0.001atm(1000ppma)。
除了導致形成晶格空位之外，快速熱退火步驟使存在于硅原材料中的任何不穩(wěn)定的氧淀析核化中心溶解。這些核化中心在例如單晶硅結晶塊的生長過程中形成，或者因晶片或結晶塊以前的熱歷史中的一些其它處理的結果而形成，其中晶片從結晶塊中切片而得到。因而，在原材料中這些核化中心存在與否不是關鍵的，只要這些中心能在快速熱退火步驟中被溶解就行。
快速熱退火可在任何商業(yè)上可行的快速熱退火(RTA)爐中進行，在爐中晶片被成排的高功率燈單獨加熱。RTA爐能快速加熱硅晶片，例如，RTA爐能把晶片在幾秒種內從室溫加熱到1200℃。這樣一種商業(yè)上可行的RTA爐是來自AG Associates(Mountain View,CA)的610型爐。
內在點缺陷(空位和硅自填隙)能通過單晶硅擴散，擴散速度視溫度而定。因此，內在點缺陷的濃度分布是內在點缺陷擴散率的函數(shù)，并且再結合率為溫度的函數(shù)。例如，在快速熱退火步驟中內在點缺陷在晶片退火的溫度附近相對而言是可移動的，但對于在700℃溫度下的任何工業(yè)實踐時間段基本上都是不可移動的。迄今為止所獲得的試驗結果表明，在小于約700℃的溫度下并也許在800℃、900℃或甚至1000℃下，空位的有效擴散速度顯著降低，對于任何工業(yè)實踐的時間段都認為空位是不可移動的。
一旦完成步驟S2，在步驟S3中晶片在后述溫度范圍內迅速冷卻，在該溫度范圍內晶格空位在單晶硅中相對而言是可移動的。當晶片溫度降低到此溫度范圍時，空位擴散進氧化層9中并被湮滅，因而導致空位濃度分布的變化，該變化程度取決于晶片在此溫度范圍內保溫時間的長短。如果晶片在此溫度范圍內保持此溫度無限長時間，在晶片主體11內空位濃度會再次變得基本上均勻，且該濃度是基本上小于剛完成熱處理步驟時的晶格空位濃度的平衡值。然而，通過快速冷卻晶片，會出現(xiàn)晶格空位的非均勻分布，且最大空位濃度出現(xiàn)在或接近中分面7處，并且空位濃度在晶片前表面3和后表面5的方向上減少。一般而言，在此溫度范圍內的平均冷卻速度為至少約每秒5℃，優(yōu)選至少約每秒20℃。根據(jù)所希望的解吸區(qū)深度，平均冷卻速度優(yōu)選為至少約每秒50℃，更優(yōu)選地為至少約每秒100℃，目前在一些應用中冷卻速度優(yōu)選為大約每秒100-200℃。一旦晶片冷卻到后述溫度范圍之外的溫度時，冷卻速度看起來并不顯著影響晶片的析出特性，因而顯得不是極其關鍵的，在該溫度范圍內晶格空位在單晶硅中相對而言是可移動的。通常，冷卻步驟在與加熱步驟相同的氣氛中執(zhí)行。
在步驟S4中，對晶片進行析氧熱處理。例如，晶片在800℃溫度下退火4小時，接著在1000℃溫度下退火16小時。作為替換方案并優(yōu)選地，與電子器件制造工藝第一步驟相同，把晶片裝入約800℃溫度的爐中。當在此溫度把晶片裝入爐中時，先前已快速熱退火的晶片具有析氧特性各自不同的單獨區(qū)域。在高空位區(qū)域(晶片主體)中，當晶片進入爐內時氧迅速聚集成簇。當達到裝入溫度時，聚簇工藝完成并且實現(xiàn)團簇分布，該分布僅取決于空位的初始濃度。在低空位區(qū)域(靠近晶片表面)中，晶片就象缺少預先存在的氧淀析核化中心的正常晶片一樣，也就是說，沒有觀察到氧團簇。當溫度升高到800℃以上或者如果溫度保持為恒定，在空位充足的區(qū)域中的團簇生長成為淀析物并由此被耗盡，而在空位貧乏的區(qū)域則無此現(xiàn)象發(fā)生。通過把晶片分成不同空位濃度的區(qū)域，有效地產生樣板，并通過樣板寫入析氧圖案，該圖案在晶片裝入爐內時就被固定。
