硅晶片的制造方法
【专利摘要】本发明提供硅晶片的制造方法，所述方法包括：对所述硅晶片进行热处理以在所述硅晶片中形成除杂区和本体区域；在装载温度下将经热处理的所述硅晶片装载至加热装置中；在第一温度下对所述硅晶片实施第一退火工艺以在所述本体区域中补充产生氧沉淀物核及氧沉淀物；和在高于所述第一温度的第二温度下对所述硅晶片实施第二退火工艺以增大所述本体区域中的所述氧沉淀物；其中所述硅晶片的所述热处理在经热处理的所述硅晶片的所述装载之前进行。
【专利说明】硅晶片的制造方法
[0001]本发明是2009年9月28日提交的发明名称为“硅晶片及其制造方法”的中国专利申请200910174525.6的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本发明要求2008年9月29日及2009年I月16日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2008-0095462号及第10-2009-0003697号的优先权，通过引用将其并入本文。
【技术领域】
[0004]本发明涉及半导体制造技术，更具体涉及硅晶片及其制造方法。
【背景技术】
[0005]在诸如NMOS晶体管及PMOS晶体管的大多数高电压器件中，通常阱形成为自衬底表面约5微米至10微米的深度。仅仅使用离子注入エ艺难以实现深度为5微米至10微米的阱的掺杂分布。为此，在离子注入エ艺后应必需使用高温热处理来实施掺杂剂扩散エ艺。
[0006]然而，由于高温热处理，在硅本体(bulk)中不能完全实现氧沉淀物。这引起在用于浅沟槽隔离(STI)的蚀刻エ艺后在硅衬底中出现诸如环状位错的晶体缺陷。
[0007]此外，这些晶体缺陷使得良品率降低，且还劣化诸如高电压器件的阈值电压及静态随机存取存储器(SRAM)的待用模式期间的漏电流均一性的电參数特性。此外，在制造半导体器件所必需实施的杂质检验过程期间，这些晶体缺陷增加用于检验及分析大量缺陷的时间，从而导致制造半导体器件的总エ艺时间的増加。
【发明内容】
[0008]本发明的一个实施方案涉及ー种硅晶片，其通过充分地増加吸杂位点来防止由于后续高温热处理工艺引起的热预算所导致的晶体缺陷的产生。
[0009]本发明的另ー个实施方案涉及ー种硅晶片，其在本体区域中具有高且均匀的本体微缺陷(BMD)密度。
[0010]本发明的另ー个实施方案涉及ー种制造硅晶片的方法，其通过充分地増加吸杂位点来防止由于后续高温热处理工艺引起的热预算所导致的晶体缺陷的产生。
[0011]本发明的另ー个实施方案涉及ー种制造硅晶片的方法，所述硅晶片在本体区域中具有高且均匀的本体微缺陷(BMD)密度。
[0012]本发明的另ー个实施方案涉及ー种通过使用上述硅晶片所制造的半导体器件。
[0013]本发明的另ー个实施方案涉及ー种通过使用上述用于制造硅晶片的方法来制造半导体器件的方法。
[0014]根据本发明的ー个方面，提供ー种硅晶片，其包括:第一除杂区(denuded zone),其形成为具有自硅晶片顶面的预定深度；及本体区域，其形成于第一除杂区与硅晶片的背面之间，其中第一除杂区形成为具有自顶面约20微米至约80微米的深度，且其中本体区域中氧的浓度在整个本体区域中以10%内的变化来均匀分布。
[0015]根据本发明的另一方面，提供一种制造硅晶片的方法，其包括:提供具有除杂区及本体区域的硅晶片；在第一温度下对该硅晶片实施第一退火エ艺，以在本体区域中补充产生氧沉淀物核及氧沉淀物；及在高于第一温度的第二温度下对硅晶片实施第二退火エ艺，以增大本体区域中的氧沉淀物。
[0016]根据本发明的又一方面，提供一种制造硅晶片的方法，其包括:提供硅晶片；在装载温度下将硅晶片装载至加热装置内部；实施将硅晶片自装载温度加热至第一温度的第一加热エ艺；在第一温度下实施使该硅晶片退火的第一退火エ艺以产生氧沉淀物；实施将硅晶片自第一温度加热至高于第一温度的第二温度的第二加热エ艺；在第二温度下实施使硅晶片退火的第二退火エ艺以増大氧沉淀物以用于増加其密度；实施将硅晶片自第二温度冷却至卸载温度的冷却エ艺；及将硅晶片自加热装置卸载至外部。
[0017]本发明的其它目的及优点可通过以下描述来理解，并且參考本发明的实施方案而变得显而易见。而且，对于本领域技术人员显而易见的是:本发明的目的及优点可通过权利要求的手段及其组合来实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为根据本发明的一个实施方案的硅晶片的横截面图；
[0019]图2为说明根据本发明第一实施方案制造硅晶片的方法的横截面图；
[0020]图3为说明根据本发明第二实施方案制造硅晶片的方法的横截面图；
[0021]图4为说明根据本发明第三实施方案制造硅晶片的方法的横截面图；
[0022]图5为说明根据本发明第 四实施方案制造硅晶片的方法的横截面图；
[0023]图6为说明根据本发明一个实施方案的两步骤退火エ艺方法的图；
[0024]图7为说明在各种条件下BMD密度的图；
[0025]图8为说明在各种条件下除杂区的深度的图；
[0026]图9至图12为说明在各种条件下根据氧浓度的BMD密度及除杂区的深度的图；
[0027]图13为根据对比例制造的硅晶片的横截面图；
[0028]图14为根据本发明的一个实施方案制造的硅晶片的横截面图；
[0029]图15说明根据对比例制造的硅晶片中本体区域的晶体缺陷图；
[0030]图16说明使用根据本发明一个实施方案的两步骤退火エ艺制造的硅晶片中本体区域的晶体缺陷图；
[0031]图17A至图17D为说明根据本发明一个实施方案制造半导体器件的方法；
