專利名稱：一種獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用快速熱處理(Rapid Thermal Process)工藝處理單晶硅拋光片，獲得潔凈區(qū)同時降低表面COP(Crystal original Pits晶體原生空洞)缺陷密度的一種工藝方法及其產(chǎn)品。具體地說是一種對硅片快速熱處理處理的工藝，通過該處理后的硅片，在器件工藝中不但獲得理想的潔凈區(qū)厚度，而且在器件工作區(qū)域有較低的COP密度。
背景技術(shù)：
硅片是現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路的主要襯底材料，一般通過直拉法(Czochralski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半導(dǎo)體硅片。直拉法獲得的硅單晶不可避免地會有氧雜質(zhì)的進入。在拉晶過程中，氧會進入單晶內(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，通過直拉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)。直拉法獲得的單晶一般拉速較快，這使得單晶內(nèi)部含有過飽和的空位。
在單晶的冷卻過程中，過飽和空位首先會發(fā)生聚集，形成空洞型缺陷。完整的空洞型缺陷一般為八面體形狀，內(nèi)部有可能會生成一層氧化膜，形成溫度為1300℃～1100℃之間。通過不同的表征技術(shù)，空洞型缺陷呈現(xiàn)不同的形貌。COP是在一號清洗液(SC1)(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)腐蝕后，由激光顆粒計數(shù)器觀察到的。
CZ法拉制的硅單晶氧雜質(zhì)含量一般在5×1017到9×1017之間，處于晶格的間隙位置。在單晶冷卻過程中，首先有COP的形成，在隨后的冷卻時，氧沉淀會在單晶內(nèi)部成核(成核溫度在1300℃到750℃之間)。核心的大小于密度與冷卻過程相關(guān)。通過不超過1300℃的熱處理就會使得沉淀核心消失。但是在700℃～1000℃左右保溫，硅片內(nèi)氧沉淀成核就會被穩(wěn)定下來，繼續(xù)保溫這些核心就會長大生成氧沉淀?？瘴辉诟邷啬軌蚩焖贁U散，緩解在氧沉淀成核過程中導(dǎo)致的晶格畸變或者形成OV和O2V復(fù)合體促進氧沉淀的成核長大。
單晶中空位能夠聚集生成空洞型缺陷，同時還能夠促進氧沉淀成核。在單晶中空位首先聚集生成空洞型缺陷，而氧沉淀的成核溫度低于空洞型缺陷的形成溫度。在硅單晶內(nèi)部空位濃度相對較低的地方，空位不會聚集生成空洞型缺陷，而是在硅單晶進一步冷卻時促進氧沉淀成核。
COP缺陷對GOI(柵氧化物的完整性)有極大的影響。有當(dāng)處于器件工作區(qū)的COP尺寸大于集成電路特征線寬的1/3時，就可能導(dǎo)致器件失效并影響收率。目前主流的集成電路為0.13μm，同時滿足90nm的器件工藝意見日趨成熟，所以COP對器件收率的影響將更加嚴重。
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)的氧沉淀會導(dǎo)致器件失效，如柵氧化層的擊穿，形成結(jié)漏電電流；而處于非器件工作區(qū)的氧沉淀會作為吸雜中心，起到內(nèi)吸雜的作用，俘獲器件制造中引入的有害的過渡族金屬雜質(zhì)。在工藝過程中會引入很多金屬雜質(zhì)。這些過渡金屬能成核或者進入晶體缺陷，形成深能級缺陷。這些金屬以及形成的缺陷會產(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。
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)通過抑制氧沉淀成核長大，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，使的金屬沾污會迅速向硅片體內(nèi)擴散，在氧沉淀附近被俘獲。
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)自間隙氧原子發(fā)生外擴散。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)的退火方法有著嚴重的缺陷，主要表現(xiàn)在潔凈區(qū)厚度對初始氧依賴程度大。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，尾部又開始升高，加上熱場的影響，使得同一單晶上獲得的硅片的氧含量有差異，氧沉淀形核也不一致。而傳統(tǒng)的退火方法一般會大批次(如100片/批)進行熱處理，這樣帶來一個嚴重的問題就是，由于氧含量，和氧沉淀初始成核狀態(tài)的不同，將導(dǎo)致單批硅片的氧外擴散的深度不一致。最終結(jié)凈區(qū)的厚度不一樣。其次該工藝強烈依賴硅片中的初始氧濃度，對于氧濃度較低的硅片很難形成足夠的吸雜中心。