如圖1所示，晶片內所得到的氧淀析深度分布，其特征在于，沒有氧淀析材料的清潔區(qū)域(解吸區(qū))15和15＇分別從前表面3和后表面5延伸到深度t、t＇。在無氧淀析區(qū)域15和15＇之間，有包含基本均勻的氧淀析密度的區(qū)域17。
區(qū)域17中的氧淀析濃度主要是加熱步驟的函數(shù)，其次是冷卻速度的函數(shù)。一般而言，在加熱步驟中，氧淀析濃度隨溫度的增加和退火時間的增加而增加，且一般獲得在約1×107-5×1010沉淀數(shù)量/cm3范圍內的沉淀密度。
無氧淀析的材料(解吸區(qū))15和15＇分別從前、后表面延伸的深度t、t＇主要是在后述溫度范圍內冷卻速度的函數(shù)，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。一般而言，深度t、t＇隨著冷卻速度的降低而增加，并且可獲得的解吸區(qū)深度至少為約10、20、30、40、50、70或者甚至100微米。顯著地，解吸區(qū)的深度基本上與電子器件制造工藝的細節(jié)無關，另外，與常規(guī)實踐的一樣，該深度與氧的向外擴散無關。
盡管用于本發(fā)明的此工藝中的快速熱處理可導致小量的氧從晶片前、后表面向外擴散，但向外擴散的量明顯小于在用于形成解吸區(qū)的常規(guī)工藝中所觀察到的量。結果，本發(fā)明的理想析出晶片具有基本均勻的填隙氧濃度，該濃度為到硅表面距離的函數(shù)。例如，在析氧熱處理之前，在從晶片中心到距硅表面大約15微米之內的晶片區(qū)域的范圍內，晶片具有基本均勻的填隙氧濃度，該范圍更優(yōu)選地從硅中心到距硅表面大約10微米之內的晶片區(qū)域，甚至更優(yōu)選地從硅中心到距硅表面大約5微米之內的晶片區(qū)域，并最優(yōu)選地從硅中心到距硅表面大約3微米之內的晶片區(qū)域。在本文中，基本均勻的氧濃度應指氧濃度的變化不超過約50％，優(yōu)選不超過20％，最優(yōu)選不超過10％。
通常，析氧熱處理不產生大量的從已經過熱處理的晶片向外擴散的氧。結果，在距晶片表面超過幾微米的解吸區(qū)內的填隙氧濃度不會因析出熱處理的結果而顯著地變化。例如，如果晶片解吸區(qū)包含硅表面和距離D1(至少約10微米)之間的晶片區(qū)域，距離D1從前表面并在朝著中分面的方向上測量，在解吸區(qū)內到硅表面距離等于二分之一D1的位置上的氧濃度通常至少是解吸區(qū)內任意處填隙氧濃度的峰值濃度的75％。對于一些析氧熱處理，在此位置上的填隙氧濃度會甚至更大，即至少是解吸區(qū)內任意處的最大氧濃度的85％、90％或甚至95％。
在本發(fā)明的第二實施例中，非氮化氣氛用于取代第一實施例加熱(快速熱退火)和冷卻步驟中的氮化氣氛。合適的非氮化氣氛包括氬、氦、氖、二氧化碳，及其它包含諸如非氧化、非氮化的元素及化合物的氣體，或此類氣體的混合物。非氮化氣氛與氮化氣氛一樣，可含相對較小的氧分壓，即分壓小于0.01atm(10000ppma)，更優(yōu)選地小于0.005atm(5000ppma)，更優(yōu)選地小于0.002atm(2000ppma)，并最優(yōu)選地小于0.001atm(1000ppma)。