[0032]图18说明根据对比例制备的硅晶片中的晶体缺陷的检验结果；
[0033]图19为通过对比例的氧化工艺制备的硅晶片的扫描电子显微镜(SEM)照片；
[0034]图20为通过对比例的氧化工艺制备的硅晶片的平面图像；
[0035]图21为显示对通过对比例的氧化工艺制备的硅晶片进行BMD密度分析的微观图像；
[0036]图22说明根据本发明一个实施方案的硅晶片的晶体缺陷的检验结果；
[0037]图23为根据本发明ー个实施方案的硅晶片的平面图像；
[0038]图24为显示对根据本发明ー个实施方案的硅晶片进行BMD密度分析的显微照片;[0039]图25为说明在静态随机存取存储器(SRAM)待用模式期间漏电流的比较结果图；及
[0040]图26为说明良品率的比较结果图。
【具体实施方式】
[0041]通过參考之后所述附图的实施方案的以下描述，本发明的优点、特征及方面可变得显而易见。
[0042]在附图中，为了清楚说明，将层及区域的尺寸进行放大。亦应理解，当ー层(或膜)被称为在另一层或衬底‘上’时，其可直接在另ー层或衬底上，也可存在中间层。此外，应理解，当一层被称为在另ー层‘下’时，其可直接在另ー层下，也可存在ー个或多个插入层。此外，也应理解，当ー层被称为在两层‘之间’时，其可为两层之间的唯一层，也可存在ー个或多个插入层。
[0043]本发明可通过对晶片硅使用两步骤退火エ艺来实现本体区域中高且均匀的BMD密度。结果，本发明可通过充分地增加吸杂位点(gettering site)来防止由于后续高温热处理工艺引起的热预算所导致的晶体缺陷的产生。
[0044]图1为根据本发明的一个实施方案的硅晶片的横截面图。
[0045]如图1所示，硅晶片100包括:第一除杂区DZl，第一除杂区DZl形成为具有自硅晶片顶面101的预定深度；及本体区域BK，该本体区域BK形成于第一除杂区DZl与背面102之间。硅晶片100还包括第二除杂区DZ2，第二除杂区DZ2形成为具有自该背面102朝向该顶面101的方向的预定深度。
[0046]形成具有自顶面101朝向背面102的方向的预定深度的第一除杂区DZl为无缺陷区域(DFZ)，其不存在诸如空位及位错的晶体缺陷。优选地，第一除杂区DZl形成为具有自顶面101朝向背面102的方向的约20微米至约80微米的深度。
[0047]第二除杂区DZ2亦为DFZ且形成为具有自背面102朝向顶面101的方向与第一除杂区DZI深度相同的深度，或根据对背面102的抛光エ艺，第二除杂区DZ2形成为具有小于第一除杂区DZl的深度的深度。亦即，当对硅晶片100的顶面101及背面102两者无差别地进行镜面抛光时，第一除杂区DZI及第二除杂区DZ2形成为具有相同深度。相反，当对顶面101进行镜面抛光而不对背面102进行镜面抛光时，第二除杂区DZ2形成为具有小于第一除杂区DZI深度的深度，这是因为根据背面102的粗糙度靠近背面102形成氧沉淀物。
[0048]在第一除杂区DZI与第二除杂区DZ2之间形成的本体区域BK包括本体微缺陷(BMD) 103。BMD103在整个本体区域中保持均匀。BMD103包括沉淀物及本体堆垛层错(bulkstacking fault)。此外，可控制本体区域BK中的BMD103以具有足够密度，藉此吸杂经由后续高温热处理工艺或热エ艺而在硅晶片的表面上扩散的金属污染物。本体区域BK中的BMD103可保持密度优选为约I X 105ea/cm2至约I X 107ea/cm2,更优选为约lX106ea/cm2至lX107ea/cm2。本体区域BK中氧的浓度(以下称为‘氧浓度’)与氧沉淀物紧密相关，优选氧浓度在整个本体区域BK中以10%内的变化分布且保持为约10.5~约13PPMA(原子百万分率)。
[0049]图2为说明根据本发明第一实施方案制造硅晶片的方法的横截面图。[0050]參考图2，制备硅晶片200。此时，硅晶片200可为裸晶片。可按照以下步骤形成硅晶片200。首先，在生长单晶硅后，将单晶硅切割成晶片形状。在实施蚀刻エ艺以蚀刻经切割晶片的表面或使经切割晶片的侧面圆化后，对硅晶片200的顶面201及背面202进行镜面抛光。此时，使用晶体生长直拉法(Czochralski，CZ)来生长单晶硅。此外,可在后续热エ艺后实施对硅晶片200的镜面抛光エ艺。
[0051]实施对硅晶片200的第一热エ艺，使得硅晶片200的顶面201与背面202之间的氧化物元素203向内部扩散。结果，形成第一除杂区DZl及第二除杂区DZ2以及本体区域BK。第一热エ艺可为RTP(快速热エ艺)或使用炉装置的退火エ艺。优选地，第一热エ艺包括 RTP。
[0052]为快速扩散硅晶片200的顶面201及背面202中的氧化物元素203，使用氩(Ar)气、氮(N2)气、氨(NH3)气或其组合在高温下实施第一热エ艺。当第一热エ艺为RTP时，在范围为1050°C至约1150°C的温度下实施第一热エ艺历时约10秒至约30秒。当第一热エ艺为退火エ艺时，在范围为1050°C至约1150°C的温度下实施第一热エ艺历时约100分钟至约300分钟。
[0053]接着，实施对硅晶片200的第二热エ艺，使得本体区域BK中的氧化物元素203结合。結果，产生氧沉淀物核204。与第一热エ艺类似，第二热エ艺可为RTP或使用炉装置的退火エ艺。第二热エ艺优选包括RTP。
[0054]为易于形成氧沉淀物核204，使用氩(Ar)气、氮(N2)气、氨(NH3)气或其组合在低于第一热エ艺的温度的温度下实施第二热エ艺。当第二热エ艺为RTP时，在范围为约950°C至约1000°C的温度下实施第二热エ艺历时约10秒至约30秒。当第二热エ艺为退火エ艺时，在范围为约950°C至约1000°C的温度下实施第二热エ艺历时约100分钟至约200分钟。
