CN1312326C - 消除自动掺杂和背面晕圈的外延硅晶片 - Google Patents

Abstract

一种单晶硅晶片，晶片的背面没有密封的氧化物，并且基本上没有化学汽相淀积工艺引入的晕圈。并在衬底正面上有外延硅层，外延硅层的特征在于从晶片的中心轴朝晶片的圆周边径向向外延伸的轴向对称区其电阻率基本上均匀，轴向对称区的半径为晶片半径长度的至少约80%。

Description

消除自动掺杂和背面晕圈的外延硅晶片

发明背景

本发明一般涉及制备在电子部件的制造中使用的的半导体材料衬底，特别是硅晶片的制备。更具体地，本发明涉及具有自动掺杂减少并且背面无晕圈的外延硅层的单晶硅晶片。

在通过切克劳斯基(Czochralski)法生长单晶硅的制造中，首先在带或不带掺杂剂的石英坩埚中融化多晶硅。多晶硅融化并且温度均衡之后，籽晶浸在熔融体内，随后提取形成单晶硅锭，同时旋转石英坩埚。随后单晶硅锭被切成各硅晶片，硅晶片要进行几个处理步骤，包括研磨/摩擦，腐蚀和抛光以制备正面具有镜面光泽的成品硅晶片。除了抛光正面之外，许多器件制造商还需要具有镜面光泽的抛光背面(这种晶片通常称做“双面抛光”)。要制备用于器件制造的成品晶片，可以对晶片进行化学汽相淀积工艺例如外延淀积工艺，在晶片的正面上生长通常在约0.1和约200微米厚之间的硅薄层，由此器件可以直接制备在外延层上。常规的外延淀积工艺公开在U.S.专利No.5,904,769和5,769,942中。

外延淀积工艺通常由两个步骤组成。第一步骤为硅晶片装载到淀积室内并放到基座上之后，在约1150℃向晶片的正面送入清洁气体例如氢气或氢气/盐酸的混合物以“预烘焙”和清洁硅晶片的正面，并除去该表面上的任何自然氧化物，使外延硅层连续和均匀地生长在正面上。在外延淀积工艺的第二步骤中，在约800℃或更高温度下向晶片的正面送入汽相硅源例如硅烷或三氯硅烷以在正面上淀积和生长外延硅层。在外延淀积工艺的两个步骤期间，在外延淀积室中硅晶片由基座支撑，基座在工艺期间通常旋转，以确保均匀生长外延层。基座通常由高纯度的石墨组成，并具有完全覆盖石墨的碳化硅层，以减少高温工艺期间从石墨释放到周围环境内的如铁等污染物的量。在外延淀积工艺中使用的常规基座在本领域中已公知，介绍在U.S.专利No.4,322,592，4,496,609，5,200,157和5,242,501中。

装载期间，随着晶片落到基座，气体截流在传统基座和晶片之间使晶片“浮起”并滑落到基座上不是预想的位置中(例如，部分在凹陷的“容器”之外)。这导致不均匀的外延生长。此外，预烘焙步骤期间，如氢气等少量清洁气体在晶片和基座之间的晶片边缘周围流动并进入到晶片和基座之间的空间内。如果用氧化层(通常约3000到约5500厚)密封晶片的背面，那么流动的氢气不能充分地与氧化层反应，在层中产生针孔或不能完全除去氧化层。如果根据许多器件制造商的需要背面为腐蚀或抛光表面并且仅含有薄氧化层(通常约15到约30)，氢气或氢气/盐酸的混合物能完全除去清洁气体在晶片周围流动的背面外边缘附近的自然氧化层，随着腐蚀离开晶片的外边缘向内移动，在自然氧化层中产生针孔开口露出硅表面。这些针孔开口通常在晶片周边向内形成环形区。

在外延淀积工艺期间，少量的含硅源气也流动在晶片和基座之间的晶片边缘周围，并进入到晶片和基座之间的空间内。如果晶片的背面被氧化物密封，那么基本上抑制了硅膜的成核和生长。在自然氧化物已完全被清洁气体腐蚀掉的区域中，生长平滑、连续的硅层。然而在清洁气体没有完全除去自然氧化层的区域，自然氧化层中的针孔露出硅晶片，并且使含硅源气在针孔中淀积硅并在外延淀积期间在晶片背面上生成不均匀的硅膜。由此，对于具有仅有自然氧化层的腐蚀或抛光背面的晶片，预烘焙步骤期间在自然氧化层中产生的针孔导致背面上不连续的硅生长，在强光照射下显得模糊。晶片背面上的这种模糊或“晕圈”由直径约0.5微米和高约10毫微米的小的硅生长点或突点组成。这些硅的突点散射光并导致模糊并且是不希望的，是由于它们会干扰机械影象和器件处理期间观察晶片背面的光学高温测量***。在双面抛光的晶片的镜面光泽的背面上，在亮光下和通过激光表面扫描仪，人眼可以细致地看到晕圈(参见图12A)。与之相比，单面抛光的晶片的较粗糙背面导致反射光很大程度被漫散射，减少了晕圈的出现。

外延硅层的高温生长期间遇到的另一问题是高温预烘焙和外延生长步骤期间如硼或磷等掺杂剂原子向外扩散穿过硅晶片的背面。采用常规的基座，从背面向外扩散的掺杂剂原子在晶片边缘和基座之间朝晶片的正面渗出。这些掺杂剂原子引入并沾污了生长的淀积层并降低了晶片边缘附近的电阻率均匀性。如果使用氧化物密封硅晶片的背面，那么掺杂剂原子基本上不会从背面向外扩散。然而，具有腐蚀或抛光背面的硅晶片在外延淀积工艺期间掺杂剂从背面向外扩散会导致正面不希望的自动掺杂。

现已提出几种方法尝试消除背面晕圈和自动掺杂。为消除背面晕圈，Nakamura(日本待审专利申请No.JP11-16844)公开了在将晶片装载到外延反应室内之前对背面进行至多10天的去除氟化氢和/或高温氢退火。工艺增加了额外的处理步骤，极大地增加了复杂性和淀积工艺的成本。Deaton等人(U.S.专利No.5,960,555)公开了一种利用沿晶片边缘的内置槽的基座将净化气体引导流向晶片边缘防止正面反应源气渗入到晶片背面的方法。该工艺需要大量修改现有的外延淀积室，并增加了净化气体流使净化气体溢出到正面并与源气混合，使所得外延膜退化。

为减少自动掺杂，Hoshi(日本待审专利申请No.JP11-87250)公开了在基座的边缘使用真空吸引排出基座边缘上的硼掺杂剂并防止自动掺杂。该工艺影响了晶片边缘的均匀性和厚度，并且需要大量修改现有的外延淀积***。Nakamura(日本待审专利申请No.JP10-223545)公开了一种改进的基座，在基座的边缘上有狭缝，由此向外扩散的掺杂剂原子被下压穿过狭缝并进入到排气装置内。该方法也使大量的淀积气体排到晶片的背面下面，导致以前介绍过的晕圈效应并且过早腐蚀了排气***，存在安全性的问题。

到目前为止，现有技术没有公开外延淀积工艺期间控制半导体背面上晕圈效应以及与掺杂剂从背面向外扩散相关的自动掺杂问题的满意方法。由此，在半导体工业中需要一种简单、低成本的有效措施以解决外延淀积工艺期间的晕圈效应和硅晶片正面不希望的自动掺杂。

