直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法
【专利摘要】直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法，涉及直拉单晶硅。将直拉单晶硅片进行高温、低温、高温三步热处理，形成洁净区；将经三步热处理的直拉单晶硅片铜沾污后分成三组，在氮气氛下，分别在700～750℃、850～950℃、1050～1150℃下热处理5～10min，以在直拉单晶硅片中引入铜杂质；将经热处理的直拉单晶硅片分别在氮气氛保护下1050～1150℃保温2～4h和在氩气氛保护下1200～1250℃保温30～60s，观察直拉单晶硅中洁净区的形成情况。根据直拉单晶硅片中引入铜杂质的温度不同，采取不同的热处理工艺，从而有效地避免洁净区中出现铜沉淀。对洁净区的保护效果好，重复性好。
【专利说明】直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及直拉单晶硅，尤其是涉及直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法。
【背景技术】
[0002] 在现代集成电路制备工艺中，由于不锈钢设备的大量使用，使得过渡族金属在硅片中的沾污越来越普遍。虽然硅片的制备加工设备不断改进，硅中过渡族金属的浓度不断降低，但是仍然无法做到完全避免沾污。铜引线在集成电路工艺中的广泛应用，使得过渡族金属铜成为直拉单晶硅中最重要的杂质之一。由于硅中绝大部分的铜原子以间隙态形式存在，其固溶度随着温度的下降而急剧降低，并且具有快速扩散等特性，因此高温下引入的铜杂质，会在随后的冷却过程中因较大的过饱和度而导致在硅片体内形成沉淀，而铜沉淀会严重降低硅片的少子寿命，从而影响器件的性能和可靠性。因此，如何避免铜沉淀在器件有源区形成也越来越成为人们关注的焦点。铜沉淀对硅单晶中洁净区形成的影响也被广泛研究。徐进等人(参考文献 Jin Xu, Deren Yang,H.J.Moelle1J Appl Phy, 102:114506, 2007)研究了铜杂质的引入顺序对洁净区生成的影响:在第一步高温热处理前对样品铜沾污，样品并没有洁净区生成；而在第二步低温热处理和最后一步高温热处理前对样品铜沾污，则会有洁净区生成。席珍强等人(参考文献Xi Zhenqiang, Yang Deren, Chen Jun, QueDuanlin, and H.J.Moeller, Chinese Journal of semiconductors26:1753，2005)石开究了原生直拉单晶硅中的铜沉淀规律，指出原生单晶硅中铜沉淀温度为800°C。同时，王维燕等人(参考文献Weiyan Wang, Deren Yang, Xiangyang Ma, and Duanlin Que, Journal of appliedphysicsl03, 093534，2008)研究了直拉单晶硅中点缺陷对铜沉淀行为的影响，指出了空位对于铜沉淀的促进作用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法。
[0004]本发明包括以下步骤:
[0005]I)将直拉单晶硅片进行高温、低温、高温三步热处理，形成洁净区；
[0006]2)将经过步骤I)三步热处理的直拉单晶硅片铜沾污后分成三组，在氮气氛保护下，分别在700~750°C、850~950°C、1050~1150°C下热处理5~lOmin，以在直拉单晶娃片中引入铜杂质；
[0007]3)将经过步骤2)热处理的直拉单晶硅片分别在氮气氛保护下1050~1150°C保温2~4h和在氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s，观察直拉单晶硅中洁净区的形成情况。
[0008]在步骤I)中，所述高温、低温、高温三步热处理的具体条件可为:第一步高温热处理的温度为1000~1200°C，保温2~5h ;第二步低温热处理的温度为700~800°C，保温7~9h ;第三步高温热处理的温度为1000~1050°C，保温15~17h。[0009]本发明通过高温热处理下控制硅片体内空位浓度和快速热处理下控制硅片体内间隙铜原子浓度来避免在直拉单晶硅片的洁净区区域形成铜沉淀。[0010]本发明样品在不同温度下引入铜沉淀，然后分别进行快速热处理和常规处理，通过观察铜沉淀在洁净区中的沉淀行为，发现了避免铜杂质在洁净区中沉淀的工艺:当硅片需要进行快速热处理时，应尽量避免在高温下引入铜杂质。
[0011]本发明的有益效果在于:根据直拉单晶硅片中引入铜杂质的温度不同，采取不同的热处理工艺，从而有效地避免洁净区中出现铜沉淀。该工艺对洁净区的保护效果好，重复性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下700~750°C热处理5~IOmin引入铜杂质的样品，再经过氮气氛下1050~1150°C保温2~4h的光学显微镜照片。
[0013]图2是将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下700~750°C热处理5~IOmin引入铜杂质的样品，再经过氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s的光学显微镜照片。
[0014]图3是将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下850~950°C热处理5~IOmin引入铜杂质的样品，再经过氮气氛下1050~1150°C保温2~4h的光学显微镜照片。
[0015]图4是将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下850~950°C热处理5~IOmin引入铜杂质的样品，再经过氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s的光学显微镜照片。
[0016]图5是将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下1050~1150°C热处理5~IOmin引入铜杂质的样品，再经过氮气氛下1050~1150°C保温2~4h的光学显微镜照片。