[0055]随后，在完成第二热エ艺后对硅晶片200实施第一退火エ艺。使用炉装置实施第一退火エ艺。通过在低于第二热エ艺的温度的预定温度下加热硅晶片200，补充产生本体区域BK中的氧沉淀物核204，同时，产生氧沉淀物205A。优选地，在范围为约750°C至约800°C的温度下实施第一退火エ艺历时约100分钟至约180分钟。此外，在氧(O2)气氛围下实施第一退火エ艺。
[0056]在完成第一退火エ艺后对硅晶片200实施第二退火エ艺。亦使用炉装置实施第二退火エ艺。通过在高于第一退火エ艺的温度的预定温度下加热硅晶片200，増大氧沉淀物205A。结果，产生经增大的氧沉淀物205B。优选地，在范围为约1000°C至约1150°C的温度下实施第二退火エ艺历时约100分钟至约180分钟。此外，在氧(O2)气氛围下实施第二退火エ艺。
[0057]在下文中，详细描述第一退火エ艺及第二退火エ艺。在下文中，将第一退火エ艺及第二退火エ艺称为两步骤退火エ艺。
[0058]图6为说明根据本发明的一实施方案的两步骤退火エ艺的曲线图。
[0059]參看图6，使用炉装置的退火エ艺包括使用氧(O2)气在第一温度下使硅晶片200退火的第一退火エ艺(II)及在高于第一温度的第二温度下实施使硅晶片200退火的第二退火エ艺(IV)。实施第一退火エ艺(II)及第二退火エ艺(IV)均历时约100分钟至约180分钟。第一退火エ艺(II)的第一温度的范围为约750°C至约800°C，且第二退火エ艺(IV)的第二温度的范围为约1000°C至约1150°C。[0060]为改良氧化工艺及热处理工艺的效应，在第一退火エ艺(II)前，根据本发明的实施方案的两步骤退火エ艺可进ー步包括将硅晶片200装载至炉装置内部且接着将硅晶片200保持至装载温度历时ー预定持续时间的装载过程(L)。而且，在第二退火エ艺(IV)后，根据本发明的实施方案的两步骤退火エ艺可进ー步包括在将硅晶片200卸载至炉装置外部前将硅晶片200保持至卸载温度历时ー预定持续时间的卸载过程(UL)。
[0061] 装载过程(L)的装载温度低于第一温度。优选地，装载温度的范围为约600°C至约700°C。在装载过程(L)期间不将氧气供应至炉装置中。结果，在装载过程(L)期间硅晶片200未受到氧化。卸载过程(UL)的卸载温度大体上等于第一温度。优选地，卸载温度的范围为约750°C至约800°C。在卸载过程(UL)期间，不供应氧气而仅供应氮气。氮气的流动速率的范围为约9slm至约llslm。
[0062]此外，根据本发明的实施方案的两步骤退火エ艺可进ー步包括在装载过程(L)与第一退火エ艺(II)之间的用于将装载温度加热至第一温度的第一加热エ艺(I)及在第一退火エ艺(II)与第二退火エ艺(IV)之间的用于将第一温度加热至第二温度的第二加热エ艺(III)。当在第一加热エ艺(I)及第二加热エ艺(III)期间每分钟升温速率过高时，晶片结构可能变形。因此，可将第一加热エ艺(I)及第二加热エ艺(III)中的升温速率设定为约5°C /分钟至约8°C /分钟的范围。
[0063]而且，根据本发明的实施方案的两步骤退火エ艺可进ー步包括在第二退火エ艺
(IV)与卸载过程(UL)之间的用于将第二温度冷却至卸载温度的冷却エ艺(V)。冷却エ艺
(V)的降温速率的范围可为约2V/分钟至约4°C /分钟。
[0064]在根据本发明的实施方案的两步骤退火エ艺中，硅晶片200的退火大体上主要在第一退火エ艺及第二退火エ艺(I1、IV)期间实现，因为仅在此等エ艺期间供应氧气。第一退火エ艺及第二退火エ艺(I1、IV)期间所供应的氧气的流动速率的范围可为约50SCCm至约120sCCm。可实施第一退火エ艺及第二退火エ艺(I1、IV)均历时约100分钟至约180分钟。
[0065]如图6中描述的两步骤退火エ艺可应用于图3至图5中显示的根据本发明以下实施方案用于制造硅晶片的方法的第一退火エ艺及第二退火エ艺。
[0066]图3为说明根据本发明的第二实施方案的用于制造硅晶片的方法的横截面图。
[0067]參看图3，实施对硅晶片300的热エ艺，使得硅晶片300的顶面301与背面302之间的氧化物元素303向内部扩散。结果，形成第一除杂区DZl及第二除杂区DZ2以及本体区域BK。热エ艺可为RTP或使用炉装置的退火エ艺。优选地，第一热エ艺包括RTP。
[0068]为快速扩散硅晶片300的顶面301及背面302的氧化物元素303，在高温下实施热エ艺。当热エ艺为RTP时，在范围为1050°C至约1150°C的温度下实施热エ艺历时约10秒至约30秒。当热エ艺为退火エ艺时，在范围为1050°C至约1150°C的温度下实施热エ艺历时约100分钟至约200分钟。
[0069]随后，对硅晶片300实施第一退火エ艺，使得本体区域BK中的氧化物元素203结合。结果，形成氧沉淀物核304。在低于热エ艺的温度的预定温度下使用炉装置实施第一退火エ艺。优选地，在范围为约750°C至约800°C的温度下实施第一退火エ艺历时约100分钟至约180分钟。此外，在氧(O2)气氛围下实施第一退火エ艺。
[0070]对硅晶片300实施第二退火エ艺。亦使用炉装置实施第二退火エ艺。通过在高于第一退火エ艺的温度的预定温度下加热硅晶片300，产生氧沉淀物305。优选地，在范围为约1000°C至约1150°C的温度下实施第二退火工艺历时约100分钟至约180分钟。此外，在氧(O2)气氛围下实施第二退火工艺。
[0071]图4为说明根据本发明的第三实施方案的用于制造硅晶片的方法的横截面图。
