CN1319253A - 无氧淀析的切氏硅晶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及处理切氏单晶硅片的一种过程,以消除已经存在的氧原子团和氧淀析物,同时防止它们在以后氧淀析热处理中再次形成。此过程包括(ⅰ)在快速热退火炉中、在至少1150℃的温度、至少1000ppma的氧浓度下热处理硅片,或者(ⅱ)在快速热退火炉中、在至少约1150℃的温度下热处理硅片,然后,在硅片从热处理的最高温度经过一个空位相对可移动的温度范围冷却时,控制冷却速率,以使单晶硅中的空位数密度减少到一定数值,从而即使硅片以后经受氧淀析热处理,硅片中也不会形成氧淀析物。

Description

无氧淀析的切氏硅晶片
本发明一般地涉及半导体材料衬底的制备，特别是涉及用于制备电子学部件的硅片。具体的讲，本发明涉及对切氏(CZOCHRALSKI)单晶硅片进行处理的一种过程，通过该处理过程，可以消除已有的氧原子团和氧淀析物，同时防止它们在以后氧淀析热处理中再度形成。
作为半导体电子学部件大多数生产过程的起始材料的单晶硅，通常用所谓切氏过程来制备，其中，把单晶籽晶浸入熔化硅中，然后通过缓慢提升来生长。因为熔化硅是装在石英坩埚中，它会沾染各种杂质，其中主要是氧。在硅熔状物的温度下，氧要进入晶格，直至达到一定浓度，此浓度由硅熔状物温度下氧在硅中的溶解度和凝固硅中氧的实际分凝系数这两个因素确定。这个浓度大于电子学器件制作过程中典型温度下氧在固态硅中的溶解度。因此，当晶体从熔状物中生长并冷却时，氧在晶体中的溶解度迅速下降，由此而得到的晶片中，氧是以过饱和浓度存在的。
在电子学器件制作的典型的热处理过程中，可以形成氧淀析成核中心并最终生长成大的氧原子团或氧淀析物。在硅片的有源器件区域，这种氧淀析物的存在将妨碍器件的使用。历史上讲，为了解决这个问题，电子学器件制作过程包括了一系列步骤，目的是要得到这样的硅片：它表面附近存在没有氧淀析物的区域(通常称为“裸露区”或“无淀析”区)。无淀析区可以通过例如高-低-高的热处理序列来形成，如(a)在高温(＞1100℃)惰性气氛下，进行氧外扩散热处理，时间至少约4小时，(b)在低温下(600-750℃)形成氧淀析核，及(c)高温下(1000-1150℃)氧(SiO2)淀析物生长。例如参阅，F.Shimura,Semi-conductor Silicon Crystal Technology,Academic Press,Inc.,SanDiego California(1989)，第361-367页以及该书所引文献。
然而，近来更先进的电子学器件制作过程，例如DRAM制作过程，已经开始减少热处理步骤的使用。虽然某些制作过程仍然保持足够的热处理步骤，以得到无淀析区，但要使它成为商业上可行的产品，对材料的要求是太苛刻了。其他近代的高度先进的电子器件制作过程，根本不包括外扩散步骤。由于在有源器件区中氧淀析物所出现的问题，这些电子学器件必须使用这样的硅片制作，这些硅片不会在电子学器件制作过程的条件下，在硅片的任何地方形成氧淀析物。
因而，需要一种处理过程，它在器件制作之前可以消除硅片中已有的氧原子团或淀析物，同时还能防止之后氧淀析物的形成。
本发明的目标之一是提供一种切氏单晶硅片，以及制备此种硅片的过程，在这种硅片中，氧原子团或淀析物已经被消除；并且这种硅片在经历氧淀析热处理时，不再形成氧淀析物或氧原子团。
因此，简而言之，本发明针对热处理切氏单晶硅片的一种过程，在这种过程中，先在快速的热退火炉中消除氧原子团，然后再在一个热处理步骤中防止将来形成氧淀析物。此过程包括在至少约1150℃温度、至少约1000ppma的氧浓度下热处理硅片，以消除存在的氧原子团，并得到这样的硅片，它在经受氧淀析热处理时不会形成氧淀析物。