在本發(fā)明的第三實施例中，步驟S1(熱氧化步驟)被忽略并且原始晶片僅有天然氧化物層。然而當此晶片在氮氣氣氛中退火時，其效果不同于當其氧化物層厚度大于天然氧化物層厚度(此時稱為“增厚氧化物層”)的晶片在氮氣中退火時所觀察到的效果。當包含增厚氧化物層的晶片在氮氣氣氛中退火時，一旦達到退火溫度，即使不是立即也是幾乎此時在晶片中實現(xiàn)空位濃度基本均勻的增加，而且，在給定的退火溫度下，作為退火時間的函數(shù)的空位濃度看起來并沒有明顯增加。然而，如果晶片僅有天然氧化物層并且如果晶片前、后表面在氮氣中退火，在晶片橫截面上，所得到的晶片一般會有呈“U形分布”的空位濃度(數(shù)量密度)分布，亦即最大濃度發(fā)生在離前、后表面幾微米處或幾微米之內；在晶片主體中產生相對穩(wěn)定的且更小的濃度；在晶片主體中的最小濃度起初近似等于在具有增厚氧化物層的晶片中所得到的濃度。進一步地，退火時間的增加會導致在僅有天然氧化物層的晶片中的空位濃度的增加。
試驗結果還表明，對于僅有天然氧化物層的晶片和具有增厚氧化物層的晶片而言，此種特性上的差別可通過在氣氛中包含分子氧或其它氧化氣體來避免。換句話說，當僅有天然氧化物層的晶片在包含小量氧分壓的氮氣氣氛中退火時，該晶片的特性與具有增厚氧化物層的晶片相同。不用受任何理論的約束，可看出，比天然氧化物層厚的表面氧化物層用作阻止硅氮化的屏蔽。通過在退火步驟中生長增厚氧化物層，此表面氧化物層因而在原始晶片的原位置上存在或形成。
因此根據(jù)本發(fā)明，在快速熱退火步驟過程中，氣氛優(yōu)選包含至少約0.0001atm(100ppma)的分壓，更優(yōu)選至少約0.0002atm(200ppma)的分壓。然而基于先前討論的原因，氧分壓優(yōu)選不超過0.01atm(10000ppma)，更優(yōu)選小于0.005atm(5000ppma)，更優(yōu)選小于0.002atm(2000ppma)，最優(yōu)選小于0.001atm(1000ppma)。
然而，需注意，作為具有氧分壓的氣氛的替代方案，在根據(jù)步驟S2在氮氣氣氛或中性氣氛中完成退火之后，硅晶片可在氧氣氣氛中簡單地進行熱退火，或快速熱退火處理。氧退火步驟可在晶片允許冷卻之后進行，或者替代地在一定溫度下(即當在完成初始熱退火步驟之后晶片還熱著的時候)進行。進而，對于任何上述實施例，此氧退火步驟可選地進行，借助于該步驟進一步調整或分配硅晶片內的空位濃度和在晶片中所得到的析氧圖案。
不用拘泥于任何特定的理論，可相信，氧退火導致硅晶片的氧化，從而用于產生硅自填隙的向內流動。通過使再結合發(fā)生、在表面上開始并接著向內移動，此種硅自填隙的向內流動具有逐漸改變空位濃度分布的效果。因此可產生低空位濃度區(qū)域，該區(qū)域在析氧熱處理之后形成一定深度的解吸區(qū)，該解吸區(qū)的深度對于由硅晶片制作的器件的具體最終用途而言是最佳的。
對于在硅晶片主體17內具有峰值空位濃度的硅晶片，通過控制表面氧化發(fā)生的速度，可分別有選擇性地增加區(qū)域15和15＇的深度t和t＇。氧化速度本身又取決于一些因素例如氣氛條件、此氧化步驟的溫度和時間。例如，氧化速度隨著氣氛中氧氣濃度的增加而增加，且當使用熱解蒸汽時該速度最大。
