专利名称：用于控制理想氧沉淀硅片中洁净区深度的方法
技术领域：
本发明一般涉及一种半导体材料衬底，尤其是一种硅片的制备，该硅片适合用于电子元件的制造。更具体地说，本发明涉及一种用于处理硅片以便在其中形成一种非均匀的晶格空位分布的方法，从而在基本上任何电子器件制造过程的热处理周期中，硅片在片体中形成氧沉淀，而在表面附近形成一薄的或浅的无沉淀区。
背景技术：
单晶硅是用于制造半导体电子元件的大多数工艺的原材料，该单晶硅通常是用所谓的直拉(CZ)法(Czochralski process)制备，其中将一单晶籽晶浸入熔化的硅中，然后通过缓慢提拉生长。熔化的硅在它装在一石英坩埚中的时间内，被各种杂质所污染，该杂质当中主要是氧。在硅熔体的温度下，氧进入晶格直至它达到一浓度时为止，该浓度由在熔体温度下氧在硅中的溶解度和由氧在固化的硅中的实际偏析系数确定。这些浓度大于在通常用来制造电子器件的工艺所用的温度下氧在固体硅中的溶解度。因此，随着晶体从熔体生长并冷却，氧在硅中的溶解度迅速降低，因而在留下的切片或硅片中，氧是以过饱和浓度存在。
在电子器件制造过程中通常采用的热处理周期可能造成氧在硅片中的沉淀，该硅片中的氧为过饱和。根据沉淀在硅片中的位置及它们的相对尺寸，沉淀可能是有害的或是有益的。若干小的氧簇是电有源热施主并可以降低电阻率，且与其在硅片中的位置无关。位于硅片有源器件区域中的大的氧沉淀可能损害器件的工作，然而，当位于硅片体中时，它们能捕集在例如器件制造过程中可能接触硅片的不希望有的金属杂质。通常把这个称为内或本征吸除(“IG”)。
Falster等人研制出了一种快速热处理法，以便可靠而可再生地形成一种晶格空位分布，该晶格空位分布继而又在硅片中建立一种用于氧沉淀的模型(例如参见美国专利Nos.5994761；6191010；和6180220；它们全部作为本文的参考文献。)该文献中所介绍的“理想沉淀法”一般产生一种非均匀的晶格空位分布，且在硅片体中的浓度比在表面层中高。在随后的氧沉淀热处理时，硅片体中的高空位浓度形成氧沉淀成核中心，该氧沉淀成核中心有助于氧沉淀的形成和生长，在近表面区域中的空位浓度不足以形成氧沉淀成核中心。结果，在近表面区域中形成一洁净区，而在硅片体中形成氧沉淀，该氧沉淀有时称为体微缺陷或简称为BMDs。如该文献所述，洁净区深度可以通过控制硅片从退火温度到晶格空位在任何工业上实用的时间周期内变得基本上稳定的温度(比如700℃)的冷却速率进行控制。
然而，对这些高电阻率硅片的某些应用来说，这种深度的洁净区可能不总是理想的或是有利的。这是由于一般除氧效率随着洁净区深度的增加而降低，因为间隙氧必需行进的距离增加以便从溶液中被除去(通过在BMD处沉淀或通过扩散到硅片表面)。结果，一旦洁净区变得太深或太厚，则有可能在这个区域中心内的升高的间隙氧浓度(硅片表面和硅片体附近的间隙氧有足够时间扩散到它们被消耗的位置)将足够高，以致在器件制造过程中将形成热施主，因此降低了硅片器件层中的电阻率。在具有深洁净区和氧浓度超过约10PPMA的硅片中，这尤其成问题。
发明内容
因此，本发明的特征如下提供一种单晶硅片，及一种用于制备单晶硅片的方法，该单晶硅片具有一种非均匀的晶格空位分布，从而在基本上任何电子器件制造过程的热处理周期中，将形成一种理想的非均匀氧沉淀深度分布；所述硅片将最佳地且可再生地形成一具有足够浅的深度的洁净区和在硅片体中的足够的氧沉淀密度；所述硅片的洁净区的形成和在硅片体中氧沉淀的形成与在这些硅片区域中的氧浓度差无关；所述方法中洁净区的形成不取决于氧的向外扩散；所述硅片中最终洁净区的厚度基本上与IC(集成电路)制造过程顺序的细节无关；以及，所述硅片中洁净区的形成和硅片体中氧沉淀的形成不受直拉生长的单晶硅锭的热过程和氧浓度的影响，硅片由该单晶硅锭得到。
因此，简要地说，本发明针对一种硅片，所述硅片由按照直拉法生长的单晶硅锭切片得到。该硅片包括(A)一前表面，一后表面，一在该前表面和后表面之间接近等距离的假想的中心平面，一包括在该前表面和一距离D1之间的一硅片区域的前表面层，所述距离D1从前表面并朝向中心平面的方向测得，以及一包括该假想的中心平面但不包括前表面层的硅片体层；和(B)一非均匀的晶格空位浓度，其中一峰值浓度在中心平面和前表面层之间的硅片体层中，该浓度一般朝前表面层和中心平面二者的方向降低，其中(i)D1至少约5微米但小于约30微米，和(ii)在超过约700℃的温度下进行氧沉淀热处理后，表面层具有小于约1×107cm-3的氧沉淀，而硅片体层具有大于约1×107cm-3的氧沉淀。
本发明还针对一种外延片或一种绝缘体上硅结构，以及用于制备包括这种硅片的外延片的方法。
本发明还针对其电阻率小于约50ohm·cm的硅片。
本发明还针对一种用于制备硅片的方法。该硅片由一种按照直拉法生长的单晶硅锭切片得到，并具有一前表面，一后表面，一在前表面和后表面之间接近等距离的假想的中心平面，一包括在该前表面和一距离D1之间的一硅片区域的前表面层，所述距离D1从前表面并朝向中心平面的方向测得为大于约5微米但小于约30微米，以及一包括该假想的中心平面但不包括前表面层的硅片体层。该方法包括(A)在一种包括含氮气体和含氧气体的气氛中对单晶硅片进行热处理，该气氛中氧的浓度小于约500PPMA，以便在前表面层和硅片体层中形成晶格空位；(B)将经过热处理的硅片冷却，以便在其中产生一非均匀的晶格空位浓度，其中一峰值浓度在中心平面和前表面层之间的硅片体层中，该浓度一般朝前表面层和中心平面二者的方向上降低；以及(C)对经过冷却的硅片在一超过约700℃的温度下进行氧沉淀热处理，以便形成一种在前表面层中具有一洁净区和在硅片体层中具有氧沉淀的硅片。
本发明的其它目的和特征部分是显而易见，部分将在后面指出。
图1是本方法的示意图，其中对一硅片进行热退火(S1)和快速冷却(S2)，以便得到一种非均匀的晶格空位分布，然后将其进行氧沉淀热处理(S3)，以便得到具有一所希望深度的洁净区的硅片。