美國專利文獻(US6.191,010，B1)公開了一種生成魔幻潔凈區(qū)的方法(Magic Denuded Zone)，是一種用快速熱處理(RTP)處理硅片獲得潔凈區(qū)的工藝。工藝通過對硅片快速加熱、快速冷卻，來控制氧沉淀成核中心，使得硅片表層的氧沉淀成核、長大受到抑制，進而形成潔凈區(qū)。而潔凈區(qū)以下的區(qū)域，氧沉淀成核、長大受到增強。該專利有一些缺點首先要求在快速退火過程中嚴格控制氧氣的分壓，要求及其嚴格的氣體比例控制；其次，實際獲得的潔凈區(qū)太厚，且不能達到10μm以下；第三。不能降低表面的COP密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法。通過該工藝方法處理硅片，可以在5～40μm范圍內(nèi)自由控制的潔凈區(qū)厚度，提高吸雜區(qū)域的氧沉淀密度，同時降低表面區(qū)域的COP密度。本發(fā)明的優(yōu)點在于提出一項穩(wěn)定的獲取潔凈區(qū)的工藝并且降低COP密度的快速退火方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種采用獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法所制成的產(chǎn)品。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，該方法包括下述步驟(1)、在Ar/NH3/H2或N2/NH3/H2混合氣的氣氛中，將硅片加熱到1150～1250℃，再將硅片在1150～1250℃條件下保溫30～50秒后，在降溫時，高溫階段1250～800℃的降溫速率保持在20～100℃/S。
(2)、按照常規(guī)方法進行退火工藝；(3)、按照常規(guī)方法進行熱處理工藝，即獲得潔凈區(qū)的硅片。
在本發(fā)明的工藝方法的步驟(1)中，降溫速率為20～100℃/S，降溫速度是決定潔凈區(qū)厚度和氧沉淀密度的一重要因素。提高降溫速度可以增加氧沉淀密度，降低潔凈區(qū)厚度。為了滿足降低COP密度的目的，步驟(1)中的快速退火的保溫時間不得低于30s，實驗證明COP密度的降低與保溫時間密切相關(guān)，開始時COP密度隨著保溫時間的延長迅速降低。隨著保溫時間的延長，COP密度會達到一個恒定值，不再改變，繼續(xù)延長保溫時間不會對COP降低有任何作用。這是因為使用含H2氣氛的退火只能消除體積一般的COP，異常長大的COP不能通過氫氣退火來消除。
在本發(fā)明的工藝方法的步驟(1)中，通過使用Ar/NH3/H2的混合氣體作為快速熱處理的保護氣氛，可以獲得更理想的潔凈區(qū)厚度和很高的氧沉淀密度；同時降低表面的COP密度，最終生產(chǎn)出更符合器件工藝要求的硅襯底材料。在所述的步驟(1)中所用的Ar/NH3/H2，其中氬氣對于混合氣的體積百分比為0～40％，且≠0，NH3和H2的體積比例為3∶1～1∶1。在該步驟(1)中，Ar對于混合氣的體積百分比為0～40％，并且可以通過調(diào)整H2和NH3的體積比例以調(diào)整潔凈區(qū)的厚度和氧沉淀的密度。
在本發(fā)明的工藝方法的步驟(1)中，通過使用Ar/NH3/H2的混合氣體作為快速熱處理的保護氣氛，也可以采用N2/NH3/H2混合氣體作為快速退火的保護氣氛。如果在所述的步驟(1)中所用的混合氣為N2/NH3/H2混合氣氛時，組成混合氣各個氣氛的比例不同于N2/NH3/H2混合氣氛的比例。在N2/NH3/H2混合氣中，NH3對于混合氣的體積百分比保持在20％～50％之間，而N2和H2的體積比例為1∶3～1∶6之間。并且通過調(diào)整N2和NH3總量在混合氣體中的體積比例可以調(diào)整潔凈區(qū)的厚度和氧沉淀的密度。
總之，在所述的步驟(1)中，通過調(diào)整Ar/NH3/H2混合氣或N2/NH3/H2混合氣體的體積比例，用以得到不同的潔凈區(qū)厚度。
在本發(fā)明的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法中，在所述的步驟(1)中，是采用Steag 2800 SHS快速熱處理系統(tǒng)進行加熱。本發(fā)明實用于市場上出售的任何同類型設(shè)備。在所述的步驟(1)可以在任何的商用快速熱處理裝置內(nèi)實施，是采用單片退火工藝。
在本發(fā)明的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法中，在所述的步驟(2)中，是將硅片在700℃保溫4小時，保溫氣氛為氫氣、氬氣或氮氣條件下進行退火工藝。步驟(2)的退火工藝是常規(guī)的內(nèi)吸除工藝的第二步的退火工藝，即氧沉淀成核工藝，在低溫階段(700℃)氧沉淀開始形成氧沉淀核心。步驟(2)即第二步的退火工藝可以在生產(chǎn)硅片的廠家實施，也可以由器件廠家實施。