发明概述

因此本发明的目的是提供一种单晶硅晶片，(a)具有基本上不受气相自动掺杂影响的外延表面；以及(b)具有无晕圈的背面。

因此，简而言之，本发明涉及一种单晶硅晶片，包括硅晶片衬底，衬底具有中心轴、通常垂直于中心轴的正面和背面、圆周边、以及从中心轴向晶片圆周边延伸的半径。晶片的背面没有密封的氧化物，并且基本上没有化学汽相淀积工艺引入的晕圈。此外，硅晶片衬底包括P型或N型掺杂剂原子。单晶硅晶片还包括硅晶片衬底正面上的外延硅层。外延硅层的特征在于从中心轴朝圆周边径向向外延伸的轴向对称区，其中电阻率基本上均匀。轴向对称区的半径为至少约80％的衬底半径长度。外延硅层也包括P型或N型掺杂剂原子。

本发明还涉及在化学汽相淀积室中硅晶片衬底上生长外延硅层的工艺。该工艺包括用清洁气体接触硅晶片衬底的正面和硅晶片衬底的基本上整个背面，从硅晶片衬底的正面和背面除去氧化层。除去氧化层之后，外延层生长在硅晶片衬底的正面上。生长外延层期间，净化气体引入到化学汽相淀积室内，以减少从硅晶片衬底的背面向外扩散引入到外延硅层中的掺杂剂原子的数量。

本发明还涉及通过化学汽相淀积工艺生长外延硅层期间支撑硅晶片的设备。该设备包括按尺寸制作和构形以支撑硅晶片的基座。基座具有开口密度约为0.2开口/cm²和约4开口/cm²之间的表面，该表面通常与硅晶片相对地并排设置。开口使流体穿过表面硅晶片的背面相接触。

本发明还涉及在外延淀积工艺中使用的设备，其中外延硅层生长在具有正面和背面的硅晶片衬底上。该设备包括室、支撑硅晶片衬底的晶片支撑装置、以及支撑晶片支撑装置和硅晶片衬底的可旋转装置。晶片支撑装置使流体接触硅晶片衬底的正面和硅晶片衬底的基本上整个背面。设备还包括加热元件、使清洁气体、源气和净化气体进入设备的进气口、以及使以上气体排出设备的排气口。

本发明的其它目的和特点部分将很显然，部分在下文中指出。

附图简介

图1示出了根据本发明用做起始材料的单晶硅晶片的结构。

图2为在图3的线26-26的平面中截取的本发明的晶片支撑装置的一个实施例的剖面图。

图3为本发明的晶片支撑装置的一个实施例的俯视图。

图4为外延反应室，示出了沿图3中的线26-26的平面截取的本发明的晶片支撑装置的一个实施例的剖面图。

图5为本发明的晶片支撑装置的一个实施例的剖面图。

图6为本发明的晶片支撑装置的一个实施例的剖面图。

图7为本发明的外延反应室，示出了晶片支撑装置的一个实施例。

图8为本发明的外延反应室，示出了晶片支撑装置的一个实施例。

图9为本发明的外延反应室，示出了晶片支撑装置的一个实施例。

图10为本发明的外延反应室，示出了晶片支撑装置的一个实施例。

图11为对比根据本发明和常规工艺生长的硅晶片上淀积的外延层的电阻率分布的曲线图。

图12包含两个比较外延晶片的背面上晕圈程度的模糊形貌图。图12A为使用常规工艺制造的外延生长之后没有背面密封的晶片形貌图。图12B为根据本发明制造的外延生长之后没有背面密封的晶片形貌图。

图13含有比较外延晶片的正面的纳形貌(nanotopography)的表面纳形貌图。图13A为使用常规的基座制造的晶片的形貌图。图13B为使用多孔基座制造的晶片的形貌图。

图14示出了根据本发明的优选实施例制备的晶片的氧沉积物(precipitate)分布。

图15为在反应室内定位晶片的EPI CENTURA^(Applied Materials，Santa Clara，CA)中使用的机构的示意图。在图中，基座支撑轴105和晶片提升轴107处于变换位置。

图16为在反应室内定位晶片的EPI CENTURA^中使用的机构的示意图，其中基座支撑轴105和晶片提升轴107处于原位置。

图17为在反应室内定位晶片的EPI CENTURA^中使用的机构的示意图。在图中，基座支撑轴105和晶片提升轴107处于处理位置。

图18为在反应室内定位晶片的EPI CENTURA^中使用的机构的示意图。该图示出了根据本发明快速冷却晶片以影响晶片中晶格空位分布时基座支撑轴105和晶片提升轴107的优选位置。

图19为图15的反应室内定位晶片的EPI CENTURA^中使用的机构的俯视图。

在所有图中对应的参考数字表示对应的部件。

优选实施例的详细说明

根据本发明，现已开发出包括基本上无自动掺杂的外延硅层淀积其上的正面以及无氧化物密封层和晕圈的背面的单晶硅晶片。

A. 硅晶片衬底

本发明的起始材料优选为已从根据任何常规的切克劳斯基晶体生长法生长的单晶锭上切下的单晶硅晶片衬底。如果需要无氧的晶片衬底，那么起始材料优选从根据任何常规的浮区晶体生长法生长的单晶锭上切下。生长硅锭、以及标准的硅切片、研磨、腐蚀和抛光技术在本领域中已公知，例如，公开在F.Shimura，Semiconductor Silicon Crystal Technology(Academic Press，1989)；以及Silicon Chemical Etching(J.Grabmaier，ed.，Springer-Verlag，New York，1982)。

参考图1，单晶硅晶片1包括晶片衬底4，晶片衬底4优选具有中心轴8、通常垂直于中心轴的正面3和背面5、正面和背面之间虚中心面7、结合正面3和背面5的圆周边2、以及从中心轴延伸到圆周边2的半径9。背面没有氧化物密封层。应该注意由于硅晶片通常具有一些总厚度变差(TTV)、翘曲以及弯曲，正面上的每个点和背面上的每个点之间的中点没有精确地落在一个平面内。然而，实际上，总厚度变差、翘曲以及弯曲通常很轻，可以说接近中点，落在正面和背面之间基本等间距的虚中心面内。

晶片含有一种或多种掺杂剂使晶片获得各种需要的特性。例如，晶片可以是P型晶片(即，晶片掺杂元素周期表的III族的一种元素，例如硼、铝、镓和铟，最常用的是硼)或N型晶片(即，掺杂元素周期表的V族的一种元素，例如磷、砷、锑，最常用的是磷)。优选，晶片为具有从约100Ω-cm到约0.005Ω-cm电阻率的P型晶片。对于硼掺杂的硅，以上电阻率值分别对应于约1.33×10¹⁴atom/cm³到约2×10¹⁹atom/cm³的掺杂剂浓度。在特定的优选实施例中，晶片为具有约20Ω-cm到约lΩ-cm电阻率的P型晶片(通常称做P-硅)。在另一特定优选实施例中，晶片为具有从约0.01Ω-cm到约0.005Ω-cm电阻率的P型晶片(通常称做P⁺⁺硅)。在又一特定优选实施例中，晶片为具有从约0.03Ω-cm到约0.01Ω-cm电阻率的P型晶片(通常称做P⁺硅)。

使用切克劳斯基法制备的晶片通常具有从约5×10¹⁷atom/cm³到约9×10¹⁷atom/cm³的氧浓度(换句话说，从约10ppm到约18ppm(即，在晶片中每1,000,000总原子中约10到18个氧原子))(ASTM标准F-121-80)，最好约6×10¹⁷atom/cm³到8.5×10¹⁷atom/cm³(即，约12ppm到17ppm)。