[0072]在图4中，在低于图3的热エ艺温度的温度下实施在第一退火エ艺之前的热エ艺。
[0073]參考图4，在低于图3的热エ艺温度的温度下对硅晶片400实施热エ艺。因此，产生氧沉淀物核404。因为热エ艺在低温下实施，所以在第一除杂区DZl和第二除杂区DZ2以及本体区域BK中形成氧沉淀物核404。热エ艺可为RTP或退火エ艺。优选地，第一热エ艺包括RTP。当热エ艺为RTP时，在约950°C至约1000°C的温度下实施热エ艺约10秒至约30秒。当热エ艺为退火エ艺时，在约950°C至约1000°C的温度下实施热エ艺约100分钟至约200分钟。
[0074]随后，对硅晶片400依次实施第一退火エ艺及第二退火エ艺，使得产生氧沉淀物核404及氧沉淀物405A。在与图3的第一退火エ艺及第二退火エ艺的那些条件相同的条件下实施第一退火エ艺及第二退火エ艺。
[0075]图5为说明根据本发明第四实施方案制造硅晶片的方法的横截面图。
[0076]參考图5，与图2至图4中所示的退火エ艺不同，根据本发明第四实施方案的退火エ艺无需在第一退火エ艺及第二退火エ艺之前的额外热エ艺。即，提供作为裸晶片的硅晶片500，并对硅晶片500依次实施第一退火エ艺及第二退火エ艺，使得形成第一除杂区DZI和第二除杂区DZ2以及本体区域BK。在与图2至图4所示的第一退火エ艺及第二退火エ艺的那些条件相同的条件下实施第一退火エ艺及第二退火エ艺。
[0077]在图5中，附图标记‘501’表示顶面，‘502’表示背面，‘503’表示氧化物元素，‘504’表示氧沉淀物核，‘505A’表示氧沉淀物，‘505B’表示増大的氧沉淀物。
[0078]如上所述，參考图2至图5描述根据本发明制造硅晶片的方法。如前所述，在图2至图4所示的第一至第三实施方案中，RTP优选在第一退火エ艺及第二退火エ艺之前用于热エ艺。
[0079]硅晶片中的氧沉淀物的内部缺陷或空隙缺陷可在单晶硅生长期间受到控制，或在单晶硅生长后通过热エ艺控制。如上文所述，热エ艺可包括使用卤素灯的RTP及使用炉装置的退火エ艺。
[0080]在氩(Ar)气或氢(H2)气氛围下在高于约1000°C的高温下实施使用炉装置的退火エ艺大于约100分钟的长时间。通过由此退火エ艺引起的硅晶片中氧化物元素的扩散及硅重排，在硅晶片的顶面的一部分中形成器件理想区(即，无缺陷区(DFZ))。然而，随着硅晶片尺寸増加，该退火エ艺由于高温热处理而难以控制硅晶片的污染或滑移位错。
[0081]因此，RTP获得优于退火エ艺的硅晶片特性。然而，当使用各种缺陷检测方法评估由RTP制造的硅晶片时，控制氧沉淀物仅在自顶面约3微米至约10微米的深度内。此外，当通过仅实施RTP —次或两次来制造硅晶片时，存在对实现本体区域内高BMD密度的限制。更具体而言，当通过实施RTP —次来制造硅晶片吋，BMD密度经确定为IX 106ea/cm2至
.3XlOWcm2,并且难以使BMD密度超出该范围。
[0082]在本发明的实施方案中，如图2至图4所示，在热エ艺后实施两步骤退火エ艺，由此移除靠近硅晶片顶面的空隙缺陷及氧沉淀物。结果，本发明可确保无缺陷区(DFz)且增加包括本体区域中的本体堆叠缺陷及氧沉淀物的BMD密度，由此通过增加本体区域中的吸杂位点来改善吸杂效果。
[0083]在下文中，參考表1及表2详细描述由本发明实施方案制造的硅晶片的特性。
[0084][表 I]
[0085]
__条件I__条件2__条件3__条件4 —
高温 RTP 1050 0C-1isor 1050 "censor_省略__省略_
低温RTP _950°C-1000°C _ 省略 _ 950°C~1000t: _ 省略 _
750r~800r 750°C ~800°C 750 0C^SOO0C 750°C ~800t:
、/ご,.1000 aC-1lSO0C 1000oC~1150°C 1000t>1150°C 1000 aC-1lSO0C退火ェ艺_____
[0086][表2]
[0087]
杀件II件2条ィ牛3条件4
*、 10.3 11.6 12.7 10.3 11.6 12.7 10.3 11.6 12.7 10.3 11.6 12.7(PPMaj____________
BMD
象磨 3.03 5.43 8J5 4.32 9.35x 2.35 2.12 7.12x 1.25x 3.85 5.12 9.50
も，XlO6 XlO6 XlO6 XlO5 IO5 XlO6 XlO5 IO5 LO6 XlO5 XlO5 XlO5(ea/cm)____________
T|y'S"磨
,视て 38.5 28.7 24.5 36.5 29.01 24.7 52.9 42.10 34.6 57.6 40.3 32.5 (诚米)
[0088]在表1中，使用氩(Ar)气、氮(N2)气、氨(NH3)气或其组合,在快速热处理下实施‘高温RTP’及‘低温RTP’约10秒至约30秒。使用氧(O2)气实施‘低温退火エ艺’及‘高温退火エ艺’约100分钟至约180分钟。
[0089]在表1及表2中，‘条件I’表不图2中所不的第一实施方案，‘条件2’表不图3中所示的第二实施方案，‘条件3’表示图4中所示的第三实施方案，‘条件4’表示图5中所示的第四实施方案。表2显示根据每一条件中的氧浓度(oi)的BMD密度及除杂区(DZ)深度。
[0090]图7至图12为显示表1及表2的參数的图。具体而言，图1为说明对于每一条件的BMD密度的图。图8为说明对于每一条件的DZ深度的图。图9至图12为说明对于每一条件的本体区域中氧浓度的图。
