專利名稱：形成具有潔凈區(qū)的硅片的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于制備在制造電子元件中使用的半導(dǎo)體材料襯底，特別是硅片，的方法和裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種單晶硅片及用于制備它的方法。這種晶片具有一個在實質(zhì)上任何電子器件制造工藝的熱處理周期(循環(huán))中形成的理想的氧析出物非均勻深度分布的潔凈區(qū)(denuded zone)。此外，該晶片可包括至少一個主表面，該主表面具有一個淀積于其上的外延層。
作為用來制造半導(dǎo)體電子元件的大多數(shù)工藝的原材料，單晶硅通常用直拉法(Czochralski法)制備。在該方法中，將多晶硅(“聚硅”)裝入坩堝并熔化，使籽晶與熔融硅接觸，并通過緩慢提拉生長單晶。在提拉工藝過程中要形成的晶體第一部分是一個細的晶頸。在晶頸的形成完成之后，通過降低拉晶速度和/或熔體溫度使晶體直徑擴大，直至達到所希望的或目標(biāo)直徑。然后通過控制拉晶速度和熔體溫度生長具有近似恒定直徑的圓柱形晶體主體，同時補充下降的熔體液位。在生長過程接近結(jié)束，但在坩堝排空熔體硅之前，逐漸縮小晶體直徑，以便形成一個端錐(尾錐)。通常，端錐是通過增加晶體拉速和向坩堝供給熱量形成的。當(dāng)直徑變得足夠小時，則使晶體與熔體分離。
隨著晶體在固化之后冷卻，在晶體生長室中單晶硅中形成許多缺陷。這些缺陷的出現(xiàn)部分是由于存在過量(亦即，高于溶度限的濃度)的本征點缺陷，這些本征點缺陷通稱為晶格空位和硅自填隙。從熔體中生長的硅晶體，通常生長帶有過量的一種類型或另一種類型本征點缺陷。已經(jīng)提出，硅中這些點缺陷的類型和初始濃度決定于固化之時，并且，如果這些濃度達到系統(tǒng)中臨界過飽和的水平并且點缺陷的遷移率(淌度)足夠高，則反應(yīng)(或附聚現(xiàn)象)將易于發(fā)生。在直拉硅中附聚的本征點缺陷密度通常是在約1×103/cm3-約1×107/cm3范圍內(nèi)。盡管這些數(shù)值比較低，但附聚的本征點缺陷對器件制造者來說，具有快速增加的重要性，并且事實上，現(xiàn)在看作是在器件制造過程中限制產(chǎn)量的因素；及可能嚴重影響在生產(chǎn)復(fù)雜和高集成度電路中的材料的產(chǎn)量潛力。
一種特別成問題的缺陷類型是存在晶體原生凹坑(“COPs”)。這種類型缺陷的來源是硅晶格空位的附聚。更具體地說，當(dāng)硅晶格空位在硅錠內(nèi)附聚時，它們形成空隙。隨后，當(dāng)晶錠被切片成晶片時，這些空隙在晶片表面上作為凹坑暴露并顯現(xiàn)出來。這些凹坑稱作COPs。
迄今為止，一般有三個主要途徑來處理附聚的本征點缺陷問題。第一個途徑包括一些關(guān)注拉單晶技術(shù)(工藝)的方法，以減少晶錠中附聚的本征點缺陷數(shù)量密度。這個途徑可以進一步細分成具有導(dǎo)致形成空位為主的材料的拉晶條件的那些方法，和具有導(dǎo)致形成自填隙為主的材料的拉晶條件的那些方法。例如，已提出，附聚的缺陷數(shù)量密度可通過下述方法減少(i)控制v/G0(此處v是生長速度，G0是平均軸向溫度梯度)，以生長一種其中晶格空位是主要本征點缺陷的晶體，和(ii)在拉單晶工藝過程中通過改變(一般，通過緩慢降低)從約1100℃到約1050℃的硅錠的冷卻速率來影響附聚的缺陷成核速率。盡管這種途徑減少了附聚的缺陷數(shù)量密度，但是不能防止它們的形成。隨著器件制造者所提的要求變得越來越嚴格，這些缺陷的存在將繼續(xù)成為更多問題。
另外的建議是在晶體主體生長過程中將拉晶速度降低到一個小于約0.4mm/min的值。然而，這種建議也不能令人滿意，因為這種緩慢的拉晶速度導(dǎo)致降低了每臺拉晶機的生產(chǎn)率。更重要的是，這種拉晶速度導(dǎo)致形成具有高濃度自填隙的單晶硅。這種高濃度本身又導(dǎo)致形成附聚的自填隙缺陷以及所有與這種缺陷有關(guān)的問題。
處理附聚的本征點缺陷問題的第二個途徑包括一些關(guān)注在附聚的本征點缺陷形成之后溶解或湮沒(消除)它們的方法。一般，這是通過用高溫?zé)崽幚砭问降墓鑱磉_到的。例如，在歐洲專利申請NO.503816A1中，F(xiàn)usegawa等提出在超過0.8mm/分的生長速率下生長硅錠，并在溫度范圍為1150℃-1280℃的溫度范圍內(nèi)熱處理從硅錠切片的晶片，以便減少晶片表面附近一個薄區(qū)域中的缺陷密度。所需的特殊處理將根據(jù)晶片中附聚的本征點缺陷濃度和位置而改變。從這種缺陷的軸向濃度不均勻的晶體上切成的不同晶體，可能需要不同的后生長處理條件。另外，這類晶片熱處理費用比較高，存在將金屬雜質(zhì)引入硅片的可能性，并且不是對所有類型的與晶體有關(guān)的缺陷都普遍有效。
處理附聚的本征點缺陷的第三個途徑是將一個薄的結(jié)晶硅層外延淀積到單晶硅片表面上。這種方法提供一種單晶硅片，該單晶硅片具有一個基本上沒有附聚的本征點缺陷的表面。然而，用傳統(tǒng)的外延淀積技術(shù)大大增加了晶片的成本。
除了含有上述附聚的點缺陷之外，用直拉法制備的單晶硅通常還含有各種雜質(zhì)，其中主要是氧。這種玷污例如是在熔融硅裝在石英坩堝中時發(fā)生。在硅熔融體的溫度下，氧進入硅晶格，直至達到一個濃度，該濃度由在熔融體溫度下氧在硅中的溶解度和氧在固化硅中的實際偏析系數(shù)決定。這種濃度大于制造電子器件工藝的典型溫度下氧在固體硅中的溶解度。這樣，隨著晶體從熔融體中生長并冷卻時，其中氧的溶解度迅速下降。這最終造成晶片含有過飽和濃度的氧。