需注意，為了使深度t和/或t＇最優(yōu)化，氧化處理的準確條件可通過調整退火的溫度和時間、氣氛條件(即氣氛的組成以及氧分壓)來試驗確定。然而，如果除純氧或熱解蒸汽之外的物質用于本工藝，在氣氛中優(yōu)選氧分壓為至少約0.0001atm(100ppma)，更優(yōu)選為至少約0.0002atm(200ppma)。關于這點需注意，對于熱退火步驟，加在氧含量或分壓的限制對于本工藝的此可選步驟是不貼切的。進而，如果區(qū)域17中的峰值空位濃度要基本上保留，此氧化處理的溫度優(yōu)選超過約1150℃。更優(yōu)選地，該溫度至少大約等于在步驟S2熱處理過程中所用的溫度。不必拘泥于任何特定的理論，可相信如果該溫度小于在熱處理中所用的溫度，區(qū)域17中的峰值空位濃度因空位和自填隙的直接再結合而實際上降低。
如以上步驟S3所述，一旦完成氧化處理，晶片可在后述溫度范圍內迅速冷卻，在該溫度范圍內晶格空位在單晶硅中相對而言是可移動的。通過迅速冷卻晶片，空位濃度分布在硅基體內被有效地“凝固”，因而建立晶格空位的非均勻分布。因此，為了避免已建立的空位濃度分布喪失或消除，希望在此溫度范圍內以至少約每秒5℃的平均速度進行冷卻。然而優(yōu)選地，冷卻速度為至少約每秒20℃。需注意，當冷卻速度變化時，所得到的分布可進一步地改變。相應地，根據(jù)希望獲得的分布，平均冷卻速度為至少大約每秒50℃、大約每秒100℃或高達大約每秒200℃或更多。
一旦晶片冷卻到在后述溫度范圍之外的溫度，在該溫度范圍內晶格空位在單晶硅中相對而言是可移動的，冷卻速度看起來并不顯著地影響晶片的析出特性，因而冷卻速度似乎不是極其關鍵的。通常，冷卻步驟在與加熱步驟中相同的氣氛中進行。
如上詳述，此單獨的氧化處理是可接受的替代方案，通過調整冷卻速度來控制空位濃度分布。相應地，當使用此氧化處理時，步驟S4的冷卻速度可比此處所述的冷卻速度更大。另外，需注意，當希望深度t或t＇超過十幾微米、幾十微米或更多時，優(yōu)選此氧化處理。
還需要指出，氧化處理所具有的靈活性使得此種方法可在具有一般為“U形”的空位濃度(數(shù)量密度)分布的晶片上成功地進行。更具體地，如上所述，如果在晶片表面上僅有天然氧化物層的晶片在氮化氣氛中進行熱退火步驟S2，所得到的晶片會具有一般為“U形”的空位分布。通過使該晶片經過此氧化退火處理，可改變空位濃度分布，為了生產所希望的遵循本發(fā)明的空位分布，可有選擇性地確定暴露條件。
在本發(fā)明的其它實施例中，晶片前、后表面可暴露于不同的氣氛中，每種氣氛可包含一種或多種非氮化氣體。例如，當前表面暴露于非氮化氣氛時，晶片后表面可暴露于氮化氣氛。作為一種替代方案，當多個晶片(如2、3或更多個晶片)以面對面布置的方式層疊時，它們可同時進行退火，當以此方式退火時，面對面接觸的表面在退火過程中從氣氛中被機械地屏蔽。另一方面，根據(jù)在快速熱退火步驟過程中所用的氣氛以及所希望的晶片析氧分布，氧化物層可僅在晶片希望有解吸區(qū)的一側上形成，例如在晶片的前表面3上(見圖1)。以此方式屏蔽硅晶片的一個表面，產生包含非對稱空位分布的晶片。結果，所獲得的晶片僅在一側上具有解吸區(qū)，或者解吸區(qū)在一側上的深度比在另一側上的大。
本發(fā)明的工藝所采用的原材料可為拋光的硅晶片，或者作為替代方案，可為已研磨和蝕刻但未拋光的硅晶片。另外，晶片可有作為主要內在點缺陷的空位或自填隙點缺陷。例如，晶片從中心到邊緣可以是空位占主導的、或者晶片從中心到邊緣可以是自填隙占主導的，或者晶片可包含空位占主導的材料的中心核，該中心核被自填隙占主導的材料的軸向對稱環(huán)包圍。