[0091]參考表2及图7，在所有条件下均获得大于IX 105ea/cm2的BMD密度。具体而言，无论氧浓度如何，在条件I下均获得大于I X 106ea/cm2的BMD密度。尽管未显示对于通过仅实施RTP —次或两次而制造的硅晶片的BMD密度的数据，但可预测该BMD密度与以上条件下的BMD密度相比将显著较低。
[0092]如前所述，通过吸杂BMD来控制金属污染物。然而，因为在高温エ艺期间BMD密度倾向于降低，所以在制造硅晶片期间需要确保高BMD密度。一般而言，半导体器件需要在高电压环境下操作的高电压器件。为制造该高电压器件，必需实施重度离子注入エ艺及高温退火エ艺，这是因为需要具有深分布的结区域(即，掺杂区域)。当BMD密度在高温退火エ艺期间降低时，不仅由于缺陷评估而且由于低吸杂能力，所以在后续浅沟槽隔离(STI)后出现环状位错。
[0093]作为测量BMD密度的結果，当BMD密度为约2.5X 105ea/cm2时局部出现环状位错，但当BMD密度为约4.4 X IOWcm2时不出现环状位错。因此，需要控制BMD密度大于至少1 X 105ea/cm2。在本实施方案中,在制造娃晶片期间无论常规热エ艺如何，对于制造半导体器件的初始エ艺都要另外实施两步骤退火エ艺。初始エ艺包括在形成阱的离子注入之前实施的氧化工艺。氧化工艺对应于在形成阱的离子注入(在下文中，称为阱离子注入)期间用于形成屏蔽氧化物层的エ艺。
[0094]參考表2及图8，显示根据每一条件的DZ深度。DZ深度与BMD密度及氧浓度紧密相关。随着BMD密度及氧浓度増加，DZ深度减小。当氧浓度在每一条件下均相同(例如，为表2中的11.6)吋，条件I及条件2下的BMD密度高于条件3及条件4下的BMD密度，但条件I及条件2下的DZ深度低于条件3及条件4下的DZ深度。因此，DZ深度可为BMD密
度的度量。
[0095]參考表2及图9至图12，显示每一条件下根据氧浓度的BMD密度及DZ深度。随着氧浓度(Oi)増加，BMD密度增加而DZ深度减小。因此，氧浓度(Oi)也为BMD密度的度量。即，可通过测量DZ深度及氧浓度(Oi)来计算本体区域中的BMD密度。
[0096]图13及图14为硅晶片的横截面图。
[0097]具体而言，图13显示通过实施仅仅RTP而无两步骤退火エ艺以制造的硅晶片的横截面图，图14显示根据本发明的一个实施方案通过实施两步骤退火エ艺制造的硅晶片的横截面图。
[0098]如图所示，在图13的硅晶片中出现多个硅位错，但在图14的硅晶片中不存在硅位错。此外，当通过使用外延生长形成外延层时，硅晶片的本体区域(其中形成外延层)中的晶体缺陷显著得以減少。
[0099]图15及图16说明硅晶片中本体区域(其中形成外延层)的晶体缺陷图。使用由KLA公司制造的检验装置实施该检验。
[0100]如图15所显示，当实施不具有两步骤退火エ艺的氧化工艺时，大量晶体缺陷分布于图中。在此，氧化工艺在阱离子注入期间形成屏蔽氧化物层。相反，如图16所显示，在实施具有本发明的两步骤退火エ艺的氧化工艺时，晶体缺陷显著減少。
[0101]在下文中，将參考图17A至图17D详细描述制造用于高电压器件的具有阱的半导体器件的方法，该方法包括根据本发明一个实施方案的两步骤退火エ艺。
[0102]图17A至图17D为说明根据本发明一个实施方案制造半导体器件的方法。
[0103]參考图17A，使用图6中显示的两步骤退火エ艺在硅晶片600上形成屏蔽氧化物层601。硅晶片600可为如图2至图4中所述的实施RTP—次或两次的晶片，或为如图5中
所述的没有实施RTP的裸晶片。屏蔽氧化物层601可为氧化硅层，并形成为约100 A至约140 A的厚度。[0104]參考图17B，在硅晶片600中形成阱602至ー预定深度。阱602可根据高电压器件的导电类型而为P型或n型导电类型。
[0105]通过离子注入エ艺和扩散エ艺形成阱602。使用仅仅离子注入エ艺难以形成用于高电压器件的阱。因此，应在完成离子注入エ艺后另外实施扩散エ艺以及离子注入エ艺，以形成具有图17B的掺杂分布的阱602。通过使用诸如炉的高温加热装置的退火エ艺长时间实施扩散エ艺。优选地，使用仅仅氮(N2)气在约1100°C至约1250°C的温度下实施扩散エ艺约6小时至约10小时。
[0106]參看图17C，用作硬掩模的衬垫氮化物层(未示出)形成于屏蔽氧化物层601上，或衬垫氮化物层形成于缓冲层(未示出)上，该缓冲层通过在移除屏蔽氧化物层601后实施额外氧化工艺而形成。移除屏蔽氧化物层601的原因是屏蔽氧化物层601不适合于缓冲层，这是因为屏蔽氧化物层601在离子注入エ艺期间受到损坏。然后在衬垫氮化物层上形成用于形成STI沟槽的光刻胶图案604。
[0107]衬垫氮化物层可通过低压化学气相沉积(LPCVD)エ艺形成，以通过最小化在沉积エ艺期间施加至硅晶片600的应カ而防止硅晶片600受损。衬垫氮化物层可由氮化硅形成。
衬垫氮化物层可形成为约1400盖至约2000 A的厚度。[0108]使用光刻胶图案604作为蚀刻掩模，依次部分地蚀刻衬垫氮化物层、屏蔽氧化物层601及硅晶片600，由此形成衬垫氮化物图案603、屏蔽氧化物图案601A、硅晶片600A及阱602A。结果，在硅晶片600A中形成具有预定深度及斜坡的沟槽605。
[0109]參看图17D，形成填充沟槽605的器件隔离结构606，随后移除衬垫氮化物图案603及屏蔽氧化物图案601A。器件隔离结构606可由具有优异间隙填充性能的高密度等离子体(HDP)层形成。
[0110]在比较本发明的方法与对比例的同时，下文将描述本发明的以上实施方案的有益效果。本发明的方法包括通过使用两步骤退火エ艺的氧化工艺形成屏蔽氧化物层，而对比例包括通过使用一歩退火エ艺的氧化工艺形成屏蔽氧化物层。在该对比例的氧化工艺中，使用湿氧化工艺在800°C至850°C的单ー温度下氧化硅晶片。