在電子器件制造中通常應(yīng)用的熱處理周期(循環(huán))，可以引起其中氧過飽和的硅片中的氧析出。視析出物在晶片中的位置而定，析出物可以是有害的或是有益的。位于晶片有源器件區(qū)域的氧析出物可能損害器件的工作。然而，位于晶片體部中的氧析出物能夠捕獲可能與晶片接觸的不希望有的金屬雜質(zhì)。利用位于晶片體部中的氧析出物來捕獲金屬通常稱做內(nèi)部或本征吸雜(“IG”)。
歷史上，電子器件制造工藝包括一系列步驟，這些步驟用來生產(chǎn)這樣一種硅，該硅在晶片表面附近具有一個無氧析出物的區(qū)域(通常叫做“潔凈區(qū)”或“無析出物區(qū)域”)，同時晶片的其余部分(亦即，晶片體部)含有足夠量的氧析出物，用于IG目的。例如，潔凈區(qū)在高-低-高的熱順序中形成，如(a)在惰性氣體中于高溫(＞1100℃)下氧外擴散熱處理至少約4小時的時間，(b)在低溫(600-750℃)下氧析出物核形成，和(c)在高溫(1000-1150℃)下生長氧析出物(SiO2)。見，比如，F(xiàn).Shimura，半導(dǎo)體硅晶體工藝學(xué)，PP.361-367(Academic Press，Inc.，San Diego CA，1989)(及其中所列舉的參考文獻)。
然而，新近，一些先進的電子器件制造工藝，如DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)制造工藝已開始將高溫工藝步驟的使用減至最少。盡管這些工藝中某一些工藝保留足夠的高溫工藝步驟，來產(chǎn)生潔凈區(qū)和足夠的體部析出物密度，但對材料的容限要求太嚴，以致不能得到商業(yè)上可行的產(chǎn)品。另一些目前十分先進的電子器件制造工藝根本不包含外擴散步驟。由于存在與源器件區(qū)域中氧析出物有關(guān)的問題，因此，這些電子器件的制造者必需使用這樣的硅片，這些硅片在它們的工藝條件下，在晶片中的任何地方都不能形成氧析出物。結(jié)果，所有IG潛力都喪失了。
本發(fā)明的一個方面包括提供一種處理半導(dǎo)體晶片的方法，以便通過在一個室中加熱和冷卻晶片產(chǎn)生一個潔凈區(qū)，上述室具有一個熱源和一個環(huán)形晶片支承件。該方法包括將半導(dǎo)體晶片安放在一個室中，該室具有一個內(nèi)部、一個可操作地與該內(nèi)部連結(jié)的熱源和一個設(shè)置在該內(nèi)部的環(huán)形晶片支承件。將晶片在室內(nèi)部加熱到至少約1175℃的溫度，并在此之后以至少約10℃/秒的速率冷卻直至晶片具有低于約850℃的溫度。在冷卻過程中，晶片支靠在環(huán)形支承件上，因而只有晶片的周邊部分與上述支承件接觸。
本發(fā)明的另一方面包括一種用于處理半導(dǎo)體晶片以形成潔凈區(qū)的裝置。該裝置包括一個室，該室具有一個由室壁限定的內(nèi)部和一個可選擇性打開的門，其中室內(nèi)部在操作過程中與其外部密封。一個熱源可操作地與該室連結(jié)，用于選擇性地加熱室內(nèi)部中的內(nèi)裝物。一個晶片支承件包括一個環(huán)形圈，用于在其上安放一個晶片，以便在晶片處于室內(nèi)部的至少一部分時間中，環(huán)形圈與晶片成支承關(guān)系。一個第一支承裝置與環(huán)形圈接合，用于支承環(huán)形圈，使環(huán)形圈與室壁成間隔開的關(guān)系。
另一些目的和特點一部分將是顯而易見的，一部分將在下面指出。
圖2示出一種可以按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例制備的晶片的氧析出物分布。
圖3示出一種可以按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例制備的晶片的氧析出物分布，此處原材料是富含空位的單晶硅片。
圖4是反應(yīng)器中用于將晶片設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的機構(gòu)的示意圖。在該圖中，襯托器支承軸105和晶片升起軸107都處于晶片高架(升高)位置。
圖5是反應(yīng)器中用于將晶片設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的機構(gòu)的示意圖，其中襯托器支承軸105和晶片升起軸107都處于晶片加熱位置。
圖6是反應(yīng)器中用于將晶片設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的晶片支承件的平面示意圖。
圖7是反應(yīng)器示意圖，該反應(yīng)器部分切去以便示出內(nèi)部詳細情況。
圖8是示出晶片在各種晶片支承結(jié)構(gòu)(配置)上冷卻速率的計算機模擬曲線圖。
圖9是示出BMD水平隨均熱溫度變化的曲線圖。
優(yōu)選實施例詳細說明按照本發(fā)明，開發(fā)了一種新型而有用的單晶硅片，該單晶硅片可包括至少一個具有外延硅層淀積于其上的表面和至少一個潔凈區(qū)，它們在一個室中形成。晶片的外延表面沒有晶體原生凹坑，并且晶片包括一個“樣板”(模板，template)，該“樣板”確定當(dāng)晶片在電子器件制造工藝過程中加熱時氧將析出的方式。這樣，在實質(zhì)上任何電子器件制造工藝的加熱步驟過程中，硅片將形成(a)一個足夠深度的潔凈區(qū)，和(b)一個含有足夠的用于IG目的的氧析出物密度的晶片體部。另外，按照本發(fā)明，已開發(fā)出了一種用于制備這種單晶硅片的新型方法。該方法使用半導(dǎo)體硅制造工業(yè)中通用的設(shè)備幾分鐘內(nèi)就可以完成，并因此省去了價格昂貴的制造設(shè)備，即RTA(快速熱退火)。A.原材料(起始材料)用于本發(fā)明理想析出晶片的原材料是單晶硅片，該單晶硅片是從一單晶硅錠上切片而成的，該單晶硅錠按照任何直拉晶體生長法的常規(guī)變化生長。該方法，以及標(biāo)準的硅切片、研磨、腐蝕和拋光技術(shù)，在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并在例如F.Shimura所著“半導(dǎo)體硅晶體工藝”(AcademicPress，1989)；和“硅化學(xué)腐蝕”(J.Grabmaier編輯，Springer-Verlag，NewYork，1982)中公開了。