[0017]图6是将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下1050~1150°C热处理5~IOmin引入铜杂质的样品，再经过IS气氛保护下1200~1250°C保温30~60s的光学显微镜照片。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图进一步说明本发明。
[0019]在低温(700~750°C)下引入铜杂质的直拉单晶硅片，避免其洁净区中产生铜沉淀的热处理工艺，步骤如下:[0020]I)将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下700~750°C热处理5~IOmin引入铜杂质。
[0021]2)将经过步骤I)的直拉单晶硅片分别经过氮气氛下1050~1150°C保温2~4h和在氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s。将硅片解理，然后在stirl腐蚀液中腐蚀4min (体积比5mol/LCr203: 50%HF=1: I)。用光学显微镜观察硅片的截面微缺陷分布，并拍照。
[0022]图1和2是经过上述热处理步骤后的直拉单晶硅片截面微缺陷分布的光学显微镜照片。从图中可以看出，直拉单晶硅片在低温下引入铜沉淀后，无论经过普通热处理还是快速热处理，硅片体内都有高密度的缺陷形成，而近表面洁净区中都没有铜沉淀形成。在700°C以下温度引入铜杂质，铜杂质在硅片体内会以间隙铜原子或者复合体的形式存在，而不是以铜沉淀的形式存在，若后续进行常规热处理，间隙铜原子可以在体内高密度氧沉淀的吸杂作用下直接沉淀到硅片的体内区域，如图1所示。若后续进行快速热处理，在冷却过的过程中，铜沉淀大量形成，并向外释放大量间隙硅原子，这些间隙硅原子与快速热处理过程中形成的空位复合，极 大的降低了空位的浓度，空位的外扩散现象可以忽略。在空位的促进作用下和体内氧沉淀的吸杂作用下，铜沉淀形成在硅片的体内区域，洁净区没有遭到破坏。
[0023]在中温(850~950°C)下引入铜杂质的直拉单晶硅片，避免其洁净区中产生铜沉淀的热处理工艺，步骤如下:
[0024]I)将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下850~950°C热处理5~IOmin引入铜杂质
[0025]2)将经过步骤I)的直拉单晶硅片分别经过氮气氛下1050~1150°C保温2~4h和在氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s，将硅片解理，然后在stirl腐蚀液中腐蚀4min(体积比5mol/LCr203: 50%HF=1: I)。用光学显微镜观察硅片的截面微缺陷分布，并拍照。
[0026]图3和4是经过上述热处理步骤后的直拉单晶硅片截面微缺陷分布的光学显微镜照片。从图中可以看出，直拉单晶硅片在中温下引入铜沉淀后，经过后续的常规热处理，铜沉淀形成在硅片的体内区域，洁净区没有遭到破坏；而经过后续的快速热处理，整个硅片截面都有铜沉淀分布，洁净区遭到破坏。直拉单晶硅片在850~950°C下引入铜杂质，在随后的冷却过程中，间隙铜原子会在硅片体内高密度氧沉淀的吸杂作用下沉淀在硅片体内区域。当后续进行高温常规热处理时，会有少量铜沉淀发生溶解，但是在随后的冷去过程中，这些溶解后形成的间隙铜原子仍会在氧沉淀的吸杂作用下沉淀到硅片体内，洁净区中不会产生铜沉淀，如图3所示。当后续进行快速热处理时，部分铜沉淀溶解的同时，硅片体内会产生高浓度的空位，在随后的冷却过程中，体内高浓度的空位的外扩散作用和间隙铜原子的沉淀同时发生，促进了铜沉淀在洁净区中形成，如图4所示。
[0027]在高温(1050~1150°C)下引入铜杂质的直拉单晶硅片，避免其洁净区中产生铜沉淀的热处理工艺，步骤如下:
[0028]I)将经过高温(1000~1200°C保温2~5h)、低温(700~800°C保温7~9h)、高温(1000~1050°C保温15~17h)三步热处理的直拉单晶硅片经过铜沾污后，在氮气氛下1050~1150°C热处理5~IOmin引入铜杂质
[0029]2)将经过步骤I)的直拉单晶硅片分别经过氮气氛下1050~1150°C保温2~4h和在氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s，将硅片解理，然后在stirl腐蚀液中腐蚀4min (体积比5mol/LCr203: 50%HF=1: I)。用光学显微镜观察硅片的截面微缺陷分布，并拍照。[0030]图5和6是经过上述热处理步骤后的直拉单晶硅片截面微缺陷分布的光学显微镜照片。从图中可以看出，直拉单晶硅片在中温下引入铜沉淀后，经过后续的常规热处理，铜沉淀形成在硅片的体内区域，洁净区没有遭到破坏；而经过后续的快速热处理，整个硅片截面都有铜沉分布，洁净区遭到破坏。其原理与中温下引入铜沉淀相同。
【权利要求】
1.直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将直拉单晶硅片进行高温、低温、高温三步热处理，形成洁净区； 2)将经过步骤I)三步热处理的直拉单晶硅片铜沾污后分成三组，在氮气氛保护下，分别在700~750°C、850~950°C、1050~1150°C下热处理5~lOmin，以在直拉单晶硅片中引入铜杂质； 3)将经过步骤2)热处理的直拉单晶硅片分别在氮气氛保护下1050~1150°C保温2~4h和在氩气氛保护下1200~1250°C保温30~60s，观察直拉单晶硅中洁净区的形成情况。
2.如权利要求1所述直拉单晶硅中避免铜沉淀形成于洁净区的热处理方法，其特征在于在步骤I)中，所述高温、低温、高温三步热处理的具体条件为:第一步高温热处理的温度为1000~1200°C，保温2~5h ;第二步低温热处理的温度为700~800°C，保温7~9h ;第三步高温热处理的温度为·1000~1050°C，保温15~17h。
【文档编号】C30B33/02GK103526298SQ201310487182
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】徐进, 吉川, 张光超, 谢婷婷 申请人:厦门大学