[0111]图18至图21说明通过对比例的氧化工艺制备的硅晶片中的缺陷。
[0112]详细而言，图18说明在通过对比例的氧化工艺制备的硅晶片中经由STIエ艺形成沟槽后，由KLA公司所制造的检验装置所检验的晶体缺陷的图数据。如图18所示，可观察到大多数缺陷晶片中存在诸如环状硅位错的晶体缺陷。
[0113]图19及图20为由KLA公司所制造的检验装置所获取的硅晶片扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0114]具体而言，图19为显示硅晶片截面的SEM图像，图20为平面倾斜STM图像。如图19及图20所示,可观察到存在晶体缺陷及位错。
[0115]图21为显示对具有环状缺陷的硅晶片进行本体微缺陷(BMD)密度分析的显微照片。
[0116]如图21所显示，可观察到大多数BMD紧靠硅晶片的顶面形成，而仅有少数BMD形成在硅晶片的中央部分中，即，形成于本体区域中。即，本体区域的BMD密度显著低于硅晶片的顶面的BMD密度。
[0117]图22至图24为通过使用根据本发明实施方案的两步骤退火エ艺的氧化工艺制备的硅晶片中晶体缺陷的检验結果。该检验使用由KLA公司制造的检验装置实施。[0118]详细而言，图22说明在通过使用本发明的两步骤退火エ艺的氧化工艺制备的硅晶片中经由STIエ艺形成沟槽后硅晶片的晶体缺陷的检验結果。如图22所示，可观察到晶体缺陷得到移除且仅检测到ー些微粒或粉尘。
[0119]图23为由KLA公司所制造的检验装置所获取的硅晶片的平面倾斜STM图像。与图22的结果类似，可观察到仅检测到ー些颗粒。
[0120]图24为显示对通过使用本发明两步骤退火エ艺的氧化工艺制备的硅晶片进行BMD密度分析的显微照片。如图24所示，可观察到在整个硅晶片中均匀形成BMD。
[0121]图25为说明在静态随机存取存储器(SRAM)待用模式期间漏电流的比较结果图。在图25中，左边的图显示通过使用本发明两步骤退火エ艺的氧化工艺制备的高电压器件的样品，右边的图显示对比例的高电压器件的样品。如图25所示，与通过对比例的氧化工艺制备的样品相比，可观察到通过本发明的氧化工艺制备的样品显示均匀漏电流特性。
[0122]图26为说明良品率的比较结果图。在图26中，左边的图显示通过使用本发明两步骤退火エ艺的氧化工艺制备的高电压器件的样品，右边的图显示对比例的高电压器件的样品。如图26所示，与对比例的样品相比，通过本发明的氧化工艺制备的样品的良品率高约 5% -9%。
[0123]根据本发明，首先，可通过在不同温度下实施两步骤退火エ艺而在硅晶片中充分地产生吸杂位点。这使得可防止由于后续高温热处理工艺引起的热预算所导致的晶体缺陷的产生。
[0124]其次，本发明可通过在不同温度下实施两步骤退火エ艺来提供在本体区域中具有高且均匀BMD密度的硅晶片。
[0125]第三，根据本发明，在不同温度下对硅晶片实施两步骤退火エ艺后，使用外延生长在硅晶片上形成外延层。结果，本发明可提供形成具有优异特性的外延层的半导体器件。
[0126]第四，根据本发明，通过在不同温度下对硅晶片实施两步骤退火エ艺以在硅晶片上形成屏蔽氧化物层后，通过使用屏蔽氧化物层作为离子掩模实施离子注入エ艺以在硅晶片中形成阱。结果，本发明可在硅晶片中充分地产生吸杂位点，以由此防止由于后续高温热处理工艺引起的热预算所导致的晶体缺陷的产生。
[0127]尽管已对于特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员显而易见可在不偏离由以下权利要求限定的本发明的精神及范畴的情况下做出各种改变及修改。
[0128]附记
[0129]附记1.ー种硅晶片，其包括:第一除杂区，其形成为具有自所述硅晶片的顶面的预定深度；和本体区域，其形成于所述第一除杂区与所述硅晶片的背面之间，其中所述第一除杂区形成为具有自所述顶面约20微米至约80微米的深度，并且其中所述本体区域中的氧浓度在整个所述本体区域中以10%内的变化来均匀分布。
[0130]附记2.如附记I的硅晶片，其中所述本体区域中本体微缺陷(BMD)的密度为约I X 105ea/cm2 至约 lX107ea/cm2。
[0131]附记3.如附记I的硅晶片，其中所述本体区域中的氧浓度为约10.5至约13PPMA (原子百万分率)。
[0132]附记4.如附记I的硅晶片，其还包括外延层，所述外延层通过外延生长而形成在所述硅晶片的顶面上。
[0133]附记5.如附记I的硅晶片，其还包括第二除杂区，所述第二除杂区形成于所述本体区域下方且具有自所述背面朝向所述顶面的方向的预定深度。
[0134]附记6.如附记5的硅晶片，其中所述第二除杂区形成为具有自所述背面约20微米至约80微米的深度。
[0135]附记7.—种用于制造硅晶片的方法，其包括:提供具有除杂区和本体区域的硅晶片；在第一温度下对所述硅晶片实施第一退火エ艺以在所述本体区域中补充产生氧沉淀物核及氧沉淀物；和在高于所述第一温度的第二温度下对所述硅晶片实施第二退火エ艺以增大所述本体区域中的所述氧沉淀物。
[0136]附记8.如附记7的方法，其中所述第一退火エ艺在约750°C至约800°C的温度下实施。
[0137]附记9.如附记7的方法，其中所述第二退火エ艺在约1000°C至约1150°C的温度下实施。
