專利名稱：摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及摻鍺重摻磷直拉單晶硅片及其內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)的制備工藝，屬于半導體領域。
背景技術：
集成電路器件往往制作在直拉硅片的近表面層或外延層上，因此硅片表面和近表 面區(qū)域的微缺陷對器件的可靠性和成品率有著重要的影響(S.Huth， Journal of A卯lied Physics, (2000) ，88,4000)。硅片在材料加工和器件制作的過程中不可避免的要受到如Cu、 Fe和Ni等過渡族金屬的沾污。這些金屬雜質(zhì)在硅中具有很強的擴散能力，如果出現(xiàn)在器 件有源區(qū)，將破壞電子輸運特性而導致器件失效(M. B. Shabani，T. Yoshimi，H. Abe Journal of The ElectrochemicalSociety， (2005) ， 143， 2025)。因此，研究內(nèi)吸雜技術在大直徑直 拉硅單晶中的應用具有重要的理論意義和實用價值。 隨著超大規(guī)模集成電路集成度不斷提高，器件特征尺寸不斷降低，對硅片表面及 近表面區(qū)域中微缺陷控制的要求日益提高(R. Falster， V. V. Voronkov， Physica Status Solidi B-Basic Research, (2000) ， 222， 219)。另一方面，隨著大直徑直拉硅片初始氧濃度 的降低和器件制造中熱處理溫度的不斷下降(M. J. Binns，A. Banerjee，R. Wise，D. J. Myers， T.A.McKenna， Solid State Phenomena, (2001) ， 82-84， 387)，硅片體內(nèi)氧沉淀的形成受
到了抑制，使得傳統(tǒng)的內(nèi)吸雜工藝受到了挑戰(zhàn)。近年來，基于快速熱處理的"魔幻潔凈 區(qū)，，(MDZ)技術(R. Falster， V. V. Voronkov， Physica Status Solidi B-Basic Research, (2000) ，222,219)和在硅晶體中故意摻入雜質(zhì)(D. Yang， J. Chen， X. Ma， and D. Que, Journal of Crystal Growth, (2009) ， 311， 837)被證明是解決上述問題有效的方法，得到了國際硅 材料界的廣泛關注。 重摻直拉單晶硅是集成電路器件制造中一類重要的外延襯底材料。當氧沉淀 或其誘生缺陷形成位置遠離外延層和襯底近表面時，它們可以作為金屬雜質(zhì)的吸雜點， 從而可以有效緩解層錯或位錯延伸到器件有源區(qū)(即外延層)而導致器件失效的問題 (A. Borghesi， B. Pivac， A. Sassella， A. Stella, Journal of AppliedPhysics， (1995) ，77， 4169)。重摻磷直拉硅單晶由于磷在硅中具有較高的固溶度從而可以達到較低的電阻率， 所以在某些要求低電阻率的功率器件中有廣泛的用途，但是重摻磷單晶硅片的內(nèi)吸雜效果 并不理想。另一方面，摻鍺直拉單晶硅片由于其優(yōu)異的性能受到了研究者廣泛的關注。據(jù) 報道，在直拉硅單晶中摻入鍺可以抑制COP的尺寸(D. Yang， J. Chen， H. Li， X. Ma， D. Tian， L丄i， and D. Que, Journal of Crystal Growth, (2006) ， 292， 266)，促進氧沉淀的形成 (H丄i，D. Yang，X. Ma，X. Yu，and D. Que, Journal of Applied Physics, (2004) ， 96， 4161)， 并且改善硅片的機械性能(T. Taishi， X. Huang， I. Yonenaga， K. Hoshikawa， Materials Science inSemiconductor Processing, (2003) ， 5， 409)。因此，本發(fā)明提出在重摻磷直拉 單晶硅中摻入鍺而形成的具有內(nèi)吸雜功能的新型硅單晶材料，有望作為一種更好的外延硅 片襯底層而應用于集成電路器件制造中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，以使
摻鍺重摻磷直拉單晶硅片成為一種具有內(nèi)吸雜功能的新型硅單晶材料。 本發(fā)明的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，有以下兩種方案 方案1 摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，摻鍺重摻磷直拉單晶硅片中 初始氧濃度為0. 5X1018cm—3-5X1018cm—3，鍺濃度為0. 1 X 1019cm—3_10X 1019cm—3，磷濃度為 1 X 1019cm—3-10 X 1019cm—3，其特征是制備工藝包括以下步驟 將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中 先在1100-120(TC下退火0. 5-5小時，空冷后在600-100(TC下退火4-20小時，然后在 800-1 IO(TC下退火8-20小時。
方案2 摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，摻鍺重摻磷直拉單晶硅片中 初始氧濃度為0. 5X1018cm—3-5X1018cm—3，鍺濃度為0. 1 X 1019cm—3_10X 1019cm—3，磷濃度為 1 X 1019cm—3-10 X 1019cm—3，其特征是制備工藝包括以下步驟 1)將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于快速熱處理爐中
1100-1260。C熱處理30-120s ;或者在氬氣氛下，于快速熱處理爐中1100-1260。C熱處理
30-120s后，以5-20°C /s的冷卻速率降到800-1100。C熱處理30_120s ; 2)將經(jīng)過步驟1)處理的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片在氬氣氛下，于擴散熱處理爐
中先在600-1000。C下退火4-12小時，再在800-1000。C下退火8_20小時。 上述摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的RCA清洗，可參見W. Kern， Journal of