本发明还针对热处理切氏单晶硅片的一种过程，以消除氧淀析物或氧原子团，同时防止在以后热处理步骤中氧淀析物的形成。此过程包括在至少1150℃温度下在快速热退火炉中热处理硅片，以消除已有的氧原子团或氧淀析物，并且控制热处理硅片的冷却速率，一直到低于950℃，从而产生一种硅片，它在经受氧淀析热处理时不会形成氧淀析物。
本发明此外还针对热处理切氏单晶硅片的一种过程，以消除氧淀析物或氧原子团，同时防止在以后热处理步骤中氧淀析物的形成。此过程包含在至少1150℃温度下、在一种气氛下、在快速热退火炉中热处理硅片，以消除已有的氧原子团或氧淀析物。热处理的硅片接着以大于约20℃的冷却速率，冷却到950℃至1150℃之间的某个温度，然后在大约950℃至1150℃之间的某个温度热退火，从而生产一种硅片，它在经受氧淀析热处理时不会形成氧淀析物。
本发明的其他目标和特性将部分地明确，部分地将在下面指出。
本发明的过程提供一种方法，用它可以得到氧淀析物或氧原子团的浓度以及与氧淀析物有关的其他缺陷都已减少的单晶硅片。另外，本过程得到的硅片，基本上在以后任何的氧淀析热处理中(例如在800℃的温度下退火硅片四个小时，然后在1000℃温度下16小时)不会形成氧淀析物。因而本发明的过程可以用来消除硅片中许多种先前存在的缺陷，如大的氧原子团和某些种氧引起的堆垛层错(“OISF”)核。在硅片中仍然存在的溶解的氧不再淀析，即使该硅片经受氧淀析热处理。
本发明的过程的起始材料，是根据通常的切氏单晶生长方法生长的单晶棒，加以切割得到的单晶硅片。这种切氏方法以及标准的切割、研磨、腐蚀及抛光的技术已披露在，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(这里引用，以供参考)。这种硅片可以是抛光了的、也可以是仅研磨、腐蚀而没有抛光的。另外，这种硅片可以是以空位或自填隙点缺陷作为主要的本征点缺陷。例如这种硅片从中心到边缘可以是以空位为主、从中心到边缘以自填隙为主、或者包含主材料空位的中心核，环以自填隙主材料的轴对称环。
切氏方法生长的硅，典型的氧浓度在约5×1017到9×1017原子/cm3之间(ASTM标准F-121-83)。因为用本过程可以基本消除硅片的氧淀析行为(就是说，即使经受氧淀析热处理，该硅片基本上无氧淀析)，因而起始硅片的氧浓度可以在由切氏过程得到的浓度范围任意处，甚至于可以超出这个范围。在硅片藉以切割出的硅单晶棒中可能形成的氧淀析成核中心，与单晶硅棒从硅的熔点(约1410℃)温度经过约750℃的范围到约350℃的冷却速率有关。
在起始材料中是否存在这些成核中心，在本发明中并不是决定性的。然而这些中心最好能用本发明的快速热退火热处理加以消除。
根据本发明的过程，单晶硅片首先经历一个热处理步骤，在此步骤中，硅片被加热到高温。这个热处理步骤最好是在快速热退火炉中进行，在退火炉中，硅片迅速被加热到某个目标温度并在该温度下经较短时间退火。一般讲，该硅片经受高于1150℃的温度，不低于1175℃较好，不低于1200℃更好，在约1200℃到1275℃之间最好。硅片在此温度下通常保持至少一秒钟，典型的至少保持数秒钟(例如至少3秒)，最好数十秒(例如20、30、40、或50秒)，视原来存在缺陷的情况，也可以保持直至约60秒的时间(这已接近市售快速退火炉的极限)。
快速退火可以用很多种市售快速热退火(“RTA”)炉来实现，在这些炉中，硅片各自被一排排高功率灯加热。RTA炉能够快速加热硅片，例如它能把一片硅片在几秒钟内从室温加热到1200℃。一种市售RTA炉是AG Associates(Mountain View,CA)610型。