图2是对于三种不同氧浓度范围硅片体沉淀密度相对于二次退火温度随退火时间而变化的关系曲线图。
具体实施例方式
按照本发明，可以对具有可用直拉生长法达到的基本上任何氧含量的一单晶硅片在一受控制的含氧气氛中进行热处理和快速冷却，以便得到一具有非均匀晶格空位分布的硅片，该晶格空位的非均匀分布在随后的氧沉淀热处理中形成一用于氧沉淀的模型。在一个实施例中，该模型能在硅片的近表面区域中形成一较薄的洁净区(比如，小于约30微米)和在硅片体中形成氧沉淀。本方法是特别有利的，因为它能有效而可靠的生产硅片，该硅片进行基本上任何电子器件制造工艺加工后都将具有这种薄的洁净区。
A、原材料在一个实施例中，用于本发明的晶片的原材料是一种硅片，所述硅片从一种按照常规直拉(“CZ”)晶体生长法生长的单晶硅锭切片而成，硅锭通常直径为约150mm、200mm、300mm或更大。硅片可以抛光，或者可供选择地，研磨和蚀刻但不抛光。这些方法，以及标准硅切片、研磨、蚀刻和抛光技术，已在例如F.Shimura所著“半导体硅晶体工艺学”，Academic Press，1989和“硅化学蚀刻”(J.Grabmaier等)Springer-Verlag，New York，1982(作为本文参考文献)中公开。优选地，硅片用本领域技术人员已知的标准方法进行抛光和清洗。例如可参见W.C.O’Mara等所著“半导体硅工艺学手册”，Noyes Publications。
一般地，原始硅片可以具有落在CZ法可达到的范围内任何地方的一氧浓度，氧浓度通常为约5×1017-约9×1017原子/cm3或约10-约18PPMA(比如，约10-约12或15PPMA，这是按照ASTM标准所测定的；Oi＝4.9α，其中α是1107cm-1吸收带的吸收系数；新ASTM标准F-121-83)。此外，原始硅片优选地在硅片的近表面区中没有已经稳定的氧沉淀(亦即，在约1200℃或更低的温度下不能溶解或退火出硅片的氧沉淀)。
当在单晶硅中作为一种杂质存在时，置换的碳具有催化形成氧沉淀成核中心的能力。因此，由于这个原因和其它原因，优选地单晶硅原材料具有低浓度的碳。也就是说，单晶硅优选地具有低于约5×1016原子/cm3的碳浓度，该碳浓度优选地低于1×1016原子/cm3，且更优选地低于5×1015原子/cm3。
B、形成一用于氧沉淀的模型一般地，进行一种快速热处理以形成一种晶格空位分布，该晶格空位分布在硅片中建立一用于氧沉淀的模型。在一个实施例中，该模型用于这样一种硅片，即在硅片体中具有氧沉淀，但在一近表面区域中具有低密度氧沉淀，且优选地基本上没有氧沉淀；有利的是，可以得到任何所希望深度的洁净区。例如，可以可靠和可再生地得到70微米、50微米、30微米、20微米，或甚至10微米或更小深度的洁净区。
利用一种快速加热法来形成一种晶格空位分布，所述晶格空位分布继而建立一种用于氧沉淀的模型，这已在Falster等人的美国专利Nos.5994761，6191010和6180220中作了介绍，该专利全部是本文的参考文献。该文献中所介绍的“理想沉淀法”通常产生一种非均匀的晶格空位分布，且硅片体中的浓度高于一表面层中的浓度。在随后的氧沉淀热处理后，硅片体中的高空位浓度形成氧沉淀成核中心，所述氧沉淀核中心有助于氧沉淀的形成和生长，在近表面区域中的空位浓度不足以形成氧沉淀成核中心。结果，在近表面区域中形成一洁净区，而在硅片体中形成氧沉淀，该氧沉淀有时称为体微缺陷或简称之为BMDs。如文献中所述，可以可靠地形成一深度在50-70微米范围内的洁净区。
然而，这种深度的洁净区可能不总是有利的。例如，一般地，除氧效率随着洁净区深度增加而降低，因为间隙氧必须行进的距离增加以便从溶液中被除去(通过在BMD处沉淀或通过扩散到硅片表面)。结果，一旦洁净区变得太深或太厚(比如，大于约30微米)，则有可能是在这个区域中心内的升高的间隙氧浓度(硅片的表面及硅片体附近的间隙氧有足够的时间扩散到它们被消耗的位置)将足够高，以致在器件制造过程中将形成热施主。
例如在高电阻率应用(亦即，要求电阻率超过约50ohm·cm的应用)中形成热施主不是有益的，因为热施主起降低硅片器件层中电阻率的作用。在氧浓度超过约10PPMA的“理想的沉淀硅片”中尤其成问题。因此，本发明用于控制洁净区的深度，所述洁净区的深度继而影响随后氧沉淀热处理中的除氧效率。
氧沉淀位置的浓度(数量密度)也影响在氧沉淀热处理期间的除氧效率，该除氧效率随着位置浓度的增加而增加。有利的是，位置浓度随着快速热退火温度的增加而增加；对于所有实际应用，位置浓度基本上与氧浓度(在用CZ法可达到的氧浓度范围内)和时间无关。换另一种方式说，沉淀位置的浓度可以简单地通过增加快速热退火温度来增加，并且，由于采用一种快速热退火炉，所以为达到更高温度所需的增量时间只是几秒钟。
因此，在随后的器件制造过程中洁净区内的热施主形成可以部分地通过选择一快速热退火温度(所述快速热退火温度决定氧沉淀位置的浓度)和通过控制将在随后的氧沉淀热处理中形成的洁净区的厚度而进行控制。如下面更详细说明的，本发明能部分地通过选定用于快速热退火步骤的环境/气氛组成和从快速热退火的温度到晶格空位实际上稳定的温度的冷却速率来控制洁净区的厚度。在一个实施例中，控制热处理和冷却的条件，以便产生一用于形成一薄的或浅的洁净区(比如，一小于约30微米的洁净区)的模型。由于能得到一薄的洁净区，所以本方法有利地使其中的间隙氧的位置十分靠近硅片体和表面，在该处间隙氧可以最终被消耗。
现在参见图1，用于本方法的原材料是一种单晶硅片1，所述硅片1具有一前表面3，一后表面5，一在该前表面和后表面之间的假想的中心平面7，和一包括前表面和后表面之间的硅片体积的硅片体9，在本文中的术语“前”和“后”用来区分硅片的两个主要的、一般是平面的表面；作为本文所用的术语的硅片前表面不一定是电子器件随后将在其上制造的表面，作为本文所用的术语的硅片后表面也不一定是与电子器件在其上制造的表面相对的硅片主表面。此外，由于硅片通常具有某种总厚度变化、翘曲和弯曲，所以在前表面上每个点和后表面上每个点之间的中点可能不是精确地落在一平面内；然而，实际上，TTV(总厚度变化)、翘曲和弯曲通常很轻微，以致可以说中点很接近地落在一假想的中心平面之内，该假想的中心平面在前表面和后表面之间接近等距离。