TheElectrochemical Society, (1990)，137，1887。 本發(fā)明的有益效果在于 采用本發(fā)明制備工藝可以有效實現(xiàn)摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)，并且 這種內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)能夠有效的吸雜過渡族金屬雜質(zhì)銅，從而保證潔凈區(qū)的完整性。因此，通過 上述制備工藝可以使得摻鍺重摻磷直拉單晶硅成為一種具有內(nèi)吸雜功能的新型硅單晶材 料而應用于集成電路制造中。


圖1是實施例1摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照 片； 圖2是實施例2摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照 片； 圖3是實施例3摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照 片。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
實施例1 選擇直徑為150mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為1 X 1018cm—3，鍺濃度 約為IX 1019cm—3，磷濃度為4X 1019cm—3。 將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中先在 120(TC下退火2小時，空冷后接著在80(TC下退火8小時，最后在IOO(TC下退火16小時。
將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40% ) = 1 : 1)中 腐蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密 度。 圖1是摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片。從圖中
可以看出，經(jīng)高低高三步退火后其體內(nèi)形成了高密度的體微缺陷，近表面形成了大于30 m
的潔凈區(qū)。 實施例2 選擇直徑為150mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為1 X 1018cm—3，鍺濃度 約為IX 1019cm—3，磷濃度為4X 1019cm—3。 1)將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于快速熱處理爐中 1260。C熱處理60s ; 2)將經(jīng)過步驟1)處理的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片在氬氣氛下，于擴散熱處理爐 中在80(TC下退火8小時，再在IOO(TC下退火16小時。 將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40% ) = 1 : 1)中 腐蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密 度。 圖2是摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片。從圖中
可以看出，經(jīng)單步快速熱處理再加低高兩步退火后其體內(nèi)形成了高密度的體微缺陷，近表
面形成了約12ym的潔凈區(qū)。這是由于RTP過程中向硅片中注入了大量的空位，空位可以和
雜質(zhì)原子鍺和磷作用形成鍺-空位(Ge-V)相關復合體和磷-空位(P-V)相關復合體。這
些復合體可以作為異質(zhì)形核中心從而促進氧沉淀的形成。 實施例3 選擇直徑為150mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為1 X 1018cm—3，鍺濃度 約為IX 1019cm—3，磷濃度為4X 1019cm—3。 1)將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于快速熱處理爐中 1260。C熱處理60s后，以10°C /s的冷卻速率降到IOO(TC熱處理60s ; 2)將經(jīng)過步驟1)處理的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片在氬氣氛下，于擴散熱處理爐 中先在80(TC下退火8小時，再在IOO(TC下退火16小時。 將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40% ) = 1 : 1)中 腐蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密 度。 圖3是摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片。從圖中 可以看出，經(jīng)兩步快速熱處理再加低高兩步退火后其體微缺陷密度也很高，近表面形成了 約20iim的潔凈區(qū)。這是由于空位作為快擴散點缺陷，在126(TC冷卻到IOO(TC的過程中，近表面空位外擴散從而降低了近表面空位濃度，導致近表面氧沉淀形成被抑制，而體內(nèi)仍
可形成高密度的微缺陷。 實施例4 選擇直徑為200mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為0. 6 X 1018cm—3，鍺濃 度約為2X 1019cm—3，磷濃度為9X 1019cm—3。 將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中先在 120(TC下退火2小時，空冷后接著在80(TC下退火8小時，最后在IOO(TC下退火16小時。
將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40% ) = 1 : 1)中 腐蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密 度。從該摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片中可以看出，經(jīng) 高低高三步退火后其體內(nèi)形成了高密度的體微缺陷，近表面形成了明顯的潔凈區(qū)。