如果外延層要淀積在理想析出晶片上，本發(fā)明的工藝可在外延淀積之前或之后進行。如果在之前進行，希望在本發(fā)明的工藝之后和在外延淀積之前穩(wěn)定晶片內的氧淀析核化中心。如果在之后進行，希望在外延淀積之后立即在外延反應器中進行本發(fā)明的工藝，只要能達到本發(fā)明的工藝所要求的冷卻速度就行。
對單晶硅中晶格空位的測量可通過鉑擴散分析進行。一般而言，鉑淀積在試樣上并擴散進水平表面中，優(yōu)選擴散時間和溫度，使Frank-Turnbull機制控制鉑擴散，但是鉑擴散應足以使被鉑原子染色的空位達到穩(wěn)定狀態(tài)。對于具有本發(fā)明通常所用的空位濃度的晶片，盡管在更低的溫度如680℃可得到更精確的跟蹤，但使用的擴散時間為20分鐘并且溫度仍為730℃。另外，為使硅化工藝可能造成的影響最小，鉑淀積方法優(yōu)選使表面濃度小于一個單層。鉑擴散技術在別處有描述，例如Jacob等，《J.Appl.Phys.》卷82，第182頁(1987)；Zimmermann和Ryssel的“非平衡條件下對硅中鉑擴散的模擬”，《J.Electrochemical Society》，卷139，第256頁(1992)；Zimmermann、Goesele、Seilenthal和Eichiner的“硅中空位濃度晶片繪制”，《Journalof Crystal Growth》，卷129，第582頁(1993)；Zimmermann和Falster的“早期切氏硅中氧淀析的核化”，《Appl.Phys.Lett.》，卷60，第3250頁(1992)；Zimmermann和Ryssel,《Appl.Phys.A》，卷55，第121頁(1992)。
實例1-5示出本發(fā)明的理想的析氧工藝，其中實例5具體示出本發(fā)明的氧化熱退火。這些實例都是說明性的，因此不應理解為對本發(fā)明的限制。
實例1硅單晶體用切氏直拉法拉制，切片并拋光后形成硅晶片。這些晶片接著在表Ⅰ所示條件下進行表面氧化步驟(S1)、在氮氣或氬中進行快速熱退火步驟(S2)、進行快速冷卻步驟(S3)以及進行氧穩(wěn)定和生長步驟(S4)。在步驟S1-S4之前晶片的初始氧濃度(Oi)、在步驟S4之后晶片主體中的氧淀析密度(OPD)、以及步驟S4之后解吸區(qū)的深度也在表Ⅰ中列出。
表Ⅰ
圖2、3和4示出所得到的晶片的橫截面(這些圖為以200X倍率拍的放大照片)，試樣4-7在圖2中示出，試樣4-8在圖3中示出，以及試樣3-14在圖4中示出。
另外，試樣4-7中的晶格空位濃度用鉑擴散技術繪圖。鉑濃度與到晶片表面的深度(0微米深度對應于晶片前側)的關系曲線如圖5所示。
實例2
為證明對于用切氏直拉法生長的硅晶片理想析氧工藝相對而言與氧濃度無關，對三個具有不同氧濃度的晶片進行與實例1所述的相同系列的步驟。每個步驟的條件、在步驟S1-S4之前晶片的初始氧濃度、在步驟S4之后晶片主體的氧淀析密度(OPD)、以及在步驟S4之后從晶片表面測得的解吸區(qū)深度都在表Ⅱ中列出。圖6、7和8示出得到的晶片的橫截面(這些圖為以200X倍率拍的放大照片)，試樣3-4在圖6中示出，試樣3-5在圖7中示出，以及試樣3-6在圖8中示出。
表Ⅱ
實例3為證明理想析氧工藝相對而言與用于氧淀析穩(wěn)定和生長步驟(S4)的條件無關，對具有相同初始氧濃度的晶片(試樣1-8)進行與實例2中試樣3-4所述的相同系列的步驟，不同的是有專利權的、工業(yè)16MbDRAM工藝用作氧淀析穩(wěn)定和生長步驟(S4)。圖9示出所得到的晶片的橫截面(此圖為以200X倍率拍的放大照片)。在步驟S4之后，試樣1-8和3-4有可比較的主體氧淀析密度(試樣1-8為7×1010/cm3而試樣3-4為4×1010/cm3)和可比較的解吸區(qū)深度(大約40微米)。