一般地，在该方法的步骤S1中，对硅片1进行一个热处理步骤，其中将硅片加热到一升高的高温，以便形成并因而增加硅片1中晶格空位11的数量密度。优选地，这个热处理步骤是在一快速热退火炉中进行，在该热退火炉中将硅片快速加热到一目标温度，并在这一温度下退火一段较短的时间。一般地，硅片经受的温度超过1175℃，通常至少约1200℃，并且在一个实施例中，在约1200℃和1300℃之间。硅片一般在这个温度下保温至少1秒钟，通常保温至少数秒钟(比如，至少3、5秒等)或者甚至数十秒(比如，至少20秒、30秒、40秒等)，并且根据所希望的硅片特性和硅片在其中退火的气氛，保温时间可以在高达约60秒钟(这是接近市售快速热退火炉的极限)范围内。
在完成快速热退火步骤后，在步骤S2中，硅片经过晶格空位在单晶硅中比较不稳定的温度范围而快速冷却，空位通常在降到超过约700℃、800℃、900℃或甚至1000℃的温度的一工业实用时间段内在硅中是不稳定的。随着硅片温度降低经过这个温度范围，一些空位与硅自间隙原子再结合，而另一些空位扩散到前表面3和后表面5，因此导致空位浓度分布图的变化，该变化的程度取决于硅片在这个范围内的温度下保温的时间长度。如果硅片缓慢地冷却，则空位浓度会再次在整个硅片体9中变成基本上是均匀的，且该浓度是一平衡值，所述平衡值大大低于刚完成热处理步骤时的晶格空位浓度。
然而，如本文进一步说明的，通过快速冷却硅片，无论是单独快速冷却还是与控制在其中对硅片进行热处理和冷却的气氛相结合，都可以获得一种晶格空位的非均匀分布，该硅片体中的浓度大于表面附近区域中的浓度。例如，可以对工艺条件(比如，冷却速率)进行控制，以使最大空位浓度距硅片表面的距离为至少20微米、30微米、40微米、50微米或更大。在一个实施例中，最大空位浓度是在一中心平面7处或其附近，空位浓度一般朝硅片前表面3和后表面5的方向减少。在第二实施例中，最大空位浓度是在中心平面7与硅片的表面3和/或5附近的一层或区域之间(如本文进一步说明的)，该浓度一般朝该表面和中心平面二者的方向上降低。
一般地，在空位不稳定的温度范围内的平均冷却速率为至少约5℃每秒，而在某些实施例中，该速率优选为至少约20℃每秒、50℃每秒、100℃每秒或更高，并且在某些情况下，在约100℃-约200℃每秒范围内的冷却速率特别优选。在这方面应该指出，一旦硅片冷却到晶格空位在单晶硅中比较不稳定的温度范围之外的一个温度，则冷却速率不会显著影响硅片的沉淀特性，因此并不是十分重要。
快速热退火和冷却步骤可以在例如许多市售快速热退火(“RTA”)炉的任何一种中进行，在该炉中将硅片用成排高功率灯单个加热。RTA炉能将一硅片例如在几秒钟内从室温快速加热到约1200℃。此外，正如本文下面进一步说明的，它们可以用来在许多不同的环境或气氛下对硅片进行退火和冷却，该环境或气氛包括含氧(比如，单质氧气，热蒸汽等)气体、含氮(比如，单质氮气或一种含氮化合物气体如氨)气体、不含氧不含氮的气体(比如，一种惰性气体如氦或氩)，或者它们的混合物或组合。
在氧沉淀热处理步骤S3中，硅片于一含氧气氛中例如在约800℃的温度下退火至少约2小时，然后在约1000℃的温度下退火约16小时，在该氧沉淀热处理步骤S3之后，硅片中氧沉淀分布的最终深度用无氧沉淀材料的清洁区域(无沉淀区域或“洁净区”)13和13′表征，该清洁区域13和13′分别从前表面3和后表面5延伸到一深度t，t′。在这些无氧沉淀的区域之间，是一沉淀区15，所述沉淀区15包含例如(i)在第一实施例(对应于该空位浓度分布的第一实施例)中，硅片体内一基本上均匀的氧沉淀密度，或者(ii)在第二实施例(对应于该空位浓度分布的第二实施例)中，一种其中最大密度是在一表面层与中心平面之间的氧沉淀分布。一般地，沉淀的密度将大于约108并小于约1011沉淀/cm3，而在某些实施例中，通常沉淀密度约为5×109或5×1010沉淀/cm3。
无氧沉淀材料(洁净)区13和13′分别距前表面和后表面的深度t，t′部分地随经过晶格空位在硅中比较不稳定的温度范围的冷却速率而变化。一般地，深度t，t′随冷却速率降低而降低，并可获得约10、20、30、40、50微米或更大(比如，70、80、90、100微米)的洁净区深度。然而，实际上，为得到浅的洁净区深度所需的冷却速率有些过高，并且热冲击可能产生使硅片碎裂的危险。因此，可供选择地，洁净区的厚度可以通过选择硅片在其中退火的环境而同时让硅片以一较小的极限速率冷却进行控制。换另一种方式说，对一给定的冷却速率，可以选定一种环境，所述环境产生一用于深洁净区(比如50+微米)、中等洁净区(比如，30-50微米)、浅洁净区(比如，小于约30微米)，或甚至没有洁净区的模型。迄今为止经验表明1、当在快速热退火步骤和冷却步骤中用一种不含氮、不含氧的气体作为气氛或环境时，在达到退火温度时，几乎-如果不是立即地-整个硅片空位浓度得到增加。在经过冷却的硅片中最终空位浓度(数量密度)的分布从硅片的前(表)面到硅片的后(表)面比较恒定。根据迄今为止所得到的实验数据，在退火期间所建立的温度下保温额外的时间不会导致空位浓度增加。合适的气体包括氩、氦、氖、二氧化碳，和其它这样的惰性单质气体和化合物气体，或这些气体的混合物。
2、当用一种含氮气氛或环境作为在第一实施例的热退火步骤和冷却步骤中的气氛时，空位浓度随着保温在所建立退火温度的时间而增加。最终的硅片将具有一种空位浓度(数量密度)分布图，所述分布图在硅片的横截面上一般是“U形”；也就是说，在冷却之后，最大浓度将在距离前表面和后表面的几微米处或几微米内产生，而比较恒定和较小的浓度将在整个硅片体中产生。因此，在氧沉淀热处理中所形成的洁净区深度接近零。除了氮气(N2)之外，含氮气体如氨也适合使用。