實施例5 選擇直徑為200mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為0. 6 X 1018cm—3，鍺濃 度約為2X 1019cm—3，磷濃度為9X 1019cm—3。 D將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于快速熱處理爐中 1260。C熱處理60s ; 2)將經(jīng)過步驟1)處理的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片在氬氣氛下，于擴散熱處理爐 中先在80(TC下退火8小時，再在IOO(TC下退火16小時。 將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40%)=1 : 1)中腐
蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密度。
從該摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片中可以看出，經(jīng)單步
快速熱處理再加低高兩步退火后其體內(nèi)形成了高密度的體微缺陷，近表面形成了約10 m
的潔凈區(qū)。 實施例6 選擇直徑為100mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為4X 1018cm—3，鍺濃度 約為8X 1019cm—3，磷濃度為5X 1019cm—3。 摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝包含以下步驟將摻鍺重摻磷直 拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中先在120(TC下退火2小時，空冷 后接著在80(TC下退火8小時，最后在IOO(TC下退火16小時。將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40% ) = 1 : 1)中 腐蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密 度。從該摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片中可以看出，經(jīng) 高低高三步退火后其體內(nèi)形成了高密度的體微缺陷，近表面形成了明顯的潔凈區(qū)。
實施例7 選擇直徑為100mm的摻鍺重摻磷n型直拉硅片，其中氧濃度為4X 1018cm—3，鍺濃度 約為8X 1019cm—3，磷濃度為5X 1019cm—3。 1)將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，于快速熱處理爐中在氬氣氛下 1260。C熱處理60s后，以10°C /s的冷卻速率降到IOO(TC熱處理60s ; 2)將經(jīng)過步驟1)處理的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片在氬氣氛下，于擴散熱處理爐
6中先在80(TC下退火8小時，再在IOO(TC下退火16小時。 將硅片表面蠟封，經(jīng)解理后在Sirtl液(Cr03(5mol/1) : HF(40% ) = 1 : 1)中 腐蝕3min，最后用Olympus MX-50型光學顯微鏡(OM)觀察其潔凈區(qū)寬度以及體微缺陷密 度。從該摻鍺重摻磷直拉單晶硅片解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學顯微鏡照片中可以看出，經(jīng) 兩步快速熱處理再加低高兩步退火后其體內(nèi)形成了高密度的體微缺陷，近表面形成了大于 lOiim的潔凈區(qū)。
權(quán)利要求
摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，摻鍺重摻磷直拉單晶硅片中初始氧濃度為0.5×1018cm-3-5×1018cm-3，鍺濃度為0.1×1019cm-3-10×1019cm-3，磷濃度為1×1019cm-3-10×1019cm-3，其特征是制備工藝包括以下步驟將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中先在1100-1200℃下退火0.5-5小時，空冷后在600-1000℃下退火4-20小時，然后在800-1100℃下退火8-20小時。
2. 摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，摻鍺重摻磷直拉單晶硅片中 初始氧濃度為0. 5X1018cm—3-5X1018cm—3，鍺濃度為0. 1 X 1019cm—3_10X 1019cm—3，磷濃度為 1 X 1019cm—3-10 X 1019cm—3，其特征是制備工藝包括以下步驟1) 將摻鍺重摻磷直拉單晶硅片經(jīng)RCA清洗后，在氬氣氛下，于快速熱處理爐中 1100-1260。C熱處理30-120s ;或者在氬氣氛下，于快速熱處理爐中1100-1260。C熱處理 30-120s后，以5-20°C /s的冷卻速率降到800-1100。C熱處理30_120s ;2) 將經(jīng)過步驟l)處理的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中先 在600-100(TC下退火4-12小時，再在800-100(TC下退火8-20小時。
全文摘要
本發(fā)明公開的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)制備工藝，是將初始氧濃度為0.5×1018cm-3-5×1018cm-3，鍺濃度為0.1×1019cm-3-10×1019cm-3，磷濃度為1×1019cm-3-10×1019cm-3的摻鍺重摻磷直拉單晶硅片，在氬氣氛下，于擴散熱處理爐中進行退火；或者在氬氣氛下，于快速熱處理爐中先熱處理再進行退火。本發(fā)明制備工藝可以有效實現(xiàn)摻鍺重摻磷直拉單晶硅片的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)，并且這種內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)能夠有效的吸雜過渡族金屬雜質(zhì)銅，保證潔凈區(qū)的完整性，從而使摻鍺重摻磷直拉單晶硅有望成為一種具有內(nèi)吸雜功能的新型硅單晶材料而應用于集成電路制造中。
文檔編號C30B29/06GK101787568SQ20101010430
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者楊德仁, 林麗霞, 陳加和, 馬向陽 申請人:浙江大學