實例4此實例示出在主體微缺陷的密度即氧淀析密度中和在解吸區(qū)(DZ)深度中觀察到的趨勢，該解吸區(qū)深度是因在熱處理過程中在氣氛中增加氧濃度而得到的。在不同工藝條件下對三組不同的晶片進行快速熱退火。組A中的晶片在氮氣氣氛中在1200℃下退火30秒；組B中的晶片在相同條件下退火20秒；以及組C中的晶片在氬氣氣氛中在1200℃下退火30秒。本實例中三組晶片中的任何一個都不進行預氧化步驟。
如下表Ⅲ所示，對于給定組中的每個晶片，氧分壓增加。一旦完成退火，每個晶片的BMD密度和DZ深度以本領域中標準方式確定。結果如下表Ⅲ所示。
表Ⅲ
ND=未確定。
上述數(shù)據(jù)表明隨著氣氛中氧分壓增加，主體微缺陷的數(shù)量密度降低。另外，當氧分壓達到10000ppma時，主體微缺陷的數(shù)量密度與在后述晶片中觀察到的主體微缺陷的數(shù)量密度是不可分辨的，該后述晶片已進行析氧熱處理而之前沒有進行根據(jù)本發(fā)明的預先快速熱退火。
實例5氧化熱退火處理為了示出本發(fā)明的氧化熱退火處理，從根據(jù)切氏直拉法生長的單晶硅結晶塊獲得的硅晶片僅有天然氧化物層，對該晶片進行快速熱退火步驟(S2)。在每種情況下，晶片在快速熱退火爐內在含氨氣氛中在大約1180℃下退火約3分鐘，然后快速冷卻(S3)?，F(xiàn)在結合圖11和12，可觀察到，在氧穩(wěn)定和生長步驟(S4)和NEC-1處理之后，此工藝條件產生基本上沒有解吸區(qū)且其主體氧淀析密度(OPD)大于約1×1010atom/cm3的硅晶片。
與圖11和12晶片相比，如果在完成冷卻(S3)之后和在步驟S4之前對晶片進行氧化熱退火步驟，可形成解吸區(qū)?，F(xiàn)在結合圖13和14，在完成冷卻之后，為除去存在的任何氮化物層，對晶片表面輕微腐蝕。接著在快速熱退火爐中在含氧環(huán)境下對晶片加熱到約1180℃并保溫大約3分鐘，在此實例中該含氧環(huán)境具有大約100％的氧濃度?？捎^察到，在氧穩(wěn)定和生長步驟(S4)和NEC-1處理之后，此工藝條件產生解吸區(qū)深度為大約60μm且主體氧淀析密度(OPD)大于約1×1010atom/cm3的硅晶片。
現(xiàn)在結合圖15和16，可觀察到，氧化熱退火步驟可僅在硅晶片的一側上進行。通過屏蔽晶片不需被處理的一側，實現(xiàn)單側處理。如圖15和16所示的晶片以與圖13和14所示晶片相同的方式進行處理，不同地是通過先用低溫的、化學汽相淀積(CVD)工藝形成氮化硅涂層，來屏蔽晶片的一側?？捎^察到，在氧穩(wěn)定和生長步驟(S4)和NEC-1處理之后，所得到的晶片在不被屏蔽的一側(前側)上的解吸區(qū)深度為約60μm，同時晶片屏蔽側(后側)基本上沒有解吸區(qū)。晶片主體氧淀析密度(OPD)大于約1×1010atom/cm3。
需注意，為了得到本工藝的結果，除去所存在的任何氮化物層的晶片表面蝕刻是不必要的。相反地，表面蝕刻是可選的，并且相應地，不應理解為這是對本工藝的限制。