3、当快速热退火步骤和冷却步骤中的气氛或环境含有氧，或者更具体地说，当包含与一种含氮气体、一种惰性气体或该二者组合的氧气(O2)或一种含氧气体(比如，热蒸气)时，近表面区域中的空位浓度分布受到影响。迄今为止的实验数据表明，在近表面区域中的空位浓度分布与气氛氧浓度成反比关系。在不结合任何特定理论情况下，一般认为，在足够的浓度下，在氧中退火导致硅表面氧化，结果，产生一向内的硅自间隙通量。硅间隙通量受氧化速率控制，而该氧化速率继而又受环境中氧的分压控制。这种向内的自间隙通量通过在表面处开始和然后向内运动产生再结合，同时向内运动的速率随氧分压的增加而增加，从而具有逐渐改变空位浓度分布的效果。当在热处理(S1)和冷却(S2)期间氧与一种含氮气体在环境中结合使用时，其中最大或峰值空位浓度是在中心平面和一表面层之间的硅片体中存在(该浓度一般朝两个方向都降低)。这种分布也可以通过首先在一种氮或含氮环境中热处理，然后在一种氧化或含氧环境中热处理得到，在冷却之后，U形分布(如上所述)通过向内的间隙通量变成M形。
由于在环境中存在氧，可以产生一低空位浓度区域，所述低空位浓度区域在氧沉淀热处理之后，继而会形成一任何任意深度的洁净区，该洁净区适合于一种由硅片制造的器件的特定最终应用。
因此，在一个实施例中，在快速热退火步骤和冷却步骤过程中的气氛通常含有一氧分压，所述氧分压足够得到一小于约30微米的洁净区深度，优选地在大于约5微米-小于约30微米、约10微米-约25微米、或约15微米-约20微米范围内的洁净区深度。更具体地说，本方法的退火步骤和冷却步骤通常是在下述一种气氛中进行，所述气氛包括(i)一种含氮气体(比如N2)；(ii)一种不含氧不含氮的气体(比如，氩、氦等)，或者(iii)一种上述气体的混合物，及(iV)一种含氧气体(比如，O2或热蒸汽)，具有氧分压的气氛足够产生一向内的间隙通量(比如至少约1PPMA、5PPMA、10PPMA或更多)，但小于约500PPMA，优选地小于约400PPMA、300PPMA、200PPMA、150PPMA或甚至100PPMA，而在某些实施例中优选的小于约50、40、30、20或甚至10PPMA。当一种含氮气体和一种不含氮不含氧的气体的混合物与氧化气体一起使用时，两种气体的相应比例(亦即含氮气体与惰性气体的比例)可以是在约1∶10-约10∶1、约1∶5-约5∶1、约1∶4-约4∶1、约1∶3-约3∶1，或约1∶2-约2∶1的范围内，同时在某些实施例中优选地含氮气体与惰性气体的比例为约1∶5、1∶4、1∶3、1∶2或1∶1。换另一种方式说，如果用这种气体混合物作为退火步骤和冷却步骤用的气氛，则其中含氮气体的浓度可以是在约1％-低于约100％、约10％-约90％、约20％-约80％或约40％-约60％的范围内。
在这方面应该指出，在不脱离本发明范围的情况下，用于退火步骤和冷却步骤的确切条件可以与本文所述的条件不同。另外，这些条件可以例如通过调节退火的温度和持续时间，以及气氛条件(亦即，气氛的组成，以及氧分压)凭经验确定，以便优化所希望的深度t和/或t′。
不管确切的分布如何，可以说本发明的硅片都具有一用于氧沉淀的模型，所述模型十分适合于要求其中具有一薄或浅的洁净区的硅片的应用。在高空位浓度区域亦即硅片体中，氧随着硅片经受氧沉淀热处理而迅速成簇。但是，在低空位浓度区域亦即近表面区域中，当硅片经受这种氧沉淀热处理时，硅片具有缺少预先存在的氧沉淀成核中心的标准硅片的性质；也就是说，未观察到氧成簇，并发生一部分氧向外扩散。当温度增加到高于800℃，或者如果温度保持恒定不变时，富空位区中的簇生长为沉淀并因而被消耗。通过将硅片分成各种不同的空位浓度区，有效地产生一种模型，通过该模型写入一种氧沉淀模式，所述氧沉淀模式在硅片装入用于氧沉淀热处理的炉中时被固定。
在这方面应该指出，尽管在快速热退火法中所采用的热处理可能导致少量氧从硅片前表面和后表面的表面向外扩散，但硅片体随着距硅表面深度的变化而具有一基本均匀的氧浓度。例如，从硅片中心到距硅表面约15微米内的硅片区域，更优选地从硅中心到距硅表面约10微米内的硅片区域，甚至更优选地从硅中心到距硅表面约5微米内的晶体区域，及最优选地从硅中心到距硅表面3微米内的硅片区域，硅片将具有一均匀的氧浓度，在本文中，基本上均匀的氧浓度是指氧浓度的变化不多于约50％，优选地不多于约20％，及最优选地不多于约10％。
在这方面还应该指出，一般地，洁净区是占据硅片表面附近区域的一个区域，在该区域中具有(i)没有超过目前检测极限(目前约107氧沉淀/cm3)的氧沉淀和(ii)一低浓度氧沉淀中心，且优选地基本上没有氧沉淀中心，该氧沉淀中心在进行氧沉淀热处理时转化为氧沉淀。氧沉淀成核中心的存在(或密度)不能用目前可用的技术直接测量。然而，如果它们经过稳定，并且氧沉淀通过硅进行氧沉淀热处理而在这些位置处生长，则它们可以间接测量。因此，如本文所用的，具有一低密度氧沉淀成核中心的硅是指在800℃的温度下退火4小时，然后在1000℃的温度下退火16小时后具有小于约108氧沉淀/cm3的硅。同样，基本上没有氧沉淀成核中心的硅是指在800℃的温度下退火4小时，然后在1000℃的温度下退火16小时后具有小于107氧沉淀/cm3的硅。
从如上所述可以看出，有利的是，本发明的硅片具有一用于氧沉淀的模型，该模型能可靠地、可再生地和有效地在硅片的近表面区(比如，距硅片表面小于约30微米)形成一洁净区，并在硅片体中形成用于内部吸除的希望的微缺陷(氧沉淀)数量(比如，至少约1×108cm-3)。这些硅片适合直接用于各种应用场合，或者它们可以用作某些其它硅片或器件的衬底或元件，如本文下面进一步说明的。