B. 外延硅层

根据本发明制备的单晶硅晶片包括外延硅层淀积其上的表面。外延层可以淀积在整个晶片上，或者仅淀积在部分晶片上。参考图1，外延层10淀积在晶面的正面3上，以及优选晶片的整个正面上。外延层是否优选淀积在晶片的其它任何部分上取决于晶片的实际应用。对于大多数的应用，外延层是否存在于晶片的任何其它部分不重要。

从切克劳斯基法制备的锭上切下的单晶硅晶片经常在它们的表面上有晶体原生凹坑(“COPs”)。然而，通常需要用于集成电路制造的晶片表面基本上没有COP。通过将外延硅层淀积到晶片表面上制备表面基本上没有COP的晶片。这种外延层填充在COP中，最终得到光滑的晶片表面。这已成为近来的科学研究的主题。参见Schmolke等人，The Electrochem.Soc.Proc.PV98-1卷，855页(1998)；Hirofumi等人Jpn.J.Appl.Phys.36卷，2565页(1997)。通常，使用厚度至少约0.1μm的外延硅层消除晶片上的COP。优选，外延层具有至少约0.1μm和至多约2μm的厚度。更优选，外延层具有从约0.25μm到约1μm的厚度，最优选从约0.5μm到约1μm的厚度。

应该注意除了消除COP的目的之外，还需要外延层的厚度大于消除COP的优选厚度。例如，如果消除COP之外，外延层用于将电特性赋予晶片表面，外延层的厚度可以达到约200μm。通常，赋予电特性淀积的外延层的厚度约1μm到约100μm，优选约2μm到约30μm。更优选，用最小的厚度(例如约3μm)获得额外所需效果。

优选，外延层的厚度均匀。晶片上整个表面的厚度一致性优选小于目标厚度的约1％到约5％。由此，如果目标厚度约3μm，那么整个晶片表面的厚度差优选小于约30nm到约150nm。更优选，整个晶片表面的厚度差小于约30nm到约100nm。通常使用傅立叶变换红外光谱测定法(FTIR)在晶片表面上几个点测量外延层的厚度。例如，FTIR用于测量靠近晶片中心以及靠近圆周边的4个点(例如，约90°分开并且从圆周边向内约5-10nm的点)处的外延层厚度。

体现本发明晶片的第二种方法是称做“纳形貌”的晶片表面高度变化——局部表面区域上的厚度变化(例如，晶片表面被分为虚平方单位0.5mm×0.5mm，2mm×2mm或10mm×10mm)。纳形貌主要是由于如研磨、腐蚀和抛光等的晶片工艺，然而，外延层厚度中的变化也是重要原因。随着光刻的临界结构尺寸减小，硅晶片必须满足比以前更严格的纳形貌标准(目前，现有的临界结构尺寸的状态约0.15μm到约0.18μm)。外延硅层的纳形貌变化主要是由于外延淀积工艺期间晶片的不均匀受热在晶片中产生热梯度。不均匀受热的主要原因是由于基座中较大的起模(liftpin)针孔，使直接位于起模针孔上晶片区域的受热温度与周围材料的温度不同。构成起模针的材料(例如，石墨、碳化硅和石英)也会导致起模针上的晶片区域被加热到不同温度。温度差使外延层以不同的速率生长，导致局部厚度变化(例如，40nm，60nm，或更大)，通常称做针标。

在本发明的一个实施例中，对于0.5mm×0.5mm的纳形貌优选小于约1％外延层的靶厚度，更优选小于约0.7％的靶厚度，更优选小于约0.3％的靶厚度。由此，对于3μm的外延层，对于0.5mm×0.5mm的纳形貌优选小于约30nm，更优选小于约20nm，更优选小于约10nm。在本发明的另一实施例中，对于2mm×2mm的纳形貌优选小于约1％外延层的靶厚度，更优选小于约0.7％的靶厚度，更优选小于约0.3％的靶厚度。在附加的实施例中，对于10mm×10mm的纳形貌优选小于约3％外延层的靶厚度。

C. 外延生长工艺

如上所述，背面腐蚀的单侧抛光的晶片和双侧抛光的晶片在正面和背面上有自然氧化层。根据本发明，外延淀积工艺包含在正面上淀积外延层之前，在晶片的正面和基本上整个背面上除去自然氧化层。优选通过在基本上没有氧化物的气氛(优选，没有氧化物的气氛)中加热晶片表面直到从表面上除去氧化硅层完成氧化硅层的除去。在特定的优选实施例中，将晶片表面加热到至少约1100℃的温度，更优选至少约1150℃的温度。优选进行所述加热同时将晶片的整个正面和基本上整个背面暴露到清洁气体，清洁气体包括惰性气体(例如，He、Ne或Ar)、H₂、HF气体、HCl气体或它们的组合。更优选，清洁气体包括H₂或H₂和HCl的组合。最优选，清洁气体基本上由H₂组成。应该注意虽然使用含N₂的气氛，但由于它们易于在表面上形成氮化物，氮化物会干扰随后表面上的外延淀积，因此不优选这种气氛。清洁气体的流速通常在1升/分钟和约50升/分钟之间，优选在10升/分钟和约20升/分钟之间，至少约10秒钟。

将晶片的背面暴露到清洁气体除去自然氧化层基本上减少或消除了由自然氧化层中的针孔造成的晕圈效应。换句话说，在生长外延硅层之前除去自然氧化物得到在晶片检查强光或激光表面扫描仪下用肉眼不能看到晕圈的晶片背面。

除去自然氧化层之前或期间，优选在不会导致滑动的速率下加热晶片。更具体地，如果加热晶片过快，产生热梯度，形成内部应力足以使晶片内的不同平面相互移动(即，滑动)。从约750℃以下到约800℃，晶片的快速受热不会产生显著的滑动，然而，在约800-900℃到约1150-1200℃之间，晶片的快速受热产生滑动。现已发现轻掺杂晶片(例如，掺硼并且具有约1Ω-cm到约100Ω-cm的晶片)特别易于滑动。为避免该问题，优选在从约800-900℃到氧化硅除去温度下，以约20℃/sec到约35℃/sec的平均速率加热晶片。

从晶片的正面和背面除去自然氧化物层之后，停止流动清洁气体，将反应室中的温度调节在约600℃和约1200℃之间，优选至少约1100℃，更优选至少约1150℃。然后晶片的正面接触含硅源气，将外延层淀积在正面上。优选，除去自然氧化物之后，表面接触源气少于30秒，更优选除去自然氧化物之后约20秒内，更优选除去自然氧化物之后约10秒内。除去硅氧化层之后等待初始硅淀积10秒钟，使晶片的温度稳定并且均匀。

优选通过化学汽相淀积进行外延淀积。一般来说，化学汽相淀积包括在外延汽相反应室例如，EPI CENTURA^(Applied Materials，Santa Clara，CA)中将晶片表面暴露到含硅气氛。在本发明的优选实施例中，晶片的表面暴露到包括易挥发气体的气氛中，易挥发气体包含硅(例如，SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl、或SiH₄)。气氛还优选含有携带气体(最优选H₂)。在一个实施例中，外延淀积期间硅源为SiH₂Cl₂或SiH₄。如果使用SiH₂Cl₂，淀积期间的反应室压力优选从约500到约760 Torr。另一方面，如果使用SiH₄，那么反应室压力优选约100 Torr。更优选，淀积期间的硅源为SiHCl₃。该源比其它源便宜。此外，在大气压下进行使用SiHCl₃的外延淀积。这很有利是由于不需要真空泵，反应室不必很结实以防止坍塌。此外，存在较少的安全意外，并且空气泄露到反应室内的机会较少。