還需指出，鑒于實例5，通過在氧化氣氛中對晶片進行熱退火，可有效地形成解吸區(qū)。另外，由本發(fā)明的其它實施例形成的解吸區(qū)，可通過此熱氧化處理進一步變更。例如，試樣4-7和4-8(實例1)的解吸區(qū)的深度，可通過在步驟S4析氧熱處理之前對試樣進行此熱氧化處理來增加。同樣，對于試樣3-14(實例1)，解吸區(qū)可通過對晶片進行此熱氧化處理來形成。
鑒于以上描述，本發(fā)明的幾個目的可得到實現(xiàn)。只要不偏離本發(fā)明的范圍，可對上述組成和工藝進行各種變化，應當理解，包含在以上描述中的所有內容是說明性的，不應理解為對本發(fā)明的限制。
權利要求
1．一種對單晶硅晶片進行熱處理以便在后續(xù)熱處理步驟中影響晶片的析氧特性的工藝，其中，該硅晶片具有前表面、后表面、位于前后表面之間的中分面、包含有前表面和距離D之間晶片區(qū)域的表面層、以及包含有中分面和表面層之間晶片區(qū)域的主體層，距離D從前表面并在朝著中分面的方向上測量，該工藝包括以下步驟在氣氛中對晶片進行熱處理，從而在晶片的表面和主體層內形成晶格空位；在具有至少約100ppma氧分壓的氣氛中在超過約1150℃的溫度下對已經過熱處理的晶片進行熱退火；以及控制已退火晶片的冷卻速度，產生具有一定空位濃度分布的晶片，在該分布中峰值密度出現(xiàn)在或接近中分面處；并且空位濃度一般在晶片前表面方向上減少；而且表面和主體層中空位濃度之間的差別使晶片在超過750℃的溫度下進行的熱處理能在表面層中形成解吸區(qū)且在主體層中形成氧團簇或淀析，該主體層中氧團簇或淀析的濃度主要取決于空位的濃度。
2．如權利要求1所述的工藝，其中，通過對晶片加熱到至少約1175℃且保溫時間小于約60秒，從而實現(xiàn)用于形成晶格空位的熱處理。
3．如權利要求1或2所述的工藝，其中，晶片在氮化氣氛中進行熱處理以形成晶格空位。
4．如權利要求3所述的工藝，其中，氣氛具有小于約5000ppma的氧分壓。
5．如權利要求1或2所述的工藝，其中，晶片在非氮化氣氛中進行熱處理以形成晶格空位。
6．如權利要求5所述的工藝，其中，氣氛主要是氬、氦、或其混合物。
7．如權利要求5所述的工藝，其中，氣氛具有小于約5000ppma的氧分壓。
8．如權利要求1或2所述的工藝，其中，在用于形成晶格空位的熱處理之前，通過在含氧氣氛中加熱晶片，使氧化物層在晶片前表面上生長。
9．如權利要求8所述的工藝，其中，晶片在氮化氣氛中進行熱處理以形成晶格空位。
10．如權利要求8所述的工藝，其中，晶片在非氮化氣氛中進行熱處理以形成晶格空位。
11．如權利要求1或2所述的工藝，其中，熱退火采用的溫度大約等于熱處理所采用的溫度。
12．如權利要求1或2所述的工藝，其中，熱退火采用的氣氛具有至少約200ppma的氧分壓。
13．如權利要求1或2所述的工藝，其中，在后述溫度范圍內以至少約20℃/秒的速度冷卻已退火的晶片，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。
14．如權利要求1或2所述的工藝，其中，在后述溫度范圍內以至少約50℃/秒的速度冷卻已退火的晶片，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。
15．如權利要求1或2所述的工藝，其中，在熱退火之前，在后述溫度范圍內以至少約50℃/秒的速度冷卻已經過熱處理的晶片，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。