在本發(fā)明的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法中，在所述的步驟(3)中，是將硅片在900℃，氮氣為保護氣氛條件下進行熱處理，熱處理時間為16小時。步驟(3)工藝是常規(guī)的內(nèi)吸除工藝的第三步工藝，即氧沉淀長大工藝。通過在高溫(900℃)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)。該退火工藝一般由器件廠家在器件制造工藝中實施。
只有經(jīng)過第三步退火處理后，才能在硅片的斷面看到潔凈區(qū)。觀察潔凈區(qū)的工藝的步驟有以下幾步首先把硅片沿(110)或(111)晶面解理。然后由Wright腐蝕液腐蝕5分鐘，用純水漂洗后吹干。然后在金相顯微鏡下觀察。根據(jù)顯微鏡內(nèi)的標(biāo)尺，可以測出潔凈區(qū)的厚度。通過目測視場內(nèi)氧沉淀的數(shù)量，可以獲得氧沉淀密度。
第三步工藝一般在器件制造工藝完成后進行。這樣可以使得在器件制造中引入的金屬沾污被全部擴散進入硅片中心區(qū)域，在氧沉淀附近穩(wěn)定下來。
采用本發(fā)明的硅片快速熱處理工藝方法制成的硅片，將硅片在所述的(1)、(2)、(3)三個步驟的處理后，硅片內(nèi)部可以形成圖4所示的潔凈區(qū)，潔凈區(qū)的厚度在5～40μm范圍內(nèi)，同時潔凈區(qū)下面的氧沉淀密度在1×109～9×1010個/cm3的范圍內(nèi)。
采用本發(fā)明的硅片快速熱處理工藝方法制成的硅片，將硅片在所述的步驟(1)處理后，可以將硅片表面的COP降低到20～30個/片。
確定本發(fā)明的工藝性能好壞的主要因素有潔凈區(qū)的厚度，吸雜區(qū)氧沉淀的密度，以及COP密度降低的多少?，F(xiàn)代器件工藝希望獲得較薄的潔凈區(qū)，足夠的氧沉淀，以滿足金屬吸雜的要求；同時也希望硅片表面COP的密度較低且尺寸較小，以滿足COP導(dǎo)致的GOI(柵氧化物完整性)降低的可能性，影響器件收率的矛盾。本發(fā)明經(jīng)過對比不同工藝條件下獲得的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)快速退火保溫溫度、保溫時間、降溫速率、退火氣氛將是影響工藝的主要參數(shù)。提高退火溫度、保溫時間、降溫速率會導(dǎo)致氧沉淀密度升高，潔凈區(qū)厚度變窄。提高快速退火溫度和保溫時間，增加氫氣濃度都會導(dǎo)致COP密度的降低，適當(dāng)提高氨氣比例也可以加快COP的消除。本發(fā)明的快速退火的工藝可以說是決定氧沉淀密度、潔凈區(qū)厚度、COP密度的決定性工藝?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)完成本發(fā)明。
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)明的方法對硅片制造工藝非常實用，使用本發(fā)明的方法可以替代熱施主消除退火，即在拋光工藝過后實施快速退火處理。使用本發(fā)明的方法后硅片制造工藝改為單晶拉制-滾磨-切片-導(dǎo)角-磨片-腐蝕-拋光-RTA[即本發(fā)明的方法中的步驟(1)]-第二步退火[即本發(fā)明的方法中的步驟(2)](根據(jù)客戶要求可以不作)-清洗-封裝。
本發(fā)明的方法中的步驟(1)以下簡稱為RTA。


圖1為硅片中心區(qū)域和表面區(qū)域的定義的示意圖。
圖2為快速退火前后空位分布示意圖。
圖3為退火時間對COP密度的影響曲線圖。
圖4為在Ar/H2/NH3氣氛中對硅片進行RTA處理(RTA處理溫度1225℃，保溫30s降溫速度為90℃/S)；然后經(jīng)過700℃保溫4小時，900℃保溫16小時處理后獲得的潔凈區(qū)的在電子顯微鏡下的照片。
具體實施例方式
實施例在H2/NH3/Ar氣氛下，使用不同的降溫速率，對硅片進行RTA處理工藝。在實驗過程中，除保溫時間不同以外，其他工藝條件都相同。RTA處理后，測量COP的密度。采用700℃保溫4小時，900℃保溫16小時的熱處理工藝生成氧沉淀并獲得的潔凈區(qū)。具體工藝參數(shù)和實驗結(jié)果如表1所示。
從表1中可以看到潔凈區(qū)厚度隨著保溫時間增加而變薄，氧沉淀密度隨著保溫時間的增加而降低。COP密度隨著保溫時間的增加而降低，但是不會一直降低。30s的保溫時間足夠消除COP，圖4為保溫15S獲得的潔凈區(qū)，如圖4所示，圖4中的符號分別表示為硅片背面1；吸雜中心2；潔凈區(qū)3；硅片的拋光面4。
表1