在外延淀积期间，晶片表面的温度优选保持在足以防止含硅气氛将多晶硅淀积到表面的温度。通常，该期间表面的温度至少约900℃。更优选，表面的温度保持在从约1050到约1150℃。更优选，表面的温度保持在氧化硅除去温度。

当在大气压下进行淀积时，外延层的生长速率优选约3.5μm/min到约4.0μm/min。例如通过基本上由约2.5mole％SiHCl₃和约97.5mole％H₂组成的气氛，在约1050℃到1150℃的温度下，以约1升/分钟到约20升/分钟的流速获得。

如果晶片的计划用途需要外延层包括掺杂剂，那么含硅气氛也优选含有掺杂剂。例如，对于外延层通常优选含硼。例如在淀积期间包括B₂H₆的气氛中制备这种层。得到所需特性(例如，电阻率)需要的气氛中的B₂H₆的摩尔分数取决于几种因素，例如外延淀积期间从特定的衬底向外扩散的硼量、在反应室和衬底中作为杂质存在的N型掺杂剂和N型掺杂剂的数量、以及反应室压力和温度。与晶片衬底类似，可以控制外延层中的掺杂剂浓度以得到较宽范围的电阻率。例如，已使用约1125℃的温度约1atm的压力下约0.03ppm(即，每1,000,000摩尔的总气体约0.03摩尔B₂H₆)B₂H₆的气氛得到具有约10Ω-cm的电阻率的外延层。

同时硅晶片的正面接触含硅源气，净化气体引入到化学汽相淀积室内，以减少从晶片的背面向外扩散引入到生长在晶片正面上的外延层内的掺杂剂原子的数量。净化气体包括氮气、氩气、氢气、如三氯硅烷的含硅气体、或它们的混合物。例如，当使用ASM制造的Epsilon^外延反应器时，净化气体优选与外延淀积气体的组分相同(例如，三氯硅烷和氢气的混合物)。通常，净化气体的流速在约1升/分钟和约50升/分钟之间，优选在约10升/分钟和约20升/分钟之间。

晶片的基本上整个背面暴露到净化气体，来自背面的向外扩散原子直接从正面带走，由此减少或消除了它们引入到淀积在衬底圆周边附近的环形区处的外延层内。由此外延层的电阻率基本上不受自动掺杂影响，即由于自动掺杂电阻率的减少小于约10％，优选小于约5％，更优选小于约2％。参考图1，基本上不受自动掺杂影响的外延层10的区域表征为从中心轴8向外朝圆周边2的径向延伸的轴向对称区6，圆周边2具有至少约80％衬底9半径长度的半径。优选，轴向对称区11的半径至少约85％、90％、95％或100％的衬底9半径长度。

一旦形成了具有所需厚度的外延层，优选用惰性气体、H₂或它们的组合，更优选仅用H₂从反应室吹入含硅的气氛。此后，优选将晶片冷却到可以处理同时不产生损伤的温度(通常不大于约800-900℃，然而，一些设备可以在基本上高于约900℃的温度下处理晶片)，然后从外延淀积室中移走晶片。

D. 外延淀积反应器

如上所述，通过结合几个独特步骤的外延淀积工艺制备本发明的晶片：(a)从晶片的正面和背面除去自然氧化层；(b)通过将晶片的正面暴露到含硅源气，在晶片的正面上生长外延硅层；以及(c)将晶片的背面暴露到净化气体。要在一个外延淀积工艺中完成以上步骤，需要修改本发明的外延淀积反应器以使工艺气体流到晶片的正面和背面。

通常，外延淀积反应器包括通常由石英构成的室，使工艺气体进入反应器的进气口，从反应器除去工艺气体的排气口，加热硅晶片的加热元件，支撑晶片的基座，以及支撑基座和晶片的可旋转装置。在本发明中，基座可以用允许流体接触晶片正面和基本上整个晶片背面的晶片支撑装置代替。有利的是，装载期间允许流体接触晶片正面和背面基本上消除了“浮动”。此外，晶片支撑装置使外延淀积工艺的预烘焙步骤中使用的清洁气体接触基本上整个晶片背面，并化学地除去了基本上整个自然氧化层，由此在外延层生长期间，源气接触硅晶片背面时，生长了光滑连续的硅层，背面上的晕圈效应显著减少或消除。此外，晶片支撑装置使含在硅晶片中外延淀积工艺期间从晶片背面向外扩散的掺杂剂原子被净化气体流从晶片的正面带走并排出。排出向外扩散的掺杂剂原子防止了大量的掺杂剂从晶片和基座边缘之间渗出并接触正面导致不希望的正面自动掺杂。

以允许工艺气体，特别是清洁气体和净化气体接触硅晶片衬底背面的任何方式构形晶片支撑装置。按规定尺寸制作晶片支撑装置以容纳任何直径的硅晶片，包括，例如150mm，200mm和300mm以及更大的晶片。晶片支撑装置可以由常规的材料构成，例如高纯度石墨，并具有覆盖石墨的碳化硅或玻璃碳层，以减少高温外延淀积工艺期间从石墨释放到周围环境内的污染物量。构成基座的石墨通常至少约99％，优选至少约99.9％，最好至少约99.99％的纯石墨。此外，石墨优选含有少于约20ppm总量的金属，例如铁、钼、铜和镍，更优选地，含有少于5ppm总量的金属，例如铁、钼、铜和镍。覆盖石墨的碳化硅或玻璃碳覆层通常具有约75微米和约150微米之间，优选约100微米到125微米的厚度。与石墨类似，碳化硅或玻璃碳覆层应具有小于约20ppm并且优选小于约5ppm的总金属浓度。

本发明的外延淀积反应器还包括可选的装置以提高晶片质量或增加产量。例如，边缘环可以位于硅晶片和/或晶片支撑装置的周边外部，通过使晶片的边缘绝缘和/或在流入室内的工艺气体接触晶片表面之前预热工艺气体，以提高晶片上的温度均匀性。此外，反应器包括室分隔器，增强了含硅源气流和净化气体流的分离，由此增加了淀积工艺的效率。与基座类似，边缘环和室分离器通常由覆盖有碳化硅或玻璃碳的石墨构成。

E. 多孔基座

1. 晶片搁在内环形架上的多孔基座

在特定的结构或实施例中，晶片支撑装置为多孔基座。现在参考图2，示出了多孔基座12的剖面图。多孔基座12具有能够支撑硅晶片衬底4的内环形架13，硅晶片衬底4具有正面3和背面5。多孔基座12具有含多个孔或开口15，16，17，18，19，20，21和22的多孔面14。在背面机械装载的单晶片反应器(例如，由Applied Materials制造的Centura^反应器)中使用的多孔基座也需要晶片起模针孔23，24和25(未示出，参见图3)。与之相比，在ASM制造的单晶片Epsilon^反应器或人工装载筒型反应器中使用的多孔基座不需要起模针孔。这里术语开口和孔可以互换使用，都指多孔面14中的开放通路。具有开口的多孔面14直接位于硅晶片衬底14下面。这里使用的术语“许多”是指两个或多个孔。在施加覆层之前在多孔基座12中钻出孔15，16，17，18，19，20，21和22。外延淀积工艺的预烘焙步骤期间，孔15，16，17，18，19，20，21和22使清洁气体接触硅晶片衬底4的基本上整个背面5，使清洁气体反应并除去硅晶片衬底4背面5上的几乎所有自然氧化物。由于气体会在晶片和基座之间渗出导致基本上完全除去了背面上的自然氧化物层，因此通过清洁气体也基本上腐蚀了与基座12的内环形架13接触的硅晶片衬底4的部分背面5。由于外延生长工艺期间晶片和基座之间的渗出并接触背面5的任何源气光滑和连续地生长在硅表面上，因此从背面5上除去自然氧化物显著减少或消除了硅晶片背面上的任何晕圈效应。孔15，16，17，18，19，20，21和22也使高温清洁步骤和外延淀积工艺的外延淀积步骤期间从硅晶片衬底4的背面5向外扩散的掺杂剂原子穿过各孔排入净化气体或氢气流内并从硅晶片衬底4的正面3带走进入到排放***内。由此，实现了外延淀积工艺期间显著减少了正面的自动掺杂。