此外，本方法能制备这种其中至少表面层具有一较低的间隙氧浓度(比如，低于约10PPMA、9PPMA、8PPMA、7PPMA、6PPMA，或甚至5PPMA)的硅片，其方法是通过选择由一最初具有较低氧浓度的晶锭切片，通过在建立用于氧沉淀的模型后将硅片退火来降低间隙氧浓度，或者通过可选择地控制洁净区深度而获得。结果，本方法可以用来制备不会在表面层中形成其数量足够在一典型的半导体器件制备过程中显著地影响硅片的电阻率的热施主的硅片。
C、外延层在本发明的一个实施例中，一处延层可以淀积在一具有较低间隙氧浓度的理想沉淀硅片的表面上。外延层通过该领域的技术人员常规已知和使用的方法形成，如一种气相的、含硅合成物的分解。在本发明的一个优选实施例中，硅片的表面暴露于一种气氛下，所述气氛包括一种含硅的挥发性气体(比如，SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl或SiH4)。该气氛还优选地含有一种运载气体(优选地H2)。在一个实施例中，外延淀积期间的硅源是SiH2Cl2或SiH4。如果用SiH2Cl2，则在淀积期间的反应器真空压力优选地为约500-约700托。另一方面，如果用SiH4，则反应器压力优选地约为100托。最优选地，淀积期间的硅源是SiHCl3。这往往会比其它硅源便宜得多。此外，采用SiHCl3的外延淀积可以在大气压下进行。这是有利的，因为不需要真空泵，并且反应器室不必坚固到以防塌陷的程度。另外，存在较少的安全危险，并且减少了空气或其它气体漏入反应器室的可能性。
在外延淀积期间，硅片表面优选地保持在一温度下，所述温度足以防止含硅气氛将多晶硅淀积到表面上，该温度至少约为800℃，更优选地约900℃，和最优选地约1100℃。外延淀积的生长速率优选地约0.5-约7.0μm/min。约3.5-约4.0μm/min的速率可以例如通过使用主要由约2.5摩尔％SiHCl3和约97.5摩尔％H2组成的气氛，在约1150℃的温度和约1大气压的压力下获得。
如果需要的话，外延层可以额外包括一种p型或n形掺杂剂。例如，对于外延层常常优选地含有硼。这种层可以通过在淀积期间例如在气氛中包含B2H6来制备。用来得到所希望性能(比如电阻率)的气氛中B2H6的摩尔分数取决于几个因素，如在外延淀积期间硼从特定衬底中向外扩散的量，在反应器和衬底中作为污染物存在的p型掺杂剂和n型掺杂剂的量，以及反应器的压力和温度。对一些高电阻率应用，外延层中掺杂剂浓度优选地尽可能低(本发明的衬底硅片可选择地具有一高或低电阻率，或者一相应的大于或小于约50ohm·cm的电阻率)。
D、绝缘体上硅结构(silicon on insulator structure)一种绝缘体上硅结构一般包括一器件层，一承载硅片(handle wafer)或支承层，以及一在支承层和器件层之间的绝缘膜或层(通常是一种氧化物层)。一般地，器件层是在约0.5和20微米厚之间。绝缘体上硅结构可以用各种该领域已知的技术制备，如本文下面进一步说明的。
如果SOI(绝缘体上硅)结构的支承层包括本发明的硅片或由本发明的硅片得到，则优选地本硅片制备过程将在SOI结构的器件层已附着在承载硅片上之前(或者在离子注入法情况下，在进行注入之前)进行。如果本过程是在形成SOI结构之前进行，则需要在该过程完成之后和制备SOI结构开始之前使承载硅片中氧沉淀成核中心稳定。此外，如果应用这种方法，则在某些实施例中，如果SOI法所采用的处理时间和温度足够用于形成氧沉淀，则在形成SOI结构期间(如在硅片接合的情况下)可以实现步骤S3的氧沉淀热处理。
然而，还应该指出，本硅片制备过程也可以在SOI结构已制备好之后进行。在不遵循任何特定理论情况下，可以认为，SOI结构将具有一典型单晶硅片的特性，同时氧化物层起一自由表面的作用，空位和自间隙可以从该自由表面注入和扩散。
SOI结构可以例如通过对本发明的硅片采用一种离子注入工艺而用SIMOX(注氧隔离)法制备。该离子注入工艺如上所述在该领域中是标准的(例如可参见美国专利No.5436175和“半导体加工用的等离子体浸没离子注入”，Materials Chemistry and physics 46(1996)132-139，二者均在本文中作为参考文献)。在这种方法中，将离子注入一硅片衬底中，然后对硅片衬底进行高温退火，以便形成一嵌入的氧化物绝缘层。例如，如果注入氧离子，则形成一嵌入的二氧化硅(SiO2)绝缘层。如果注入氮原子，则形成一嵌入的氮化硅(Si3N4)层。在这些情况下，最终的SOI结构包括一器件层和一绝缘层，二者都从本发明的硅片得到。由于高温氧化物形成通常是在约1150℃-约1400℃退火，所以氧溶解度超过硅片中通常的氧浓度，从而先存在的沉淀可以溶解回到间隙氧中。在这些情况下，对某些应用来说，可以在SIMOX法之后进行氧还原二次退火。因而，这个实施例通常包括在基本上具有用CZ拉晶技术可达到的任何氧浓度的一单晶硅片上进行快速热退火和冷却过程；在硅片中形成一氧化物绝缘层；以及在700℃-约1000℃范围内的一温度下进行二次退火。
SOI结构还可以通过将两个硅片接合并除去结合的硅片其中之一的一部分制备。例如，SOI结构可以用BESOI(背面键合与蚀刻的绝缘膜上硅)法制备，其中将本发明的硅片接合到另一硅片上，然后用已知的硅片减薄技术蚀刻掉其中一硅片的相当大一部分，以便得到器件层。(例如可参见美国专利Nos.5024723和5189500，它们都作为本文的参考文献。)在这种情况下，最终的SOI结构包括(i)一器件层，(ii)一承载硅片或支承层，以及(iii)一在器件层和支承层之间的绝缘层。
在一种可供选择的硅片接合法中，将氢或其它离子注入其中一硅片，并且在两个硅片接合之后，使接合的复合物经受一个力的作用，所述力使接合的复合物在注入位置处分开。例如，一种SOI结构可以通过下述方法制备(1)通过轰击在本发明的硅片中注入离子(比如氢、氮等)，以便产生一层气态微气泡，同时将温度保持在低于气态微气泡可以通过扩散逸出时的温度，(2)使硅片的平面与一加固件接触，以便形成一种接合的复合物，以及(3)使接合的复合物经受一热应力或机械应力，该应力使本发明的硅片在离子注入区域中分层。如果使用热应力，则将复合物加热到一高于离子注入温度的温度，以便在微气泡中形成结晶重排和压力效应，从而导致薄的半导体膜和衬底的主要部分之间分开(例如可参见美国专利No.5374564，该专利作为本文的参考文献)。如果在一个实施例中，SOI结构包括本发明的一硅片作为加固件，则使硅片在接合到另一硅片的平面上之前进行上述理想沉淀过程。在另一个实施例中，可以首先将低缺陷密度的硅片接合到直拉型单晶硅片上，然后对整个SOI结构进行上述理想沉淀过程。