16．如權利要求1或2所述的工藝，其中，在熱退火之前，在后述溫度范圍內以至少約100℃/秒的速度冷卻已經過熱處理的晶片，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。
17．一種對單晶硅晶片進行熱處理以便在后續(xù)熱處理步驟中影響晶片的析氧特性的工藝，其中，該硅晶片具有前表面、后表面、位于前后表面之間的中分面、包含有前表面和距離D之間晶片區(qū)域的表面層、以及包含有中分面和表面層之間晶片區(qū)域的主體層，距離D從前表面并在朝著中分面的方向上測量，該工藝包括以下步驟在氣氛中對晶片進行熱處理，從而在晶片的表面和主體層內形成晶格空位；通過在含氧氣氛中加熱已經過熱處理的晶片，對所述晶片的表面進行氧化；以及控制已退火晶片的冷卻速度，產生具有一定空位濃度分布的晶片，在該分布中峰值密度出現(xiàn)在或接近中分面處；并且空位濃度一般在晶片前表面方向上減少；而且表面和主體層中空位濃度之間的差別使晶片在超過750℃的溫度下進行的熱處理能在表面層中形成解吸區(qū)且在主體層中形成氧團簇或淀析，該主體層中氧團簇或淀析的濃度主要取決于空位的濃度。
18．如權利要求17所述的工藝，其中，通過在熱解蒸汽中加熱已經過熱處理的晶片，對所述晶片的表面進行氧化。
19．如權利要求17所述的工藝，其中，通過在具有至少約100ppma氧分壓的含氧氣氛中加熱已經過熱處理的晶片，對所述晶片的表面進行氧化。
20．如權利要求17或19所述的工藝，其中，晶片在氮化氣氛中進行熱處理以形成晶格空位。
21．如權利要求17或19所述的工藝，其中，晶片在非氮化氣氛中進行熱處理以形成晶格空位。
22．如權利要求17或19所述的工藝，其中，在對晶片熱處理形成晶格空位之前，通過在含氧氣氛中加熱晶片，使氧化物層在晶片前表面上生長。
23．如權利要求17或19所述的工藝，其中，通過對已經過熱處理的晶片加熱到至少約1150℃，對所述晶片進行氧化。
24．如權利要求17或19所述的工藝，其中，在后述溫度范圍內以至少約20℃/秒的速度冷卻已氧化的晶片，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。
25．如權利要求17或19所述的工藝，其中，在熱退火之前，在后述溫度范圍內以至少約50℃/秒的速度冷卻已經過熱處理的晶片，在該溫度范圍內晶格空位在硅中相對而言是可移動的。
26．如權利要求20所述的工藝，其中，通過對晶片加熱到至少約1175℃且保溫時間小于約60秒，從而實現(xiàn)用于形成晶格空位的熱處理。
全文摘要
本發(fā)明公開一種對單晶硅晶片進行熱處理以便在后續(xù)熱處理步驟中影響晶片的析氧特性的工藝。該硅晶片具有前表面、后表面、位于前后表面之間的中分面。在本工藝中，對晶片進行熱處理以形成晶格空位，該空位在硅主體中形成。接著，為了在晶片內建立空位濃度分布，通過在含氧氣氛中加熱，對已經過熱處理的晶片進行氧化。然后，已氧化的晶片從所述氧化熱處理溫度以一定速度冷卻，該冷卻速度允許晶格空位的一部分，但不是全部，擴散進前表面中以形成具有一定空位濃度分布的晶片，在該空位濃度分布中峰值密度出現(xiàn)在或接近中分面處，并且空位濃度一般在晶片前表面方向上減少。
文檔編號H01L21/322GK1317152SQ99810597
公開日2001年10月10日 申請日期1999年8月27日 優(yōu)先權日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