现在参考图3，示出了具有内环形架13和具有多个孔的多孔面14的多孔基座12的俯视图。在背面装载晶片的反应器中使用的多孔基座也需要在多孔面14上有起模针孔23，24和25，以在外延淀积工艺期间和之后，允许多孔基座12下的起模针(未示出)升高和降低硅晶片到多孔基座12上和提升离开多孔基座12。边缘环27(参见图4)环绕多孔基座12的周边以确保硅晶片上温度均匀。边缘环27通常具有约4cm到约10cm的直径，大于多孔基座12的直径。

直接位于硅晶片下多孔基座的多孔面中的孔优选具有的直径使在基座中钻出孔之后附加到基座的碳化硅或玻璃碳覆层基本上不会堵住或塞住孔从而限制流体流过。本领域的技术人员应该理解通常称做通孔的开口可以是方形、狭缝、钻石形或允许流体流过的其它任何形状。开口优选具有约0.1毫米和约3毫米之间的宽度，较优选在约0.1毫米和约1毫米之间，最优选在约0.5毫米和约1毫米之间。如果开口为圆形，开口的宽度定义为开口的两个角之间的最大距离或直径。孔设置在多孔基座上，使外延淀积工艺的预烘焙步骤期间使用的清洁气体接触并腐蚀硅晶片的基本上整个背面。约0.5毫米和约4厘米之间，较优选约2毫米和约2厘米之间，最优选约6毫米和约1.5厘米之间多孔基座的孔间距使清洁气体基本上接触硅晶片的整个背面，由此可以腐蚀背面上基本上所有的自然氧化物。基座表面上的开口面积的总的百分比为基座总面积的约0.5％和约4％之间，较优选为基座总面积的约1％和约3％之间。基座多孔表面优选具有约0.2孔/cm²和约4孔/cm²之间的密度，较优选在约0.8孔/cm²和约1.75孔/cm²之间的密度。这里使用的密度是指均匀或不均匀的密度。

通常优选多孔基座中的孔具有较小而且使用的直径，不会使碳化硅或玻璃碳覆层限制流体流过孔到达硅晶片的背面。如果基座中的孔钻得太大，那么由于背面上局部温度不均匀在晶片正面产生纳形貌问题。通过位于硅晶片下面的加热灯直接照射背面，多孔基座中的大直径孔导致硅晶片背面上产生热点或冷点。这些热点或冷点在硅晶片的正面上形成温度梯度，导致硅晶片正面上不均匀的外延硅生长。不均匀的外延层生长显著降低了晶片质量。在多孔基座上将孔以倾斜角钻入基座内，进一步减少了由加热灯直接照射背面以及形成热点或冷点导致正面上不均匀外延生长的可能性，仍然可以使气体穿过基座并接触背面，使掺杂剂原子向外扩散从背面离开。要进一步减少通过穿过孔直接照射晶片在硅晶片上形成热或冷点以及产生温度梯度的可能性并减少或消除由起模针孔引起的任何热或冷点，可以调节和调整硅晶片上和下的加热灯的灯功率比，以使灯的加热平衡。

现在参考图4，示出了使用本发明的多孔基座12的外延生长工艺期间使用的外延反应室30。多孔基座12安装到可旋转支撑装置31和32上，并按尺寸制作和构形以在外延淀积工艺期间内环形架13上支撑硅晶片衬底4。硅晶片衬底4与多孔基座12中多孔面14中的开口15，16，17，18，19，20，21和22间隔开。起模针孔23使起模针(未示出)穿过多孔基座12的多孔面14到达硅晶片衬底4，由此在外延淀积工艺之前和之后将硅晶片衬底4放置到多孔基座12上和提升离开多孔基座12。外延淀积室30还包括位于多孔基座12上和下的加热灯阵列33和34，外延淀积期间分别用于加热。外延淀积的预烘焙步期间，进气口35和36引入清洁气体，由此清洁气体被引入到硅晶片衬底4上和下，以帮助去除硅晶片衬底4正面和背面5上的自然氧化物。外延生长步骤期间，进气口35引入在晶片衬底4上流动的含硅源气，进气口36在硅晶片衬底4下引入氢气或惰性气体接触硅晶片衬底4的背面5，将向外扩散的掺杂剂原子从正面带走。如图4所示，注入到外延淀积室内的气体与硅晶片的正面和背面平行流动(平行流动方式，然而不是必须的)。这种流动方式使注入气体接触正面并通过基座表面中的孔穿过基座接触晶片的背面。由于气流平行于而不是垂直于硅表面流动，显著减少或消除了由晶片边缘和环形架的之间渗出气体造成硅晶片离开环形架并且变形的可能性。从进气口35和36引入到室34内的气体从室30通过排放口37排出。

在清洁步骤期间，多孔基座中的孔使清洁气体穿过多孔基座和基本上接触硅晶片的整个背面，由此通过清洁气体除去背面上存在的自然氧化物。从背面上除去自然氧化物使光滑连续的外延硅层生长在外延层生长期间与源气接触的硅晶片背面上的任何部分，由此基本上消除了在背面上形成任何晕圈。此外，多孔基座中的孔使惰性气体或氢气接触晶片的背面，由此从硅晶片上带走清洁步骤和外延生长步骤期间从背面向外扩散的掺杂剂原子并送入排放装置内，由此基本上减少了晶片正面自动掺杂的可能性。

2. 晶片搁在多孔面上的多孔基座

在本发明的另一实施例中，多孔基座可以按尺寸制作和构形以使硅晶片直接位于多孔面上，省却了图4所示的内环形架13。现在参考图5，示出了硅晶片直接位于多孔面上的多孔基座的剖面。硅晶片衬底4的背面5直接位于多孔基座40的多孔面41上。虽然硅晶片衬底4的背面5直接接触多孔面41，但在多孔基座40下流动的气体能够通过孔42，43，44，45，46，47，48和49穿过多孔面41并基本上接触硅晶片衬底4的整个背面5。

3. 晶片搁在凹形多孔面上的多孔基座

在本发明的又一实施例中，图5所示本发明的多孔基座可以进一步修改，使多孔面构形成盘形，仅使硅晶片的外边缘接触多孔基座。现在参考图6，示出了硅晶片直接位于基座多孔面51上的多孔基座50的剖面。硅晶片衬底4的背面5直接位于多孔基座50的多孔面51上。使多孔面51构形成盘形，使硅晶片衬底4的外边缘2直接接触多孔面51，硅晶片衬底4背面5的剩余部分不直接接触多孔面51。使用期间，孔52，53，54，55，56，57和58使流体流过晶片的背面。