參見

圖1，晶片1優(yōu)選的是具有一前表面3、一后表面5，和在前表面和后表面之間的一個假想中央平面7。術(shù)語“前”和“后”在本文中用來區(qū)分晶片1的兩個主要的、一般是平的表面。晶片1的前表面3(正如此處采用的這種術(shù)語)不一定是隨后電子器件將在其上面制造的表面，而晶片1的后表面5(正如此處采用的這種術(shù)語)也不一定是晶片1的與其上制有電子器件的表面相反的主表面。此外，由于硅片通常具有某種總厚度變差(變化)(TTV)、翹曲和彎曲，所以前表面上的每個點和后表面上每個點之間的中點可能不會精確地落在一個平面內(nèi)。然而，根據(jù)實際情況，TTV、翹曲和彎曲通常是如此之輕微，以致對一種接近近似法來說，可以把各個中點說成都落入一個假想的中央平面，該假想的中央平面在前表面和后表面之間近似地是等距離的。
晶片可以含有一種或一種以上摻雜劑，以使晶片具有各種所希望的性質(zhì)。例如，晶片可以是P型晶片(亦即，已用周期表中第3族元素，最常用的是硼，摻雜的晶片)或者是N型晶片(亦即，已用周期表中第5族元素，最常用的是砷，摻雜的晶片)。優(yōu)選的是，晶片是一種具有電阻率范圍在約0.01和約50Ω-cm之間的P型晶片。在一個特別優(yōu)選的實施例中，晶片是一種具有電阻率范圍在約1和約20Ω-cm之間的P型晶片。
由于晶片用直拉法制備，所以它通?？梢跃哂袕募s5×1017至約9×1017原子/cm3(ASTM標(biāo)準F-121-83)任何地方的氧濃度。晶片的氧析出行為變得實質(zhì)上與理想析出的晶片中氧濃度脫離聯(lián)系；這樣，起始晶片可能具有落入用直拉法能達到的范圍之內(nèi)任何含量或甚至在上述范圍之外的氧濃度。此外，視單晶硅錠從硅的熔點(亦即，約1410℃)達到范圍在約750℃-約350℃之間的冷卻速率而定，可以形成氧析出成核中心。如果這些中心能夠通過在不超過約1250℃的溫度下熱處理硅來熔解，則在原材料中有沒有這些成核中心對本發(fā)明來說通常不是關(guān)鍵。
本發(fā)明在富空位晶片原材料情況下使用時特別有用。術(shù)語“富空位晶片”指的是含有比較大量晶格空位附聚的晶片。這些附聚通常具有八面體結(jié)構(gòu)。在晶片體部中，這些附聚形成空隙；而在晶片表面處，它們形成COPs。在富空位晶片內(nèi)晶格空位附聚的密度通常是從約5×105到約1×106/cm3，而在這些晶片表面上的COPs面積密度通常是從約0.5到約10COPs/cm2。由于這些晶片可以從比較低成本的工藝(比如，傳統(tǒng)的敞開結(jié)構(gòu)直拉法)形成的硅錠上切片而成，所以這些晶片是特別優(yōu)選的原材料。B.外延淀積按照本發(fā)明制備的單晶硅片，如果想要的話，可以附加地包括一個具有一個淀積于其上的外延硅層的表面。該外延層可以淀積到整個晶片上，或者可供選擇地，只淀積到其中一部片晶片上。參見圖1，外延層優(yōu)選的是淀積到晶片的前表面3上。在一個特別優(yōu)選的實施例中，它淀積到晶片的整個前表面3上。是否它優(yōu)選地具有一個淀積到晶片任何其它部分上的外延層，將取決于晶片的預(yù)定用途。對大多數(shù)應(yīng)用來說，在晶片的任何其它部分上有沒有外延層不是關(guān)鍵。
如前所述，用直拉法制備的單晶硅片，在它們的表面上常常有COPs。然而，用于集成電路制造的晶片一般要求具有一個無COPs的表面。具有這種無COPs表面的晶片可以通過將外延硅層淀積到晶片表面上制備。這種外延層填入COPs并最終產(chǎn)生一種平滑的晶片表面。這已是近來科學(xué)研究的課題。見Schmolke等人的，The Electrochem.Soc.Proc.，vol.PV98-1，p.855(1998)；Hirofumi等人的，Jpn.J.Appl.Phys.，vol.36，p.2565(1997)。晶片表面上的COPs可以通過用至少約0.1μm厚度的外延硅層消除。優(yōu)選的是，外延層具有厚度范圍在約0.1μm和約2μm之間。更優(yōu)選的是，外延層具有厚度范圍在約0.25和約1μm之間，而最優(yōu)選的是厚度范圍在約0.65和約1μm之間。
應(yīng)該注意，如果除了消除COPs之外還用外延層把電學(xué)性質(zhì)賦予晶片表面，則外延層的優(yōu)選厚度可以改變。例如，用一個外延層可以達到精密控制晶片表面附近的摻雜劑濃度分布。在外延層用于除了消除COPs之外的目的時，這個目的可能要求外延層厚度大于用來消除COPs的優(yōu)選厚度。在這種情況下，優(yōu)選的是使用能達到該附加所要效果的最小厚度。在晶片上淀積較厚的一層一般是商業(yè)上較少希望的，因為形成較厚的一層要求更多的淀積時間和更經(jīng)常清洗反應(yīng)容器。