采用本發(fā)明的工藝方法的步驟(1)，使用快速退火處理的硅片可以具有以下兩個優(yōu)點首先是形成特殊的空位分布，使得在硅片表層區(qū)域5(這里我們規(guī)定硅片表層區(qū)域5是指有硅片表面5～100μm；硅片中心區(qū)域6是指夾在兩個表層區(qū)域5的中間區(qū)域。其示意圖見圖1)空位濃度低，而在中心區(qū)域6以下空位濃度較高。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)生氮化。使得硅片表面會生成氮硅化合物(SixNy)。氮硅化合物的生成使得在氮硅化合物和硅單晶界面處形成大量空位。在1200℃時空位可以迅速擴散到達硅片內(nèi)部。同時根據(jù)Schottky和Frenkel機制，硅片中形成大量的自間隙原子和空位。在這個過程中，空位不斷的向內(nèi)部擴散，同時還和自間隙原子復(fù)合，在最終形成了圖2所示的空位分布。
空位分布將會影響后序處理時氧沉淀的分布，空位濃度高的地方氧沉淀密度高。在表層區(qū)域空位濃度極低將不會有氧沉淀的生成。
其次，能夠降低COP的密度。COP的測量是通過ADE Optiacal SystemsCorporation生產(chǎn)的Constellation-AWIS進行測量，快速退火處理之前的每片COP密度大約為210多個，處理后COP的密度明顯降低。處理后COP密度明顯降低，大約變?yōu)?0～30個。在氬氣比例一定的情況下，增加氨氣比例可以加快COP降低速度。
圖3為退火時間對COP密度的影響曲線圖，其中，圖3(a)為NH3/H2＝1∶1，Ar為總體積的20％時COP密度隨保溫時間的變化；圖3(b)為NH3/H2＝2∶1，Ar為總體積的20％時COP密度隨保溫時間的變化。如圖3所示，在圖3(a)條件下保溫時間可以控制在50秒；在圖3(b)條件下保溫時間可以控制在30秒。
權(quán)利要求
1.一種獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，其特征在于該方法包括下述步驟(1)、在Ar/NH3/H2或N2/NH3/H2混合氣的氣氛中，將硅片加熱到1150～1250℃，再將硅片在1150～1250℃條件下保溫30～50秒后，降溫時，在高溫階段(1250～800℃)的降溫速率保持在20～100℃/S；(2)、按照常規(guī)方法進行退火工藝；(3)、按照常規(guī)方法進行熱處理工藝，即獲得潔凈區(qū)的硅片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，其特征在于在所述的步驟(1)中所用的Ar/NH3/H2混合氣，其中，氬氣對于混合氣的體積百分比為0～40％、且≠0，氨氣和氫氣的體積比例為3∶1～1∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，其特征在于在所述的步驟(1)中所用的N2/NH3/H2混合氣體，其中NH3對于混合氣的體積百分比為20％～50％，而N2和H2的體積比例為1∶3～1∶6之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，其特征在于在所述的步驟(1)將RTA的高溫保溫溫度為1150～1250℃，保溫時間為30～50秒，降溫時，在高溫階段1250～800℃的降溫速率為20～100℃/S。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，其特征在于在所述的步驟(1)中，通過調(diào)整Ar/NH3/H2混合氣或N2/NH3/H2混合氣體的體積比例，用以得到不同的潔凈區(qū)厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法，其特征在于在所述的步驟(1)可以在任何的商用快速熱處理裝置內(nèi)實施，是采用單片退火工藝。
7.一種用權(quán)利要求1所述的硅片快速熱處理工藝方法制成的硅片，其特征在于將硅片在所述的(1)、(2)、(3)三個步驟的處理后，硅片內(nèi)部可以形成潔凈區(qū)，潔凈區(qū)的厚度在5～40μm范圍內(nèi)，同時潔凈區(qū)下面的氧沉淀密度在1×109～9×1010個/cm3的范圍內(nèi)。
8.一種用權(quán)利要求1所述的硅片快速熱處理工藝方法制成的硅片，其特征在于將硅片在所述的步驟(1)處理后，可以將硅片表面的COP降低到20～30個/片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獲得潔凈區(qū)的硅片快速熱處理工藝方法及其產(chǎn)品。該方法包括(1)在Ar/NH
文檔編號H01L21/324GK1838388SQ20051005642
公開日2006年9月27日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者馮泉林, 周旗剛, 王敬, 劉斌, 萬關(guān)良, 張果虎, 屠海令 申請人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司