本领域的技术人员应该理解，本发明的多孔基座可以与多种类型的淀积反应室一起使用，包括筒型、扁平型和小型分批处理反应器，而与使用的基座的形状无关。

F. 带延伸起模针的基座

现在参考图7，在本发明的再一实施例中，晶片支撑装置为常规的基座60，其中在整个外延淀积工艺期间(即，预烘焙和外延生长期间)至少三根起模针61-63处于延伸或向上的位置。将硅晶片举到基座60之上使预烘焙期间引入到淀积室30内的清洁气体接触并除去晶片衬底4背面5上的自然氧化层，并防止形成化学汽相淀积引入的晕圈。类似地，生长外延硅层期间引入到外延淀积室30内的净化气体能够将背面5释放的掺杂剂原予从正面3带走，并防止外延硅层的自动掺杂。

G. 开放式晶片支撑装置

在本发明的又一实施例中，以晶片的基本上整个背面暴露到加热器元件的直接辐照的方式支撑晶片(即，开放式晶片支撑装置)。在外延淀积室中使用开放式晶片支撑装置优选取决于特定的应用。例如，开放式晶片支撑能使晶片更快地达到需要的淀积温度，由此增加了产量。此外，开放式晶片支撑使晶片受热比在多孔基座上更均匀，得到更均匀的外延层(即，纳形貌减少)。

1. 针支撑

开放式晶片支撑装置的一个实施例包括从可旋转支撑延伸的至少三根针，类似于在Steag^SHS3000快速热退火器中使用的装置，针接触晶片边缘向内的晶片背面，在外延生长工艺期间支撑晶片。现在参考图8，示出了利用本发明的针支撑的外延生长工艺期间使用的外延反应室30。三根针70，71和72安装到可旋转支撑74，并按尺寸制作和构形以在外延淀积工艺期间支撑硅晶片衬底4。外延淀积室30还含有分别位于晶片衬底4之上和之下在外延淀积工艺期间用于加热的加热灯阵列33和34。在外延淀积工艺的预烘焙步骤期间，进气口35和36引入清洁气体，由此清洁气体引入到硅晶片衬底4的上面和下面，以帮助从硅晶片衬底4的正面3和背面5除去自然氧化物。外延生长步骤期间，进气口35引入在晶片衬底4上流动的含硅源气，进气口36引入氢气或惰性气体在晶片衬底4下流动，与硅晶片衬底4背面5接触，并从正面3带走向外扩散的掺杂剂原子。外延淀积室30也包括室分隔器75和76，增强了淀积气体和净化气体流的分离。此外，外延淀积室30包括支撑78和79上的边缘环77，以增加晶片表面上的温度均匀性。

2. 环支撑

现在参考图9，在另一实施例中，晶片支撑装置与由Applied Materials制造的Centura^快速热处理器中使用的类似，为环形支撑80。现在参考图10，环形支撑90优选包括支撑晶片衬底4的内环形架91和外环形台阶92，外环形台阶的作用很像边缘环，绝缘晶片的周边并预热反应气体防止滑动。

H. 本发明的外延淀积工艺的效率

进行几个实验以评价制造本发明的单晶晶片的本发明的方法和装置。例如，使用常规的基座和多孔的基座，将约2.75μm厚的外延层淀积在200mm直径掺硼的晶片衬底上，衬底具有约0.005Ω-cm到约0.01Ω-cm的电阻率。现在参考图11，可以看出在晶片表面上具有背面氧化物密封的晶片具有基本上均匀的电阻率。类似地，使用多孔基座淀积在没有背面氧化物密封的晶片上的外延层在晶片表面上具有基本均匀的电阻率。然而，使用标准基座淀积在没有背面氧化物密封的晶片上的外延层在晶片表面上具有不均匀的电阻率——与表面位置成函数关系的“W”形电阻率分布主要取决于工艺变量的控制，例如温度和气流，以补偿周边附近的自动掺杂，以便将电阻率保持在可接受的限度内。没有这种控制，从中心到距周边约10mm处电阻率基本均匀，在最后10mm处电阻率显著降低存在自动掺杂。例如，从周边向内10mm处外延层的电阻率减少约百分之十到约百分之二十，或约百分之五十以上，取决于衬底的电阻率和外延层之间的差异。

现在参考图12A，Tencor^SPI的模糊形貌图清楚地显示出使用常规的基座在没有背面氧化物密封的晶片上淀积外延硅层产生的背面表面晕圈的位置。与之相比，图12B表示在没有背面氧化物密封情况下，使用本发明的多孔基座消除了晕圈。

现在参考图13A，ADE^CR-83 SQM纳形貌图清楚地示出使用常规基座产生直接起模针孔上具有约60nm纳形貌的外延层。与之相比，图13B显示出使用多孔基座基本上将起模针孔上的外延层的纳形貌减少到约20nm。

评估具有不同孔尺寸、间距和密度的多孔基座的三个实施例，在外延淀积工艺期间支撑200mm直径硅晶片。每个实施例具有近似等距离垂直钻到底面的孔，形成圆柱形孔图形，半径约95毫米。孔的数量和尺寸如下改变：多孔基座A包括274个孔，直径约1.32mm(约0.95孔/cm²的孔密度)；多孔基座B包括548个孔，直径约1.32mm(约1.95孔/cm²的孔密度)；多孔基座C包括274个孔，直径约1.02mm(约0.95孔/cm²的孔密度)。每个实施例有三个起模针孔，直径约8mm，距基座中心约90mm，并以120°分开。

使用以上的多孔基座制备大量的带硅外延层的硅晶片。每个晶片没有背面晕圈和正面的自动掺杂。结果表明对于不同孔密度之间的晕圈或自动掺杂，没有任何优越之处。然而，使用具有较小直径孔的基座C制造的晶片上观察到了外延硅晶片表面上纳形貌减少。具体地，具有使用基座A和B生长的约3μm厚的外延层的晶片显示出直接位于约20nm的孔上的表面上存在纳形貌，使用基座C制备的晶片显示出约10nm以下的纳形貌。

I. 本征吸杂的单晶硅晶片

如上所述，使用切克劳斯基法制备的晶片通常具有约10到约18ppm的氧浓度。此外，根据单晶硅锭从硅的熔点(即，约1410℃)到从约750℃到约350℃的范围的冷却速率，可能会形成氧沉积物成核中心。电子器件制造中通常使用的热处理循环也使氧在硅晶片中沉积，硅晶片中氧过饱和。根据它们在晶片中的位置，沉积物可以有害或有益。位于晶片有源器件区中的氧沉积物(即，通常在表面附近)会损害器件的操作。然而，位于晶片体中的氧沉积物能够捕获会接触晶片的不希望的金属杂质。使用位于晶片体中的氧沉积物捕获金属称做内部或本征吸杂(“IG”)。

通常，电子器件的制造工艺包括设计以制备硅的一系列步骤，硅具有靠近无氧化沉积物的晶片表面区域(通常称做“剥蚀区”或“无沉积物区”)以及含有足够量用于IG目的的氧沉积物的晶片(即，晶片体)的平衡。例如在高-低-高热顺序中形成剥蚀区，例如(a)在高温下(＞1100℃)在惰性气体中氧向外扩散热处理至少4小时，(b)在低温(600到750℃)下形成氧沉积物核，以及(c)在高温(1000到1150℃)生长氧(SiO₂)沉积物。参见，例如F.Shimura，Semiconductor Silicon CrystalTechnology，361-367页(Academic Press，Inc.，San Diego CA，1989)(以及其中引用的参考文件)。