如果晶片在其表面上具有一個天然的氧化硅(硅氧化物)層(亦即，當(dāng)硅在室溫下暴露于空氣中時，在硅表面上形成的氧化硅層，并且一般具有約10-約15的厚度)，則氧化硅層優(yōu)選的是在外延層淀積到晶片表面上之前從該晶片表面除去。正如此處所用的，術(shù)語“氧化硅層”指的是一層化學(xué)上結(jié)合到氧原子上的硅原子。通常，這種氧化物層對每個硅原子含有約2個氧原子。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，除去氧化硅層是通過在無氧化劑氣氛中加熱晶片表面直至從表面除去氧化硅層來實現(xiàn)的。更具體地說，晶片的表面優(yōu)選的是加熱到至少約1100℃的溫度，而更優(yōu)選的是加熱到至少約1150℃的溫度。這種加熱優(yōu)選的是在晶片表面暴露于包括H2或一種稀有氣體(比如，He、Ne或Ar)的氣氛中時進行的。更優(yōu)選的是，該氣氛包括H2。最優(yōu)選的是，該氣氛主要是由H2組成，因為用其它氣氛易于引起腐蝕凹坑在晶片的表面中形成。
傳統(tǒng)上，外延淀積方案是通過在H2存在下加熱晶片除去氧化硅層，這些方案包括將晶片加熱到高溫(比如，約900℃-約1250℃)，和然后在那個溫度下烘烤一段時間(比如，通常高達約90秒鐘)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果將晶片表面加熱到約1100℃(而更優(yōu)選的是，約1150℃)，則氧化硅層在沒有后續(xù)烘烤步驟的情況下就被除去，因而省去了烘烤步驟。省去烘烤步驟縮短了制備晶片所需的時間，因此是商業(yè)上所希望的。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，優(yōu)選的是加熱晶片表面以除去氧化硅層，然后在除去氧化硅層之后開始硅淀積少于30秒鐘(更優(yōu)選的是在約10秒之內(nèi))。一般，這可以通過將晶片表面加熱到至少約1100℃(更優(yōu)選的是至少約1150℃)的溫度，和然后在晶片表面達到那個溫度之后開始硅淀積少于30秒鐘(更優(yōu)選的是在約10秒鐘之內(nèi))來實現(xiàn)。在除去氧化硅層之后，等待開始硅淀積高達約10秒鐘，能使晶片的溫度穩(wěn)定并變得均勻。
在除去氧化硅層過程中，晶片優(yōu)選的是以不引起滑移的速率加熱。更準確地說，如果晶片加熱太快，將會產(chǎn)生一個熱梯度，該熱梯度將產(chǎn)生一個內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力足以使晶片內(nèi)的不同平面彼此相對地移動(亦即，滑移)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，輕摻雜的晶片(比如，晶片用硼摻雜并具有電阻率為約1-約10Ω-cm)特別容易滑移。為了避免這個問題，晶片優(yōu)選的是以一個范圍在約20和約35℃/秒之間的平均速率從室溫加熱到氧化硅除去的溫度。優(yōu)選的是，這種加熱是通過將晶片暴露于輻射能如來自鹵素?zé)舭l(fā)出的光中來實現(xiàn)。
外延淀積優(yōu)選的是用化學(xué)汽相淀積法進行。一般說來，化學(xué)汽相淀積包括在一個外延淀積反應(yīng)器，比如，在EPI CENTURA反應(yīng)器(AppliedMaterials，Santa Clara，CA)內(nèi)，將晶片表面暴露于包括硅的氣氛中。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，晶片的表面暴露于包括一種揮發(fā)性氣體的氣氛，該揮發(fā)性氣體包括硅(比如，SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl或SiH4)。通過一個入口裝置(未示出)將該氣體加入室中，該入口裝置在流體源和該室之間連通。室90由一外殼(殼體)限定，外殼總體用89表示，它包括多個壁91、92、93、94、95和96，壁96形成室的底部。外殼還包括一個可選擇地打開和關(guān)閉的門97，當(dāng)門關(guān)閉時，室90與外部密封，以便可以保持與外部的壓差和/或防止在晶片處理過程中不希望的流體進出。另外氣氛優(yōu)選的是含有一種載氣(優(yōu)選的是H2)。在一個實施例中，在外延淀積過程中的硅源是SiH2Cl2或SiH4。如果用SiH2Cl2，淀積過程中反應(yīng)器的真空壓力優(yōu)選的是約500-約760乇。另一方面，如果用SiH4，則反應(yīng)器的壓力優(yōu)選的是約為100乇。最優(yōu)選的是，淀積過程中的硅源是SiHCl3。這種硅源往往比其它硅源便宜得多。此外，用SiHCl3外延淀積可以在大氣壓下進行。這是有利的，因為不需要真空泵，并且反應(yīng)器室不必為防止塌陷而做得那樣堅固。而且，存在很少的安全危險，并減少了空氣或其它氣體漏入反應(yīng)器的機會。
在外延淀積過程中，晶片表面的溫度優(yōu)選的是保持在足以防止含硅的氣氛將多晶硅淀積在該表面上的溫度下。一般，在這段時間里表面溫度優(yōu)選的是至少約900℃。更優(yōu)選的是，表面溫度范圍保持在約1050和約1150℃之間。最優(yōu)選的是，表面溫度保持在氧化硅除去的溫度下。
當(dāng)在大氣壓下進行淀積時，外延淀積的生長速率優(yōu)選的是約3.5-約4.0μm/min。這可以例如用主要是由約2.5摩爾％SiHCl3和約97.5摩爾％H2構(gòu)成的氣氛，在約1150℃溫度和絕對壓力高達約1atm下來實現(xiàn)。
如果晶片的預(yù)定應(yīng)用要求外延層包括摻雜劑，則含硅的氣氛優(yōu)選的是也含有摻雜劑。例如，外延層常常優(yōu)選的是含有硼。這一層可以通過例如在淀積過程中的氣氛里包括B2H6來制備。在需要得到所希望性質(zhì)(比如，電阻率)的氣氛中，B2H6的摩爾分數(shù)取決于幾個因素，如在外延淀積期間從特殊襯底向外擴散的硼量、在反應(yīng)器和襯底中作為污染物存在的P型摻雜劑量、及反應(yīng)器的壓力和溫度。通過采用在約1125℃的溫度和約1atm(壓力計壓力或絕對壓力)下含約0.03ppm B2H6(亦即，大約每1000000摩爾氣體總量中含0.03摩爾B2H6)，可得到具有電阻率約為10Ω-cm的外延層。