因此，本发明的绝缘体上硅结构从本发明的硅片得到。更具体地说1、在一个实施例中，SOI结构包括一器件层，一支承层和一在它们之间的绝缘层。该支承层包括(A)一假想的居中的平面，一第一层和一第二层，该第二层包括中心平面，该第一层从绝缘层延伸到第二层，并具有一从绝缘层到第二层测量得到的厚度T1，以及(B)一非均匀的晶格空位浓度，其中一峰值浓度是在第一层和中心平面之间的第二层中，该浓度一般朝两个方向降低，其中(i)T1为至少约5微米但小于约30微米，以及(ii)在超过约700℃的温度下进行氧沉淀热处理时，第一层具有小于约1×107cm-3的氧沉淀密度，而第二层具有大于约1×107cm-3的氧沉淀密度。
在一些可供选择的实施例中，T1可以是在至少约5微米-小于约25、20、15或甚至10微米范围内(比如，约10-25微米，或约15-20微米)。
2、在第二个实施例中，SOI结构包括一硅片，所述硅片从一按照直拉法生长的单晶硅锭切片得到。该硅片具有(A)一前表面，一后表面，一在该前表面和后表面之间接近等距离的假想的中心平面；(B)一表面层，所述表面层包括硅片在前表面和一距离D之间的一区域，该距离D从前表面和朝向中心平面方向测得，并且该表面层包括一器件层和一绝缘层，器件层从前表面延伸到绝缘层；(C)一硅片体层，所述硅片体层包括假想的中心平面，但不包括第一层；以及(D)一种非均匀的晶格空位浓度，其中一峰值浓度是在中心平面和表面层之间的硅片体层中，其中(i)D至少约5微米，但小于约30微米，和(ii)在一超过约700℃的温度下进行氧沉淀热处理时，表面层具有小于约1×107cm-3的氧沉淀密度，硅片体层具有大于约1×107cm-3的氧沉淀密度。
在一些可供选择的实施例中，D可以是至少约5微米-小于约25、20、15，或甚至10微米的范围内(比如，约10-25微米，或约15-20微米)。
E、附加的实施例应该指出，除了本文上述实施例之外，本文一般介绍的用于控制直拉型单晶硅片中空位浓度分布的方法，也可以通过例如下述步骤用来制备具有一基本上没有氧沉淀的(“洁净的”)薄或浅的表面层区域1、如本文所述，在一种纯氮或某种其它纯氮化气体的气氛中对硅片热退火，以便在整个硅片中得到一种基本上均匀的高空位浓度；也就是说，可以利用这种热退火来得到一种具有高空位浓度的硅片，所述高空位浓度从硅片的前表面到后表面基本恒定不变(假定两个表面都没有用某种方式屏蔽)。通过与氧沉淀热处理和一适当的外延层或者某种器件层(如在一种绝缘体上硅结构情况下)相结合，可以得到一种具有基本上没有氧沉淀的所希望深度的表面层或区域的硅片。
可供选择地，在一种氮化气氛或环境中热退火，从而在整个硅片上产生这种高空位浓度之后，可以对硅片在一种氧化性气氛中退火(在硅片冷却之后，或在该温度下)，从而通过形成一向内的间隙通量改变该高空位分布(如本文所述)，该空位通过重新结合而被消耗。
2、在热退火之后增加冷却速率，以便获得一薄的(比如，小于约30微米)洁净区。
3、在对硅片热退火和冷却以得到一厚洁净区(比如大于约30微米)之后，利用该领域已知的方法(比如，硅片抛光)除去一部分硅片。
此外，应该指出，本文所述的这些实施例的其中一个或多个可以适合于其中洁净区基本上具有任何电阻率(比如，小于约50ohm·cm，或大于约50ohm·cm，100ohm·cm，300ohm·cm，500ohm·cm或更多)的应用；也就是说，本文所述的一或多个实施例可以用于具有低电阻率(亦即，电阻率小于约50ohm·cm)的硅片。
实例下面通过一些实例举例说明本发明的各种特征。
例1例1和图2表示理想沉淀的硅片在一个氧浓度范围内的吸除能力。在第一组实验中，具有氧浓度为13PPMA的理想沉淀硅片在热处理温度为1200℃的步骤S1生成，随后氧的硅片体沉淀在950℃温度下在30-180分钟的范围内生长。重复进行热处理温度为1225℃和1250℃的步骤S1。在第二和第三组实验中，分别对具有11.5PPMA和9.5PPMA氧沉淀浓度的理想沉淀硅片重复第一组实验。通过用镍污染硅片后表面测量吸除能力。图2中的箭头表示开始完全吸除。数据表明对在一个氧浓度范围内，甚至在低的氧浓度情况下的理想沉淀硅片，可以得到有效吸除阈值之上的硅片体沉淀密度。
例2从两段高电阻率CZ晶体切下四个硅片。三个硅片分别在1235℃、1250℃和1275℃进行理想的沉淀硅片热处理。第四个硅片是一控制器，不进行理想的沉淀硅片热处理。然后将每个硅片四等分，并进行下面的二次退火硅片GG，四分之一1(GGQ1)800℃下4小时，接着1000℃下16小时；硅片GG，四分之一2(GGQ2)800℃下8小时，接着1000℃下16小时；硅片GG，四分之一3(GGQ3)以1℃/min的速率从800℃升到1000℃，接着于1000℃下1小时；及硅片GG，四分之一4(GGQ4)以2℃/min的速率从800℃升到1000℃，接着于1000℃下1小时。
在二次退火之后，用OPP(光学沉淀物轮廓测绘仪〔Optical PrecipitateProfiler〕)测量BMD(体微缺陷)密度。OPP法是Normalski型微分干涉显微镜的一种应用方法。在该方法中，用一偏振棱镜将来自光源的激光束分开成两个彼此相位差为90°的正交偏振的直光束，然后它们从镜面抛光表面一侧进入硅片。这时，当其中一个光束跨过一缺陷时，发生相移，从而形成与另一光束的相差。在光束从硅片的后表面透射之后用一光偏振分析器检测相差来检测缺陷。结果列于下表中。