然而，近来先进的电子器件制造工艺，例如DRAM制造工艺已开始尽可能减少使用高温工艺步骤。虽然一些工艺保留足够的高温工艺步骤以形成剥蚀区和足够的体沉积物密度，材料上的容差太严格妨碍了它的商业可行的产品。其它目前非常先进的电子器件制造工艺根本不含有向外扩散的步骤。由于存在与有源器件区中的氧沉积物相关的问题，因此，这些电子器件制造商必须使用在它们的工艺条件下在晶片中的任何地方不能形成氧沉积物的硅晶片。由此，损失了IG的潜能。

然而，本发明允许在晶片中形成晶格空位的模板(template)，当热处理晶片时，在晶片内形成氧沉积物的理想、不均匀深度分布(参见WO00/34999，在2000年6月15日公开，在这里作为参考引入)。通常，确定是否形成晶格空位的模板部分取决于晶片衬底的成分。具体地说，硼增强了氧沉积物，由此，重掺杂P型衬底(例如，P⁺和P⁺⁺衬底)形成足够的氧沉积物，通常不需要形成模板，然而轻掺杂的P型衬底(例如，P^-衬底)通常需要形成用于IG目的的模板。

图14示出了通过热处理根据本发明制备的晶片形成的这种氧沉积物分布。在该具体实施例中，晶片衬底4(具有或不具有淀积在正面3上的外延层)的特点在于没有氧沉积物95的区域93和93’(“剥蚀区”)。这些区域分别从正面3和背面5延伸深度t和t’。优选，t和t’的每个约10到约100μm，更优选约50到约100μm。在无氧沉积物的区域93和93’之间，存在含有氧沉积物浓度基本上均匀的区域94。对于大多数应用，区域94中的氧沉积物浓度至少约5×10⁸沉积物/cm³，更优选约1×10⁹沉积物/cm³。应该理解图14的目的是仅通过本发明的一个实施例的说明帮助本领域中的技术人员熟悉本发明。本发明不限于该实施例。例如，本发明还可以用于形成仅有一个剥蚀区93(代替两个剥蚀区93和93’的晶片)。

要形成晶格空位的模板，通常首先加热晶片，然后以至少约10℃/sec的速率冷却。加热晶片的目的是：(a)在整个晶片中均匀分布的晶格中形成自晶隙(self-interstitial)和空位对(即，弗兰克尔缺陷)，以及(b)溶解晶片中存在的不稳定的氧沉积物核中心。通常，加热到较高温度导致形成大量的弗兰克尔缺陷。冷却步骤的目的是产生不均匀的晶格空位分布，其中空位浓度在晶片的中心或附近最大，在晶片表面的方向中减少。确信是由于冷却期间晶片表面附近的部分空位扩散到表面并由此消失，引起晶格空位的不均匀分布，导致表面附近的空位浓度降低。

对于大多数应用，优选晶片加热到至少约1175℃的均热(soak)温度。更优选，加热到约1200到约1300℃的均热温度，更优选加热到约1225到约1250℃。当晶片的温度达到需要的均热温度时，优选晶片保持在均热温度一段时间。优选的时间量通常从约10到约15秒。在代表性目前商业可得到的外延淀积反应器中，优选晶片保持在均热温度约12到约15秒。另一方面，在代表性目前商业可得到的RTA炉中，优选晶片保持在约10秒钟的均热温度。

通常，加热晶片同时暴露到大气气氛。在本发明的一个实施例中，气氛为包括H₂O和H₂的氧化气氛中。然而，更优选，氧化气氛中的氧化剂为氧气，浓度至少约300ppm(即，每1,000,000摩尔总量气体300摩尔的O₂)。更优选，氧浓度从约300到约2000ppm，更优选从约300到约500ppm。氧化气氛的其余部分优选主要为不与硅表面或氧化剂反应的气体。更优选，气体的其余部分主要由惰性气体或N₂组成，更优选惰性气体，最优选Ar。加热期间氧化气氛优选至少暴露到外延表面。更优选，氧化气氛暴露到晶片的基本整个表面。

在本发明的另一实施例中，气氛基本上没有氧化剂。当在外延反应器(以下介绍的)中形成晶格空位的模板时，优选基本上没有氧化剂的气氛，尽管由于安全考虑(避免***)以及氧化剂和未反应的氯硅烷进入接触时产生微粒，存在晶片上形成模糊表面的趋势。基本上没有氧化剂的气氛包括还原气体(例如，H₂)和/或惰性气体(例如，如He、Ne、Ar、Kr和Xe等的惰性气体)。优选，气氛基本上由H₂、Ar和它们的混合物组成。

在氧化气氛中热处理晶片之后，快速冷却晶片。该冷却步骤通常在进行热处理的相同气氛中进行。此外，优选在不与晶片表面反应的气氛中进行。优选以至少约10℃/sec的速率冷却。较优选，以至少约15℃/sec的速率冷却晶片，更优选，至少约20℃/sec，最优选约50℃/sec。优选地当晶片的温度在晶格空位在单晶硅中扩散的温度范围内降低时使用这种快速冷却速率。一旦，晶片冷却到晶片空位相对移动的温度范围之外的温度，那么冷却速率不会显著影响晶片的沉积特性，由此不是非常重要。通常，晶格空位在大于约1000℃的温度相对移动。

在具体的优选实施例中，在晶片温度从均热温度降到一个小于均热温度的约150℃温度时，晶片的平均冷却速率至少约10℃/sec(较优选至少约15℃/sec，更优选至少约20℃/sec，最优选约50℃/sec)。在具体的优选实施例中，在晶片温度从均热温度降到一个小于均热温度的约250℃温度时，晶片的平均冷却速率至少约10℃/sec(较优选至少约15℃/sec，更优选至少约20℃/sec，最优选约50℃/sec)。

例如在通过高功率灯排加热晶片的任何数量的商业可买到的快速热退火(“RTA”)炉中进行加热和快速冷却。RTA炉能够快速加热硅晶片。例如，许多能在几秒钟将晶片从室温加热到1200℃。合适的商业可得到炉的例子包括AG Associates(Mountain View，CA)的型号610炉以及AppliedMaterials(Santa Clara，CA)的CENTURA^RTP。

此外，假设在反应室中可以获得需要的冷却速率，那么可以在外延淀积反应器中进行加热和快速冷却。申请人确定可以在EPI CENTURA^反应器中进行加热和冷却步骤。参考图15和图19，这种反应器包括支撑晶片的基座101。基座101固定地安装到基座支撑轴105的臂103上，轴105滑动地安装在晶片提升轴107的管内径106内。安装晶片提升轴在反应器的下圆顶(未示出)中的圆柱形开口内垂直地移动。气动机构(未示出)可操作垂直移动基座支撑轴105和晶片提升轴107，根据需要可以一起或独立地移动。该机构还可以操作旋转管内径106内的基座支撑轴105，由此可以旋转基座101和晶片。基座包括安装在基座开口中可滑动的刚性针109，以在它们的下端接合晶片提升轴的制动销111。针109的上端能够支撑晶片。通常，仅在将晶片送入反应器内和从反应器中运出晶片时，针109用于支撑晶片。

为了在EPI CENTURA^反应器中设置进行热处理的晶片，晶片被传送到反应器，例如通过托板113，托板按刚性针109之间的尺寸制作(参见图19)。基座支撑轴105和晶片提升轴107从图15中所示的变换位置向上移动到图16中所示的原位置。基座支撑轴105的向上移动使针109(与晶片提升轴107接合)接合到晶片的背面并从托板113上举起晶片。此后从反应器中移走托扳。参考图17，基座支撑轴105进一步向上移动，同时晶片提升轴107保持不变。这使针109相对于基座101向下滑动直到基座101的上表面接触晶片。此后，基座101支撑晶片。同时，支撑轴105继续向上移动直到基座101与环115共平面。此时，基座处于工艺位置。然后开启高功率灯排(未示出)加热晶片，同时由基座101支撑的晶片处于工艺位置。优选，旋转基座101和晶片的同时加热，由此更均匀地加热晶片。