[0138]附记10.如附记7的方法，其中所述硅晶片的提供包括:在等于或低于所述第二温度的第三温度下对所述硅晶片实施第一热エ艺以形成所述除杂区和所述本体区域；和在高于所述第一温度而低于所述第三温度的第四温度下对所述硅晶片实施第二热エ艺以在所述本体区域中形成所述氧沉淀物核。
[0139]附记11.如附记10的方法，其中所述第一热エ艺和所述第二热エ艺通过快速热エ艺(RTP)或退火エ艺实施。
[0140]附记12.如附记10的方法，其中所述第一热エ艺在约1050°C至约1150°C的温度下实施，所述第二热エ艺在约950°C至约1000°C的温度下实施。
[0141]附记13.如附记10的方法，其中所述第一热エ艺和所述第二热エ艺使用氩(Ar)气、氮(N2)气、氨(NH3)气或其组合。
[0142]附记14.如附记7的方法，其中所述硅晶片的提供包括:在等于或低于所述第二温度的第三温度下对所述硅晶片实施热エ艺以形成所述除杂区和所述本体区域。
[0143]附记15.如附记14的方法，其中所述热エ艺在约1050°C至约1150°C的温度下实施。
[0144]附记16.如附记7的方法，其中所述硅晶片的提供包括:在高于所述第一温度而低于所述第二温度的第三温度下对所述硅晶片实施热エ艺以形成所述除杂区和所述本体区域。
[0145]附记17.如附记16的方法，其中所述热エ艺在约950°C至约1000°C的温度下实施。
[0146]附记18.如附记7的方法，其中所述第一退火エ艺和所述第二退火エ艺在氧(O2)气氛围下实施。
[0147]附记19.如附记7的方法，其中所述第一退火エ艺和所述第二退火エ艺二者均实施约100分钟至约180分钟。
[0148]附记20.如附记7的方法，其中所述除杂区形成为具有自所述硅晶片的顶面约20微米至约80微米的深度。
[0149]附记21.如附记7的方法，其中在实施所述第二退火エ艺后，所述本体区域中包括所述氧沉淀物的本体微缺陷(BMD)的密度控制为约I X 105ea/cm2至约lX107ea/cm2。
[0150]附记22.如附记7的方法，其中在实施所述第二退火エ艺后，所述本体区域中的氧浓度控制为在整个所述本体区域中以10%内的变化均匀分布。
[0151]附记23.如附记7的方法，其中在实施所述第二退火エ艺后，所述本体区域中的氧浓度控制为约10.5至约13PPMA。
[0152]附记24.如附记7的方法，其还包括:移除在所述第二退火エ艺期间在所述硅晶片的顶面上形成的氧化物层；和通过外延生长形成外延层，所述外延层形成在所述硅晶片的顶面上。
[0153]附记25.如附记7的方法，其还包括:通过使用氧化物层作为缓冲层在所述硅晶片中形成阱，其中所述氧化物层在所述第二退火エ艺期间形成在所述硅晶片的顶面上。
[0154]附记26.如附记7的方法，其中所述硅晶片的提供包括:生长单晶硅；将所述生长的单晶硅切割为晶片形状；和实施蚀刻エ艺以蚀刻所述切割的硅晶片的表面或使所述切割的硅晶片的侧面圆化。
[0155]附记27.—种制造硅晶片的方法，其包括:提供硅晶片；在装载温度下将所述硅晶片装载入加热装置内部；实施将所述硅晶片自所述装载温度加热至第一温度的第一加热エ艺；在所述第一温度下实施使所述硅晶片退火的第一退火エ艺以产生氧沉淀物；实施将所述硅晶片自所述第一温度加热至高于所述第一温度的第二温度的第二加热エ艺；在所述第二温度下实施使所述硅晶片退火的第二退火エ艺以增大所述氧沉淀物，从而增加其密度；实施将所述硅晶片自所述第二温度冷却至卸载温度的冷却エ艺；和将所述硅晶片自所述加热装置卸载至外部。
[0156]附记28.如附记27的方法，其中所述硅晶片的提供包括:通过对所述硅晶片实施热エ艺以在所述硅晶片中形成除杂 区和本体区域。
[0157]附记29.如附记27的方法，其中所述装载温度为约600°C至约700°C。
[0158]附记30.如附记27的方法，其中所述第一加热エ艺的升温速率为约5°C /分钟至约8°C/分钟。
[0159]附记31.如附记27的方法，其中所述第一温度为约750°C至约800°C。
[0160]附记32.如附记27的方法，其中所述第二加热エ艺的升温速率为约5°C /分钟至约8°C/分钟。
[0161]附记33.如附记27的方法，其中所述第二温度为约1000°C至约11S0°C。
[0162]附记34.如附记27的方法，其中所述冷却エ艺的降温速率为约2V /分钟至约
4°C /分钟。
[0163]附记35.如附记27的方法，其中所述卸载温度为约750°C至约800°C。
[0164]附记36.如附记27的方法，其中所述硅晶片卸载使用氮(N2)气实施。
[0165]附记37.如附记27的方法，其中所述第一退火エ艺和所述第二退火エ艺使用氧
(O2)气实施。
【权利要求】
1.一种用于制造硅晶片的方法，其包括: 对所述硅晶片进行热处理以在所述硅晶片中形成除杂区和本体区域； 在装载温度下将经热处理的所述硅晶片装载至加热装置中； 在第一温度下对所述硅晶片实施第一退火エ艺以在所述本体区域中补充产生氧沉淀物核及氧沉淀物；和 在高于所述第一温度的第二温度下对所述硅晶片实施第二退火エ艺以增大所述本体区域中的所述氧沉淀物； 其中所述硅晶片的所述热处理在经热处理的所述硅晶片的所述装载之前进行。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一退火エ艺在750°C至800°C的温度下实施。
3.如权利要求1的方法，其中所述第二退火エ艺在1000°C至1150°C的温度下实施。
4.如权利要求1的方法，其中所述硅晶片的所述热处理包括: 在等于或低于所述第二温度的第三温度下对所述硅晶片实施第一热エ艺以形成所述除杂区和所述本体区域；和 在高于所述第一温度而低于所述第三温度的第四温度下对所述硅晶片实施第二热エ艺以在所述本体区域中形成所述氧沉淀物核。