控制硅片不接受理想的沉淀硅片处理，因此热周期之后的沉淀密度是源于在各种热周期中生长的预先存在的沉淀。对进行理想的沉淀硅片处理的硅片，在Q1和Q2(固定温度800℃+1000℃)退火之间的BMD密度与Q3和Q4(斜线温度)退火相比有大的差别。该800℃+1000℃退火在使BMDs生长到它们可用OPP检测的尺寸时是有效的。相反，从800℃到1000℃的斜线退火(ramped anneal)在使沉淀生长上不是很有效。结果还表明，在800℃+1000℃退火后的BMD密度随着理想沉淀硅片退火温度的增加而增加。
例3测定例2中经过退火的GG硅片、如例2中同样制备的第二组硅片(GA)，以及相应的未经处理的GG和GA硅片的径向初始和最终氧浓度(Oi)。结果列于下表中，对于用括号内表示的理想沉淀硅片处理温度退火的硅片，该结果用与硅片的径向距离(mm)处的Oi(PPMA)报告。
该800℃-1000℃的斜线退火(Q3和Q4)对于使理想沉淀硅片法期间所形成的沉淀生长不是很有效，从而很少除去溶液中的间隙氧。相反，两步骤800℃和1000℃退火(Q1和Q2)对于使理想沉淀硅片法期间所形成的沉淀生长和除去溶液中间隙氧要有效得多。另外，8小时/800℃退火对于除去间隙氧比4小时/800℃退火更有效。而且，在两步骤退火之后的最终Oi随着理想沉淀硅片高温退火温度的增加而减少。最后，数据表明，最终Oi随初始Oi而变，较高的初始Oi提供较大的过饱和，该较大的过饱和导致在二次退火期间从溶液中除去较大量的间隙氧。
例4这个例子示出在1250℃的S1温度下(15秒钟退火)，在一标准的理想沉淀硅片热周期中所采用的环境气氛中氧浓度的增加而引起的可观察到的洁净区深度的(变化)趋势。A组中的硅片是在一种含氩/氮/氧的气氛中退火，而B组中的硅片是在含氮/氧的气氛(氧的分压变化)中退火。在该过程完成之后，用该领域中已知的方法测定BMD密度和洁净区深度。结果列于下表中。
数据表明，氮/氧或者氩/氮/氧的组合在理想沉淀硅片处理期间可以用作退火(和任选地冷却)环境，以便产生预定DZ(洁净区)深度的硅片；换另一种方式说，结果表明，洁净区深度可以通过调节气氛中的氧浓度而“调整”(洁净区深度随着氧含量增加而减少)。
此外，应该指出，从这些实验(未示出)所得的结果还表明，当没有氧存在时，即使在氩气氛中一小的氮分压(比如，低于约5％，3％或甚至2％)，也会造成没有洁净区。因此，氮在氩中的分压可以是在低于约1％-约100％范围内。然而，迄今为止经验表明，氩中约25％-75％的氮浓度可供更精确地控制洁净区深度(与受控制的氧浓度相结合)。
根据以上所述，可以看出，达到了本发明的几个目的。由于在不脱离本发明范围的情况下上述组成和过程可以进行各种改变，因此以上说明书所包括的所有内容旨在解释成具有示例性的而非限制性的意义。
权利要求
1.一种硅片，所述硅片从一种按照直拉法生长的单晶硅锭切片得到，所述硅片包括一前表面，一后表面，一在该前表面和后表面之间接近等距离的假想的中心平面，一包括在该前表面和一距离D1之间的一区域的前表面层，该距离D1是从该前表面朝该中心平面测得，和一包括该假想的中心平面但不包括该前表面层的硅片体层，以及一非均匀的晶格空位浓度，其中一峰值浓度是在该中心平面和该前表面层之间的硅片体层中，该浓度一般朝该前表面层和该中心平面二者的方向上均降低，其中(i)D1为至少约5微米但小于约30微米，和(ii)在超过约700℃的温度下进行氧沉淀热处理后，该表面层具有小于约1×107cm-3的氧沉淀，而该硅片体层具有大于约1×107cm-3的氧沉淀。
2.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片体具有一大于约1×108cm-3的氧沉淀密度。
3.如权利要求1所述的硅片，其特载在于，该硅片体具有一大于约1×109cm-3的氧沉淀密度。
4.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片体具有一大于约1×1010cm-3的氧沉淀密度。
5.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片还包括在该前表面上的一外延层。
6.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片具有一小于约5×1016原子/cm3的碳浓度。
7.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片具有一小于约1×1016原子/cm3的碳浓度。
8.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片具有一小于约5×1015原子/cm3的碳浓度。
9.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该前表面经过抛光。
10.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片没有不能通过对该硅片在一不超过约1300℃的温度下进行热处理而溶解的氧沉淀成核中心。
11.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该硅片的电阻率小于约5ohm·cm。
12.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该D1大于约10微米并小于约25微米。
13.如权利要求1所述的硅片，其特征在于，该D1大于约15微米并小于约20微米。