一旦形成具有所希望厚度的外延層，則含硅的氣氛優(yōu)選的是用一種稀有氣體(比如，Ar、Ne或He)或H2驅(qū)氣清洗，而最優(yōu)選的是用H2驅(qū)氣清洗。此后，優(yōu)選的是將晶片冷卻到不大于700℃的溫度，然后從外延淀積反應(yīng)器中取出。
常規(guī)外延淀積方案通常包括在外延淀積之后的一個外延后清洗步驟，以便除去在外延淀積過程中所形成的副產(chǎn)品。用這個步驟來防止與時間有關(guān)的薄霧(haze)，如果這種副產(chǎn)品與空氣起反應(yīng)，則產(chǎn)生這種薄霧。此外，許多外延后清洗技術(shù)往往會在外延表面上形成氧化硅層，該氧化硅層趨于鈍化(亦即，保護)外延表面。常規(guī)的外延后清洗方法要求例如將外延表面浸入任何一種本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的清洗液中。這些清洗液包括，例如piranha混合物(亦即，硫酸與過氧化氫的混合物)、SC-1混合物和SC-2混合物。許多這種外延后清洗步驟要求至少5分鐘完成。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在進行下一步驟(亦即，下面所討論的熱處理步驟)之前，外延后清洗步驟一般不需要。這是由于熱處理步驟是在含氧化劑，優(yōu)選的是含氧氣的氣氛中進行的。氧化劑往往會與淀積之后留在晶片表面上的外延淀積副產(chǎn)物起反應(yīng)。這種氧化劑和副產(chǎn)物之間的反應(yīng)產(chǎn)生從晶片表面解吸的揮發(fā)性物質(zhì)。除了除去外延淀積副產(chǎn)物之外，氧化劑還在外延層上形成使外延層鈍化的氧化物層。因此，沒有必要在進行本方法的下一個步驟之前采用常規(guī)的外延后清洗處理(尤其是包括使晶片與外延后清洗液接觸的處理)。
C.在后面的熱加工步驟中影響氧在晶片中析出性能(行為)的熱處理如果提供外延淀積，則在外延淀積之后，將晶片進行處理，以在晶片內(nèi)形成一個晶格空位樣板，當(dāng)晶片進行熱處理時，例如在實質(zhì)上任何電子器件制造工藝的熱處理周期中，上述樣板使晶片內(nèi)形成一個理想的氧析出物的不均勻深度分布。圖2示出一種這樣的用本發(fā)明可以形成的氧析出物分布。在這個特別的實施例中，晶片1特征在于具有基本上沒有氧析出物的區(qū)域15和15’(“潔凈區(qū)”)。這些區(qū)域分別從前表面3和后表面5延伸到一個深度t和t’。優(yōu)選的是，t和t’每個都在約10和約100μm之間的范圍內(nèi)，而更優(yōu)選的是在約50和約100μm之間的范圍內(nèi)。在無氧析出物區(qū)域15和15’之間，有一個含基本上均勻氧析出物濃度的區(qū)域17。對大多數(shù)應(yīng)用來說，區(qū)域17中的氧析出物濃度至少約為5×108析出物/cm3，而更優(yōu)選的是1×109析出物/cm3。應(yīng)該理解，圖2的目的是通過僅僅示出本發(fā)明的一個實施例，來幫助該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明。本發(fā)明不限于這個實施例。例如，還可以用本發(fā)明來形成只有一個潔凈區(qū)15(而不是兩個潔凈區(qū)15和15’)的晶片。
為了形成晶格空位樣板，晶片一般是首先加熱，然后以至少約10℃/秒的速率冷卻。加熱晶片的目的是(a)在晶格中形成在整個晶片中均勻分布的自填隙和空位對(亦即，F(xiàn)renkel(弗倫克爾)缺陷)，和(b)溶解存在于晶片中的任何不穩(wěn)定的氧析出物成核中心。一般，加熱到更高溫度造成大量的Frenkel缺陷形成。冷卻步驟的目的是產(chǎn)生不均勻的晶格空位分布，其中空位濃度在或靠近晶片中央處最大，并朝晶片表面方向上減少。這種晶格空位的不均勻分布是由于在冷卻下來過程中晶片表面附近的一部分空位擴散到表面并因而變湮沒，造成在表面附近空位濃度較低而引起的。
當(dāng)晶片基本上象例如用晶片制造電子元件時那樣加熱時，不均勻的空位分布本身是用于氧析出作用的樣板。具體地說，當(dāng)晶片1(見圖2)加熱時，氧將快速集結(jié)，以在晶片1的含有高濃度空位的區(qū)域17中形成析出物52，但在含較低濃度空位的晶片表面3和5附近的區(qū)域15和15’中往往不會集結(jié)。通常，氧在約500℃和約800℃之間范圍內(nèi)的溫度下成核，及在約700℃和約1000℃之間范圍內(nèi)的溫度下生長析出物。因此，例如在電子器件制造工藝的熱處理周期中，倘若這種熱處理周期經(jīng)常在800℃附近的溫度下進行，則可以在晶片中形成氧析出物52的不均勻分布。
如上所述，本發(fā)明可以有利地用來處理一種富空位晶片原材料，這種富空位晶片原材料在其表面上具有比較大量的COPs，和在其體部內(nèi)具有比較大量的空隙。圖3示出按照本發(fā)明由富空位晶片原材料制備和然后熱處理形成氧析出物的外延晶片的晶格空位附聚物51和氧析出物52的分布情況。外延層50是在晶片1的外表面3、4和6上(在這個特定的實施例中，后表面5上沒有外延層)。由于外延層填充COPs，所以晶片具有平滑而無COPs的表面2和8。氧析出物52的分布與圖2中的氧析出物分布情況相同，并且足夠用于本征吸雜。由于存在外延層50，該外延層50在表面2和8及附聚物51之間起一個阻擋層作用，所以完全在晶片1體部內(nèi)的空位附聚物51的分布(亦即，體部內(nèi)的空隙分布)在本發(fā)明的整個工藝中都基本上保持相同(亦即，濃度保持約5×104-約1×106/cm3)，并且不趨于影響晶片的表面2和8。因此，該晶片制造工藝在商業(yè)上是有用的，部分地是由于它能用富空位原材料形成具有本征吸雜和無COP表面以及一個或一個以上潔凈區(qū)的的硅片，這種晶片可以用較低成本和較少費用的設(shè)備制備。