在超过1150℃下热处理硅片将使许多种原先存在的氧原子团及OISF核的瓦解。另外它将增加硅片中晶格空位的数密度。
迄今得到的信息表明，某些与氧有关的缺陷，例如环状的氧化引起的堆垛层错(OISF)，是高浓度空位的存在所促成的高温成核氧聚集。另外，在高空位区域，人们相信，氧原子成团在高温下迅速发生，这和低空穴的区域不同，在那里，氧淀析行为和缺乏氧淀析成核中心的区域更为相似。由于氧淀析行为受空位浓度的影响，因此在本发明的过程中，在热处理硅片中的空位密度是被控制的以便在以后的氧淀析热处理中，避免氧的淀析。
在本发明的过程的第一个实施例中，热处理硅片中的空位浓度用控制热处理时的气氛加以控制或至少部分地控制。迄今为止的实验证据表明，足够量的氧的存在能抑制热处理硅片中的空位浓度。虽然没有任何特别理论依据，但确信在有氧的情况下，快速热退火处理将使硅表面氧化，从而引起向内的硅自填隙流。这个向内的自填隙流，通过先表面引起复合然后向内引起复合，有逐渐改变空位浓度分布的效果。
不管机理是什么，在本发明过程的第一实施例中，是在含有氧的气氛中，进行快速热退火的步骤的；即退火是在包含氧气(O2)、水蒸汽、或者包含能够氧化暴露硅表面的氧的化合物气体的气氛中进行的。因而气氛可以完全是氧或氧的化合物气体，或者可以加一些非氧化气体，例如氩。然而应该注意到，当气氛不完全是氧时，那么包含至少约0.001大气压(atm)的氧的分压或1000份每百万个原子(ppma)为好。气氛中的氧分压不低于约0.002atm(2000ppma)较好，不低于0.005atm(5000ppma)更好，不低于0.01atm(10000ppma)则最好。
本征点缺陷(空位和硅自填隙)可以在单晶硅中扩散，其扩散速率依赖于温度。因此本征点缺陷的浓度分布是本征点缺陷的扩散系数和复合率的函数，而这两者又是温度的函数。例如，在快速热退火步骤中硅片退火时的温度附近，本征点缺陷是相对地可移动的，而高达700℃的温度下，在任意工业上有实际意义的时间内本征点缺陷几乎是不移动的。迄今为止的实验证据表明，在低于约700℃时空位的有效扩散速率显著减慢，也许高到800℃、900℃、甚至1000℃，在任何工业上有实际意义的时间内，空位可以认为是不能移动的。
因而在本发明的第二个实施例中，通过在空位相对地可移动的温度范围控制硅片的冷却速率，从而控制了，至少部分控制了热处理硅片中的空位浓度。硅片的温度在这段温度范围内下降时，空位扩散到硅片表面并且被湮灭，这样就导致空位浓度分布的变化，其变化界限依赖于硅片保持在该温度范围内某个温度下时间的长短以及该温度的数值；一般讲，较高的温度以及较长的扩散时间导致更多的扩散。一般讲，从退火温度到空位实际上已不能移动的温度(例如约950℃)的平均冷却速率不超过每秒20℃为好，不超过10℃更好，不超过5℃最好。
另外，硅片的温度也可以在高温退火以后迅速下降(例如以大于约20℃/秒的速率)到小于1150℃但大于950℃的温度，然而保持一段时间，这段时间的长度取决于所保持的温度。例如，对于靠近1150℃，则用几秒(例如至少约2、3、4、6秒或更多)可能已够了，但在靠近950℃，则可能要用几分(例如至少约2、3、4、6分钟或更多)才足以减少空位浓度。
硅片一旦冷却到单晶硅中晶格空位相对地可移动的温度范围以外时，冷却速率对于硅片的淀析特性，不再有显著影响，因而不再起关键作用。
通常，冷却步骤可以处于与加热步骤同一气氛下进行。适当的气氛包括，例如氮化气氛(即包含氮气(N2)或氮化合物气体如氨的气氛，它可以氮化暴露的硅表面)；氧化(含氧)气氛，非氧化，非氮化气氛(例如氩、氦、氖、二氧化碳)，以及它们的组合。
