硅片及退火处理方法

文档序号:9541706
硅片及退火处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种集成电路用单晶硅抛光片热处理工艺技术领域,特别是涉及一种 在退火处理过程中施加电场的方式以改善单晶硅片内部缺陷提高单晶硅片性能的工艺方 法和广品。
【背景技术】
[0002] 用Czochralski法(下面称作Cz法)制造出来的单晶硅晶棒经切片、倒角、磨片、腐 蚀、抛光、热处理等工艺而制造的单晶硅抛光片被广泛用于超大规模集成电路等半导体元 器件的制造。近年来伴随着元器件集成度的不断提高,对硅片的品质要求也不断提高,特别 是用于元器件的硅片对其表面以及表面以下数微米的范围内不能有氧析物、格子缺陷等结 晶缺陷的存在。因此就需要在单晶硅片表面形成无缺陷的裸露区域,而硅片的表面缺陷采 用热处理方法消减。
[0003] 特别是掺杂氮的单晶硅晶棒,对硅片热处理时减少格子缺陷有很大帮助。这使得 氮掺杂单晶硅晶棒的退火硅片被广泛应用。晶棒拉制过程掺杂氮,可以抑制空洞缺陷或可 将空洞尺寸变小,用氩气氛围进行高温热处理可以有效减少格子缺陷的硅片制造方法被广 泛使用。
[0004]Cz法拉制的娃单晶一般的氧杂质含量在5X1017atom/cm3到9X10 17atom/cm3之 间,处于晶格的间隙位置。当单晶生成后,在1420Γ到750°C的温度区间冷却过程中,氧沉 淀会在单晶内部成核。通过不超过1300°C的热处理就会使得初始沉淀成核消失。但是在 1000~700°C的温度范围内处理硅片,硅片内样沉淀成核就会被稳定下来,长时间保温可以 使这些氧沉淀成核长大,形成氧沉淀。一般认为氧沉淀的基本单元为Si0x(x~2),其体积 要增大。所以氧沉淀核心的形成和生长需要克服很大的应变应力。空位在高温能够快速扩 散,缓解氧沉淀在形核过程中导致的晶格畸变或者形成0-V和02V的复合体促进氧沉淀的 形核长大。因此空位会增进氧的沉淀。相反地,自间隙原子的存在会抑制氧沉淀的形成。
[0005] 在器件制造中引入的热处理工艺导致硅片中氧的聚集,最终生成氧沉淀。当然,硅 片中的氧沉淀有双重作用:处于器件工作区的氧沉淀会导致器件失效,如栅氧化层的击穿, 形成结漏电电流等;而处于非器件工作区的氧沉淀会作为吸杂中心,俘获器件制造中引入 的有害的过渡族金属杂质。
[0006] 然而,滑移容易从退火步骤中导入的在正面和背面上的微小损伤向块体内延伸, 从而产生由于该滑移位错的延伸而降低硅晶片强度的问题。特别是若对于由热处理舟等支 撑的晶片实施退火,则因为在硅晶片与该舟的接触部分产生位错,所以滑移位错经常从由 该舟支撑的部分延伸。此外,滑移位错可以从硅晶片的边缘部分延伸。
[0007] 用于提高无缺陷层深度、抑制或防止该滑移位错或翘曲的产生的技术是已知的。 例如专利,CN201010621534. 8公布了一种硅晶片及其制造方法,其中通过在700°C至800°C 的温度范围内,将硅片插入退火炉中以5°C/min至10°C/min的升温速率升温至1100°C,以 1°C/min至2°C/min的升温速率加热至1200°C至1250°C,保持温度在1200°C至1250°C的 恒定温度2至4小时。从而距离硅晶片表面的深度为等于或深于50μm的位置上的BMD的 密度为等于或大于lXl〇n/cm3,且{111}面在围绕BMD的所有面中的比例作为所述BMD的 形态为等于或小于0.3。
[0008] 此外,专利CN200910266368. 1公布了一种硅晶片及制造方法,将硅片在650°C以 上至750°C以下的温度范围内实施热处理历时30min~5h;再以0. 5°C/min至2°C/min的 升温速率升温至850°C,再以5°C/min至10°C/min的升温速率加热至最高1100°C,并以 1°C/min至2°C/min的升温速率加热至最高1250°C,保持温度在1000°C至1250°C,使间 隙氧的扩散长度大于50μπι。从而使得硅晶片具有八面体BMD,其中位于比距该硅晶片表 面20μπι的深度更浅的位置处且对角线长度为200nm以上的BMD的浓度为2Χl〇7cm3,而 位于比50μπι的深度更深的位置处且对角线长度为10nm以上至50nm以下的BMD的浓度为 1X1012/cm3 以上。
[0009] 此外,专利CN200410088609. 5公开了一种单晶硅抛光片热处理工艺,其中通过快 速退火注入空位保证最终获得很高的氧沉淀密度;通过氧化退火注入自间隙硅原子,中和 表层空位,一直表层氧沉淀形成氧沉淀,最终保证表层有洁净区的生成。
[0010] 上述这些建议,虽然在一定程度上可以减少格子缺陷、抑制滑移的产生或滑移的 延长,但是无法有效的抑制和防止翘曲和滑变的问题,同时对硅锭材料中氧、氮含量的选材 标准比较苛刻,硅锭利用率有待进一步提高,从而降低成本。
[0011] 本发明针对上述存在的问题,提供一种高品质硅片及制造方法。