加熱和快速冷卻形成潔凈區(qū)是在EPI形成室中進行的，其中晶片用合適的熱源加熱，該熱源可操作地與該室連結(jié)。如果形成有外延層的話，那么潔凈區(qū)的形成在外延層形成之后完成，以保持潔凈區(qū)的效用。合適的熱源是成排的大功率燈，如在快速熱退火(“RTA”)爐中所用的那些。這些燈能快速加熱硅片。例如，許多能在幾秒鐘內(nèi)將晶片從室溫加熱到1200℃。商用RTA爐的例子包括可從AG Associates(Mountain View，CA)獲得的610型爐和可從Applied Materials(Santa Clara，CA)獲得的CENTURARTP(快速熱處理)爐。
加熱和快速冷卻形成潔凈區(qū)在外延淀積反應(yīng)器中進行。這能省去一第二加熱室和消除為從EPI室轉(zhuǎn)移到RTA而操縱晶片。一個熱源可操作地與內(nèi)部室90連結(jié)，并如圖所示包括一排大功率燈99，如安裝在內(nèi)部室90中的鹵素?zé)?。打開燈99以用光能加熱晶片1，同時晶片1用支承件101支承在工藝(處理)位置(圖7)。優(yōu)選的是，支承件101和晶片被適合的驅(qū)動裝置100旋轉(zhuǎn)，同時晶片被加熱，以使晶片在它的整個寬度上更均勻地被加熱。這些燈可以是用于此前加熱步驟的燈。參見圖4-7，外殼89包括支承件101，用于在加熱和冷卻以形成潔凈區(qū)期間支承晶片。為了實施快速冷卻，晶片必需至少是在冷卻期間與支承裝置或其它具有高熱容的元件間隔開。為了改善在整個晶片1寬度上的溫度均勻性，可以將一個加熱的物體或襯托器102設(shè)置在晶片1附近，并且在加熱或處理過程中與晶片成直接輻射熱傳遞關(guān)系。如果用襯托器102，則晶片1和襯托器之間的間距范圍應(yīng)在約2mm和約30mm之間。如果用襯托器，則它優(yōu)選的是在冷卻過程中移離晶片1，以增加冷卻速率。在優(yōu)選實施例中支承件101是一個環(huán)形圈，該環(huán)形圈優(yōu)選的是用一種耐熱材料如石英和/或SiC制造，這種耐熱材料也抗污染晶片1。支承件101具有一個稍小于晶片1的開口103，二者優(yōu)選的都是圓形，此處晶片搭放在支承件的一部分上表面104上。中央開口103的直徑小于晶片的直徑，而支承件101只接觸晶片1周邊或邊緣區(qū)105的其中一小部分，優(yōu)選的是小于距晶片邊緣約5mm。邊緣區(qū)105是一個切除區(qū)，將作為廢料(切邊)修整掉，因此它的性質(zhì)不重要。支承件101安放在托架107內(nèi)的開孔106中。
如圖所示，支承件101通過支承裝置適當(dāng)?shù)刂С性谑?0中，在所示結(jié)構(gòu)中支承裝置包括多個柱銷或柱體109，柱銷或柱體109將支承件101定位成與壁91-96和門97成間隔開的關(guān)系。柱銷109以直立的方向安裝在一個臺架111上，該臺架111包括多個(數(shù)量上優(yōu)選的是三個)臂112。臂112本身又安裝在軸115上，該軸115連接到驅(qū)動裝置100上，后者用于使軸和支承件101并因此使晶片1旋轉(zhuǎn)。襯托器102可以安裝在軸115、支承件101或臺架111上，只要至少是在冷卻過程中保持與晶片間隔開。在外延涂層處理過程中使晶片1到襯托器102的間距接近，可以減少晶片1后表面上涂層的量。
升降銷120安裝在支承件101上，并可在支承件的孔122內(nèi)軸向運動。升降銷120可操作使晶片1上升和下降，用于借助一葉片121裝上和卸下晶片。柱銷120具有擴大的頭部124，防止柱銷掉落到孔122外部。柱銷120還具有下端126，每個下端126都可與相應(yīng)的支腳128接合。如圖所示，支腳128安裝在臂130上(二者在數(shù)量上優(yōu)選的是三個)，臂130本身又安裝在軸132上。軸132可軸向運動地安裝在軸115上，用于相對軸向運動。驅(qū)動裝置如氣壓缸135可操作地連接到軸115、132上，以便由其實施有選擇的軸向運動。另外，軸132將和軸115一起旋轉(zhuǎn)，以防止臂112和柱銷120之間的干涉。
晶片1的冷卻必需快速，冷卻速率至少約10℃/秒，優(yōu)選的是至少約15℃/秒，更優(yōu)選的是至少約20℃/秒，和還要優(yōu)選的是至少約50℃/秒。本發(fā)明利用支承件101來實現(xiàn)這一目的。通過使晶片1的相對的面3、5或4、6的主要大部分與室90的氣態(tài)環(huán)境接觸，而不是與固體或高熱容支承件接觸，來實現(xiàn)快速冷卻。
對大多數(shù)應(yīng)用，晶片1優(yōu)選的是在氧化性氣氛中加熱到至少約1175℃的均熱溫度，以便形成潔凈區(qū)。更優(yōu)選的是加熱到在約1200℃和約1250℃之間范圍內(nèi)的均熱溫度。這里所公開的晶片溫度是利用測溫裝置如高溫計測量的表面溫度。一旦晶片的溫度達到優(yōu)選的均熱溫度，優(yōu)選的是使晶片溫度在該均熱溫度下保持一段時間。優(yōu)選的均熱時間量一般是在約5和約30秒鐘之間的范圍內(nèi)。晶片優(yōu)選的是在均熱溫度下保持約5和約10秒鐘之間的范圍內(nèi)。對于較慢的冷卻速率，可以在冷卻步驟之前將晶片加熱到較高的溫度，以產(chǎn)生較高濃度的硅晶格空位。