现已发现在晶格空位相对移动的温度下，EPI CENTURA^反应器中晶片的常规平均冷却速率(即，约10到15℃/sec)远低于在RTA炉中获得的平均冷却速率(即，约70到100℃/sec)。这部分是由于完成加热之后，与晶片接触的基座101(参见图17)有时很热。为增加冷却速率，优选晶片移动到尽可能远离基座101的位置。完成加热之后立即将基座支撑轴105降低到图18所示的变换位置。在变换位置中，晶片仅由针109支撑，由此晶片的所有背面和所有正面不与任何固体热表面接触(除针109之外)。此外，设置晶片尽可能远离热基座101。通过从基座101举起晶片，晶片的冷却速率增加近一倍(即，平均冷却速率从约10到15℃/sec的范围增加到从约25到30℃/sec的范围)。

在另一实施例中，在包括开放式背面晶片支撑装置例如以上介绍的针支撑或环支撑的外延淀积反应室中获得需要的冷却速率。通过使用开放式背面晶片支撑装置，消除了基座的绝缘效果，可以更快地加热和冷却晶片。具体地，与基座上由起模针支撑通常以约25到30℃/sec的速率冷却的晶片相比，支撑针或支撑环上的晶片通常以约70到约100℃/sec的速率冷却。优选开放式背面晶片支撑装置是由于产生剥蚀区的热处理接合到外延淀积工艺内，同时针举起晶片没有任何额外的物理接触，不会使晶片损伤。

根据本发明制备的不均匀的空位分布在随后加热晶片时用于氧沉积物的模板。具体地，当加热晶片衬底4(参见图14)时，氧成群在含由较高空位浓度的晶片衬底4的区域94中快速地形成沉积物95，但在含较低空位的晶片表面3和5附近的区域93和93’中没有成群。通常，氧在约500到约800℃的温度成核，在从约700到约1000℃的温度生长沉积物。由此，例如，假设这种热处理循环经常在800℃的温度附近进行，在电子器件制造工艺的热处理循环期间形成晶片中氧沉积物95的不均匀分布。

在晶片和/或器件制造工艺器件，可以在任何点进行晶片内形成晶格空位的模板和随后的氧沉积物，假设后一处理步骤没有消灭氧沉积物成核中心/氧沉积物(例如，在足以溶解成核中心/氧沉积物进入硅内的短时间周期内，进行随后的加热晶片到足够的温度)。在本发明的优选实施例中，淀积外延层之后，形成晶格空位模板和成核中心氧沉积物。例如，如上所述，外延淀积之后晶片制造工艺期间形成晶格空位的模板，在电子器件制造工艺的热处理循环期间形成成核/沉积物。在另一实施例中，在淀积外延层之前形成晶格空位模板和成核中心/氧沉积物。通过将晶片加热到一个温度保持一段时间，以充分生长成核中心/沉积物足以经受住任何随后热处理，形成成核中心/沉积物(即，成核中心/沉积物的半径大于“临界半径”)。

鉴于以上，可以看出实现了本发明的几个目的。可以在本发明的范围内对以上介绍的多孔基座进行各种修改，以上说明中包含的所有内容旨在说明示例而不是限定。

Claims (34)

1.一种单晶硅晶片，该单晶硅晶片包括：

具有中心轴、通常垂直于中心轴的正面和背面、圆周边、以及从中心轴向晶片圆周边延伸的半径的硅晶片衬底，所述背面没有密封的氧化物，并且没有化学汽相淀积工艺引入的晕圈，该硅晶片衬底包括P型或N型掺杂剂原子；以及

在硅晶片衬底正面上的外延硅层的厚度为至少0.1μm，该外延硅层具有从中心轴朝圆周边径向向外延伸的轴向对称区，其中电阻率的变化小于10％，轴向对称区的半径为至少80％的衬底半径长度，外延硅层包括P型或N型掺杂剂原子。

2.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中正面和背面具有镜面光泽。

3.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的电阻率的变化均匀。

4.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的电阻率的变化小于5％。

5.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的电阻率的变化小于2％。

6.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的半径至少为硅晶片衬底半径长度的85％。

7.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的半径至少为硅晶片衬底半径长度的90％。

8.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的半径至少为硅晶片衬底半径长度的95％。

9.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中轴向对称区的半径至少为硅晶片衬底半径长度的100％。

10.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底的半径至少为50mm。

11.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底的半径至少为75mm。

12.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底的半径至少为100mm。

13.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底的半径至少为150mm。

14.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层为0.1μm到200μm厚。

15.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层为1μm到100μm厚。

16.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层为2μm到30μm厚。

17.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层为3μm厚。

18.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于0.5mm×0.5mm的纳形貌小于1％外延硅层的厚度。

19.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于0.5mm×0.5mm的纳形貌小于0.7％外延硅层的厚度。

20.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于0.5mm×0.5mm的纳形貌小于0.3％外延硅层的厚度。

21.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于2mm×2mm的纳形貌小于1％外延硅层的厚度。

22.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于2mm×2mm的纳形貌小于0.7％外延硅层的厚度。

23.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于2mm×2mm的纳形貌小于0.3％外延硅层的厚度。

24.在权利要求14中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于10mm×10mm的纳形貌小于3％外延硅层的厚度。

25.在权利要求17中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于2mm×2mm的纳形貌小于30nm。

26.在权利要求17中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于2mm×2mm的纳形貌小于20nm。

27.在权利要求17中所述的单晶硅晶片，其中外延硅层的特征在于2mm×2mm的纳形貌小于10nm。

28.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底和硅外延层具有从100Ω-cm到0.005Ω-cm的电阻率。

29.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底具有从0.01Ω-cm到0.03Ω-cm的电阻率，外延硅层具有从1Ω-cm到20Ω-cm的电阻率。

30.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底具有从0.005Ω-cm到0.01Ω-cm的电阻率，外延硅层具有从1Ω-cm到20Ω-cm的电阻率。

31.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底还包括位于前后表面之间并平行于它们的中心平面；包括从前表面层向中心平面的延伸距离D₁至少为10μm的晶片区的前表面层；以及包括从中心平面向前表面层延伸的晶片区的体层，晶片衬底的特征在于：

晶片衬底具有不均匀分布的晶格空位，其中(a)体层的晶格空位浓度大于前表面层中的，(b)晶格空位在中心平面或附近具有晶格空位的峰值密度的浓度分布，并且(c)晶格空位的浓度通常从峰值密度的位置向晶片的前表面逐渐下降。

32.权利要求31的单晶硅晶片，其中D₁从50到100μm。

33.在权利要求1中所述的单晶硅晶片，其中硅晶片衬底还包括位于前后表面之间并平行于它们的中心平面；包括从前表面层向中心平面的延伸距离D₁至少为10μm的晶片区的前表面层；以及包括从中心平面向前表面层延伸的晶片区的体层，晶片衬底的特征在于：

晶片衬底具有不均匀分布的氧沉积物，其中(a)体层的氧沉积物浓度大于前表面层中的，(b)氧沉积物在中心平面或附近具有氧沉积物的峰值密度的浓度分布，并且(c)氧沉积物的浓度通常从峰值密度的位置向晶片的前表面逐渐下降。

34.权利要求33的单晶硅晶片，其中D₁从50到100μm。

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