【发明内容】

[0012] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种具有较深空位型缺陷的 无瑕疵层深度的单晶硅片以及该类硅片的退火处理方法。该方法可以扩大硅片选材时硅锭 中氧、碳含量的浓度范围,提高硅锭的利用率。
[0013] 为了实现上述目的,本发明提供了低缺陷密度的单晶硅片,其特征在于所述硅片 空位型缺陷的无瑕疵层深度达5~13μm;硅片厚度中心处的BMD密度不低于5X10s/cm3。线 性滑移位错总长小于4cm,滑移累积总面积小于8cm2。
[0014] 进一步地,所述的娃片采用CZ法拉制得氧浓度范围在3X1017~7X1017atoms/cm3 以内、氮浓度范围在5X1014~2X1016atoms/cm3以内的单晶硅棒,再经切、磨、抛工艺加工 后,置于垂直垂直炉中对其进行退火所得。
[0015] 为了实现上述目的,本发明制备退火晶片的方法的特征在于包括下述退火处理工 序 :将氧浓度范围在3\1017~7\10173切!118/〇113以内、氮浓度范围在5\10 14~2\101(^〇1118/ cm3以内的硅基片,将由该晶锭加工制作的原始硅片,置于可施加电场的垂直退火炉进行退 火处理,在保持不低于1200°C的恒定温度下退火处理总时间不低于2h。
[0016] 进一步,所述的垂直退火炉,可在炉内腔体中施加不小于15KV/cm的电场。
[0017] 进一步,所述的热处理工序,其特性在于整个退火过程硅片处于非氧化气氛中,优 选氩气气氛。
[0018] 进一步地,所述的热处理工序,其特征在于:整个退火处理过程使硅片暴露于非氧 化气氛下且暴露于电场强度方向不变的电场中,其电场强度应不大于8KV/cm,优选0. 5KV/ cm~3KV/cm〇
[0019] 更进一步,所述的电场,其特征在于电势降低的方向可为任意方向,优选电势降低 的方向垂直于娃片正表面。
[0020] 更进一步,所述的电场,其特征在于硅片的正表面处于电场的高电势点,背面处于 电场的低电势点。
[0021] 进一步地,所述的热处理工序,其特征在于整个退火处理过程使硅片暴露于非氧 化气氛下;且在恒温退火处理期间的某一时刻,将电场强度的方向转变为与之之前相反的 方向,其电场强度应不大于8KV/cm,优选0· 5KV/cm~3KV/cm。
[0022] 更进一步,所述的某一时刻可为恒温过程的任意时刻,优选1/4恒温退火总时间 至3/4恒温退火总时间的时刻。
[0023] 更进一步,所述的电场,其特征在于电势降低的方向可为任意方向,优选电势降低 的方向垂直于娃片正表面。
[0024] 更进一步,所述的电场,其特征在于硅片的正表面处于电场的高电势点,背面处于 电场的低电势点。
[0025] 进一步地,本发明提供一种由上述方法制备的单晶硅片。
[0026] 本发明公开了一种改良型的氩气退火工艺,与现有技术相比本发明,在高温退火 工序中加载一垂直于娃片表面的电场,在娃片内部产生梯度力。在梯度力与温度场作用下, 原子振动加剧,从而降低硅片中的C0P的尺寸和数量。同时,电场驱使空穴向硅片正面表面 以下扩散,从而进一步提高硅片正表面的无缺陷层深度;其次空穴在向硅片正表面以下扩 散的同时并聚集,形成空间,有利于BMD颗粒的增大,增强吸杂层的吸气能力,同时缩减B MD在退火过程中引起硅片的翘曲与滑移。
[0027] 在本发明中,空穴型缺陷的无瑕疵层深度是指:用SC-1或类似实际重复清洗 而出现的大小为〇. 1μπι或更大的晶体原生颗粒(C0P)密度的合格密度经设计为不大于 2X105atomS/cm3时,距单晶硅片表面的深度。以块体微细缺陷(BMD)密度表示的氧沉淀物 结晶缺陷密度是指:溶解于单晶硅锭、形成过饱和固体溶液、经热处理的间隙氧沉淀所产生 Si02导致微细缺陷及随同Si02形成、叠层缺陷导致位错所产生微细缺陷的密度,该值是由 M04 (BMD分析仪)测得。
【具体实施方式】
[0028] 发明效果 根据本发明,可提供一种单晶硅硅片,其空位型缺陷的无瑕疵层深度为5~13μπι;在距 离正表面不小于10μπι处拥有一具有BMD密度不低于5X10s/cm3的吸杂层,硅片的线性滑 移位错总长小于4cm,滑移累积总面积小于8cm2。
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