圖8和9示出本發(fā)明的結(jié)果。圖8是計算機模擬示出各種晶片/支承件配置的冷卻速率差別。曲線1表示當(dāng)晶片在襯托器上冷卻時計算出的冷卻晶體的溫度/時間關(guān)系。曲線2表示當(dāng)晶片在柱銷上但被升高或稍與襯托器分開冷卻時計算出的冷卻晶體的溫度/時間關(guān)系。曲線3表示在沒有襯托器情況下晶片在支承件101上冷卻時計算出的冷卻晶片的溫度/時間關(guān)系。圖8表明，與在襯托器上冷卻相比，在一環(huán)形支承件上冷卻的冷卻速率顯著增加。圖9示出在柱銷上快速冷卻的三種不同原材料A，B，C所產(chǎn)生的BMD(體部微缺陷)和均熱溫度之間的關(guān)系。材料A含有13ppma(百萬分之一填隙氧原子)，材料B含有10ppma和材料C含有14.8ppma。曲線示出用不同原材料和不同均熱溫度產(chǎn)生BMD的效率。BMD的產(chǎn)生對于提高晶片1的質(zhì)量是所希望的。
在晶片1熱處理之后，將晶片如上所述快速冷卻。這個冷卻步驟可以很方便地在進行熱處理的外殼89中進行?？晒┻x擇地，冷卻優(yōu)選的是在不與晶片表面起反應(yīng)的氣氛中進行?？焖倮鋮s速率優(yōu)選的是當(dāng)晶片的溫度下降經(jīng)過晶格空位穿過單晶硅擴散的溫度范圍時使用。一旦晶片冷卻到晶格空位相對活動的溫度范圍之外的溫度，冷卻速率對晶片的析出特性就沒有顯著影響，因此它嚴格地說不是關(guān)鍵。一般，晶格空位在大于約850℃的溫度下比較活動。優(yōu)選的是將晶片快速冷卻到低于約850℃的溫度，和最好是低于約800℃的溫度。
在一個優(yōu)選實施例中，當(dāng)晶片的溫度從該均熱溫度降到比潔凈區(qū)形成均熱溫度低至少約325℃的溫度時，晶片的平均冷卻速率為至少約10℃/秒。更優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約325℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約15℃/秒。還更優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約325℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約20℃/秒。最優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約325℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約50℃/秒。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，當(dāng)晶片溫度從潔凈區(qū)形成均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約400℃的溫度時，晶片的平均冷卻速率為至少約10℃/秒。更優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約400℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約15℃/秒。還更優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約400℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約20℃/秒。最優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約400℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約50℃/秒。
在另一個特別優(yōu)選的實施例中，當(dāng)晶片溫度從潔凈區(qū)形成均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約450℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約10℃/秒。更優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約450℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約15℃/秒。還更優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約450℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約20℃/秒。最優(yōu)選的是，當(dāng)晶片溫度從該均熱溫度降到比該均熱溫度低至少約450℃時，晶片的平均冷卻速率為至少約50℃/秒。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在晶格空位比較活動的溫度下，在典型外延反應(yīng)器中晶片的典型平均冷卻速率(亦即，約10-15℃/秒)遠低于在RTA中能達到的典型平均冷卻速率(亦即，約70-100℃/秒)。本發(fā)明提供一種替代RTA的手段，用以形成潔凈區(qū)。
當(dāng)介紹本發(fā)明或本發(fā)明優(yōu)選實施例中要件時，不定冠詞“一個(一種)”、定冠詞“該”，及“上述(所述)”意思是指有一個或多個要件。述語“含有”、“包括”和“具有”是指包括在內(nèi)的，并意思是指可以有除了所列要件之外的另一些要件。
因為在不脫離本發(fā)明范圍情況下在上述結(jié)構(gòu)中可以進行各種改變，所以上述說明中所包含的和附圖中所示的所有內(nèi)容都應(yīng)被解釋成是示例性的而沒有限制的意義。
權(quán)利要求