14.一种用于制备硅片的方法，所述硅片从一种按照直拉法生长的单晶硅锭切片得到，所述硅片具有一前表面，一后表面，一在该前表面和后表面之间接近等距离的假想的中心平面，一包括在该前表面和一距离D1之间的一区域的前表面层，该距离D1是从该前表面朝该中心平面测得大于约5微米但小于约30微米，和一包括该假想的中心平面但不包括该前表面层的硅片体层，该方法包括在一种包括含氮气体和含氧气体的气氛中对该单晶硅片热处理，该气氛中的氧浓度低于约500PPMA，以便在该前表面层中和该硅片体层中形成晶格空位；冷却经过热处理的硅片，以便在其中产生一种非均匀的晶格空位浓度，其中一峰值浓度是在该中心平面和该前表面层之间的硅片体层中，该浓度一般朝该前表面层和该中心平面二者的方向上均降低，以及对经过冷却的硅片在超过约700℃的温度下进行氧沉淀热处理，以便形成一种在该前表面层中具有一洁净区和在该硅片体层中具有氧沉淀的硅片。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该硅片体层具有一大于约1×107cm-3的氧沉淀密度。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该硅片体层具有一大于约1×109cm-3的氧沉淀密度。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该含氮气体是一种含氮化合物气体。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该含氮化合物气体是氨或单质氮气。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该含氧气体是单质氧气或热蒸汽。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该硅片是在一种还包括惰性气体的气氛中进行热处理。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该惰性气体是从氩、氦、氖、二氧化碳或其混合物中选定。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该含氮气体与惰性气体的比例是在约1∶10-约10∶1范围内。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该含氮气体与惰性气体的比例是在约1∶5-约5∶1范围内。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛中含氮气体的浓度是在约10％-约90％范围内。
25.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛具有小于约400PPMA的氧分压。
26.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛具有小于约200PPMA的氧分压。
27.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛具有小于约100PPMA的氧分压。
28.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛具有小于约300PPMA但大于约5PPMA的氧分压。
29.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛具有小于约200PPMA但大于约10PPMA的氧分压。
30.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该D1大于约10微米并小于约25微米。
31.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该D1大于约15微米并小于约20微米。
32.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛主要包括含氮气体和含氧气体的一种组合。
33.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该气氛主要包括含氮气体、含氧气体和惰性气体的一种组合。
34.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该经过热处理的硅片以至少约20℃/秒的速率经过晶格空位在硅中比较不稳定的温度范围而冷却。
35.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该经过热处理的硅片以至少约50℃/秒的速率经过晶格空位在硅中比较不稳定的温度范围而冷却。
36.如权利要求14所述的方法，其特征在于，将该硅片在至少约1150℃的温度下在少于约60秒钟的一段时间内进行热处理以形成晶格空位。
37.如权利要求14所述的方法，其特征在于，将该硅片在至少约1175℃的温度下在少于约60秒钟的一段时间内进行热处理以形成晶格空位。
38.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该表面层具有小于约50ohm·cm的电阻率。
39.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该硅片体层具有小于约50ohm·cm的电阻率。
全文摘要
本发明针对一种单晶直拉型硅片，以及一种用于制备该硅片的方法，该硅片内具有一非均匀的晶格空位分布，而峰值浓度存在于硅片的一假想的中心平面和一表面之间的硅片体中，从而在进行基本上任何电子器件制造过程的热处理周期后，该硅片在硅片体中形成氧沉淀，并在硅片表面附近形成一薄的或浅的无沉淀区。
文档编号H01L21/322GK1625802SQ02828722
公开日2005年6月8日 申请日期2002年10月21日 优先权日2002年4月10日
发明者J·L·利伯特, M·J·宾斯, R·J·法尔斯特 申请人:Memc电子材料有限公司