5.如权利要求4的方法,其中所述第一热エ艺和所述第二热エ艺通过快速热エ艺(RTP)或退火エ艺实施。`
6.如权利要求4的方法，其中所述第一热エ艺在1050°C至1150°C的温度下实施，所述第二热エ艺在950°C至1000°C的温度下实施。
7.如权利要求4的方法，其中所述第一热エ艺和所述第二热エ艺使用氩(Ar)气、氮(N2)气、氨(NH3)气或其组合。
8.如权利要求1的方法，其中所述硅晶片的所述热处理包括: 在等于或低于所述第二温度的第三温度下对所述硅晶片实施热エ艺以形成所述除杂区和所述本体区域。
9.如权利要求8的方法，其中所述热エ艺在1050°C至1150°C的温度下实施。
10.如权利要求1的方法，其中所述硅晶片的所述热处理包括: 在高于所述第一温度而低于所述第二温度的第三温度下对所述硅晶片实施热エ艺以形成所述除杂区和所述本体区域。
11.如权利要求10的方法，其中所述热エ艺在950°C至1000°C的温度下实施。
12.如权利要求1的方法，其中所述第一退火エ艺和所述第二退火エ艺在氧(O2)气氛围下实施。
13.如权利要求1的方法，其中所述第一退火エ艺和所述第二退火エ艺二者均实施100分钟至180分钟。
14.如权利要求1的方法，其中所述除杂区形成为具有自所述硅晶片的顶面20微米至80微米的深度。
15.如权利要求1的方法，其中在实施所述第二退火エ艺后，所述本体区域中包括所述氧沉淀物的本体微缺陷(BMD)的密度控制为大于5X106ea/cm2且小于或等于lX107ea/2cm o
16.如权利要求1的方法，其中在实施所述第二退火エ艺后，所述本体区域中的氧浓度控制为在整个所述本体区域中以10%内的变化均匀分布。
17.如权利要求1的方法，其中在实施所述第二退火エ艺后，所述本体区域中的氧浓度控制为10.5至13PPMA。
18.如权利要求1的方法,其还包括: 移除在所述第二退火エ艺期间在所述硅晶片的顶面上形成的氧化物层；和 通过外延生长形成外延层，所述外延层形成在所述硅晶片的顶面上。
19.如权利要求1的方法,其还包括: 通过使用氧化物层作为缓冲层在所述硅晶片中形成阱，其中所述氧化物层在所述第二退火エ艺期间形成在所述硅晶片的顶面上。
20.如权利要求1的方法，其中所述硅晶片的提供包括: 生长单晶娃; 将所述生长的单晶硅切割为晶片形状；和 实施蚀刻エ艺以蚀刻所述切割的硅晶片的表面或使所述切割的硅晶片的侧面圆化。
21.一种制造硅晶片的方法，其包括: 对硅晶片进行热处理以在 所述硅晶片中形成除杂区和本体区域； 在装载温度下将经热处理的所述硅晶片装载入加热装置内部； 实施将所装载的硅晶片自所述装载温度加热至第一温度的第一加热エ艺； 在所述第一温度下实施使经第一加热的所述硅晶片退火的第一退火エ艺以在所述经第一加热的所述硅晶片中产生氧沉淀物； 实施将经第一退火的所述硅晶片自所述第一温度加热至第二温度的第二加热エ艺，所述第二温度高于所述第一温度； 在所述第二温度下实施使经第二加热的所述硅晶片退火的第二退火エ艺以增大所述氧沉淀物，从而增加所述经第一加热的所述硅晶片中的密度； 实施将经第二退火的所述硅晶片自所述第二温度冷却至卸载温度的冷却エ艺；和 将经冷却的所述硅晶片自所述加热装置卸载至外部。
22.如权利要求21的方法，其中所述装载温度为600°C至700°C。
23.如权利要求21的方法，其中所述第一加热エ艺的升温速率为5°C/分钟至8°C /分钟。
24.如权利要求21的方法，其中所述第一温度为750°C至800°C。
25.如权利要求21的方法，其中所述第二加热エ艺的升温速率为5°C/分钟至8°C /分钟。
26.如权利要求21的方法，其中所述第二温度为1000°C至1150°C。
27.如权利要求21的方法，其中所述冷却エ艺的降温速率为2V/分钟至4°C /分钟。
28.如权利要求21的方法，其中所述卸载温度为750°C至800°C。
29.如权利要求21的方法，其中所述硅晶片卸载使用氮(N2)气实施。
30.如权利要求21的方法，其中所述第一退火エ艺和所述第二退火エ艺使用氧(O2)气实施。
31.如权利要求21的方法，其中所述硅晶片包括未掺杂的硅晶片。
32.如权利要求21的方法，其中所述硅晶片的所述热处理在经热处理的所述硅晶片的所述装载之前进行。
33.一种半导体加工的方法，包括: 在装载温度下将未掺杂的硅晶片装载入加热装置中； 将所装载的所述未掺杂的硅晶片自所述装载温度进行第一加热至第一温度； 在所述第一温度下对经第一加热的所述未掺杂的硅晶片进行第一退火以在经第一加热的所述硅晶片中产生氧沉淀物； 将经第一退火的所述未掺杂的所述硅晶片直接自所述第一温度进行第二加热至第二温度，所述第二温度高于所述第一温度； 在所述第二温度下对经第二加热的所述硅晶片进行第二退火以增大所述经第二加热的所述硅晶片中的所述氧沉淀物以及增加所述经第二加热的所述硅晶片中的所述氧沉淀物的密度； 将经第二退火的所述硅晶片自所述第二温度冷却至卸载温度；和在卸载温度下自所述加热装置卸载经冷却的所述硅晶片。
34.如权利要求33的 方法，还包括在所述未掺杂的硅晶片的所述装载之前: 对所述未掺杂的硅晶片进行热处理以在所述硅晶片中形成除杂区和本体区域。
【文档编号】H01L21/322GK103498196SQ201310361966
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2009年9月28日 优先权日:2008年9月29日
【发明者】朴正求 申请人:美格纳半导体有限会社