虽然在本过程中使用的快速热处理可以导致少量的氧从硅片上表面和下表面向外扩散，但得到的热处理过的硅片的填隙氧浓度，作为到硅片表面距离的函数，仍颇为均匀。例如，一片热处理过的硅片，在从硅片中心到离硅片表面不足15微米处，可以有颇为均匀的填隙氧浓度，如果从硅片中心到离硅片表面不足10微米有颇为均匀的填隙氧浓度则较好，从硅片中心到离硅片表面不足5微米更好，从硅片中心到离硅片表面不足3微米最好。在此情形下，颇为均匀的氧浓度意味着氧浓度变化不到约50％，不足约20％更好，如不足10％最好。
根据以上所述，可以看到本发明的几个目标已经达到。在不超出本发明的范围下，可以对上述组成和过程作各种各样的改变，因而我们上述所叙述的全部内容均应解释为示例性的而不是限制性的。

Claims (22)

1．一种去除切氏单晶硅片的氧淀析的热处理过程，此过程包括在至少约1150℃的温度、在氧浓度至少约1000ppma的气氛下在快速热退火炉中热处理硅片。
2．按照权利要求1的过程，其中，硅片在约1200℃到约1275℃之间进行热处理。
3．按照权利要求1或2的过程，其中，气氛中具有至少约2000ppma的氧浓度。
4．按照权利要求1或2的过程，其中，气氛中具有至少约5000ppma的氧浓度。
5．按照权利要求1或2的过程，其中，气氛中具有至少约10000ppma的氧浓度。
6．按照权利要求1或2的过程，其中，硅片被热处理至少约20秒。
7．按照权利要求1或2的过程，其中，硅片被热处理至少约40秒。
8．一种去除切氏单晶硅片的氧淀析的热处理过程，此过程包括以至少约1150℃的温度在快速热退火炉中热处理硅片，并控制从热处理的最高温度经过一个空位相对可移动的温度范围加以冷却的冷却速率，以把单晶硅中的空位数密度减少到某一数值，使得热处理过的硅片中在经受氧淀析热处理时不会形成氧淀析物。
9．按照权利要求8的过程，其中，硅片在约1200℃到约1275℃之间的某个温度进行热处理。
10．按照权利要求8的过程，其中，从在热处理过程中最高温度到约900℃温度之间冷却速率是被控制的。
11．按照权利要求8、9或10的过程，其中，冷却速率小于约20℃/秒。
12．按照权利要求8、9或10的过程，其中，冷却速率小于约10℃/秒。
13．按照权利要求8、9或10的过程，其中，冷却速率小于约5℃/秒。
14．按照权利要求8、9或10的过程，其中，硅片在氮化气氛中冷却。
15．按照权利要求8、9或10的过程，其中，硅片在氧化气氛中冷却。
16．按照权利要求8、9或10的过程，其中，硅片在非氮化，非氧化气氛中冷却。
17．一种去除切氏单晶硅片的氧原子团，并防止在以后氧淀析热处理中氧淀析物形成的热处理过程，此过程包括：
在至少约1150℃的温度下在快速热退火炉中热处理硅片，以消除原先存在的氧原子团；
以超过约20℃的速率，冷却热处理过的硅片到约950℃至1150℃之间的某个温度；
在约950℃到1150℃之间的某个温度热退火冷却过的硅片，从而得到经受氧淀析热处理也不会形成氧淀析物的硅片。
18．按照权利要求17的过程，其中，硅片在约1200到约1275℃之间某个温度进行热处理。
19．按照权利要求17或18的过程，其中，冷却过的硅片在约950℃的温度下热退火约2分钟。
20．按照权利要求17或18的过程，其中，冷却过的硅片在约950℃的温度下热退火约6分钟。
21．按照权利要求17或18的过程，其中，冷却过的硅片在约1150℃的温度下热退火约2秒。
22．按照权利要求17或18的过程，其中，冷却过的硅片在约1150℃的温度下热退火约6秒。
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