1.一種通過在一個具有熱源和環(huán)形晶片支承件的室中加熱和冷卻晶片處理半導(dǎo)體晶片以產(chǎn)生潔凈區(qū)的方法，上述方法包括將半導(dǎo)體晶片安放在一個室中，該室具有一個內(nèi)部、一個可操作地與該內(nèi)部連結(jié)的熱源和一個設(shè)置在該內(nèi)部中的環(huán)形晶片支承件；在該室內(nèi)部將晶片加熱到至少約1175℃的溫度，然后以至少約10℃/秒的冷卻速率將上述晶片冷卻至具有低于約850℃的溫度，由此在該冷卻過程中，上述晶片支靠在環(huán)形支承件上，從而只有晶片的周邊部分與上述支承件接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在該室內(nèi)部將晶片加熱到范圍在約900℃和約1150℃之間的一個溫度，并將一個外延層淀積于晶片上以便形成一個加涂層的晶片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約15℃/秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約20℃/秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約50℃/秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約15℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約325℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約20℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約325℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約50℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約325℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約15℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約400℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約20℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約400℃。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約50℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約400℃。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約15℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約450℃。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約20℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約450℃。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中上述冷卻速率為至少約50℃/秒，直至晶片的溫度降低至少約450℃。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中上述熱源是光。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中上述熱源是鹵素?zé)簟?br> 17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在上述加熱和冷卻以形成潔凈區(qū)過程中，上述晶片基本上保持與晶片支承件沒有傳導(dǎo)熱傳遞關(guān)系。
18.一種用于處理半導(dǎo)體晶片以形成一個潔凈區(qū)的裝置，上述裝置包括一個外殼，該外殼具有一個由外殼殼壁限定的內(nèi)部室和其中一個可選擇地打開的門，上述內(nèi)部室在工作期間可以與外部或該殼體密封；一個熱源，該熱源可操作地與該內(nèi)部室連結(jié)，用于有選擇地加熱上述內(nèi)部室中的內(nèi)裝物；一個晶片支承件，該晶片支承件包括一個環(huán)形圈和一個第一支承裝置，該環(huán)形圈用于將晶片安放于其上，以便在上述晶片處于內(nèi)部室中的至少一部分時間里與晶片成支承關(guān)系，該第一支承裝置與環(huán)形圈接合，用于與所述殼壁成間隔開的關(guān)系支承環(huán)形圈。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中上述第一支承裝置包括多個柱銷，這些柱銷安裝在一個第二支承件上，并與該環(huán)形圈成支承關(guān)系。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中上述熱源包括一種光源。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中上述光源包括一種鹵素?zé)簟?br> 22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，包括入口裝置，該入口裝置用于在晶片上形成一外延層的操作中把氣體加入內(nèi)部室。
全文摘要
一種用于在半導(dǎo)體晶片上形成一個外延層和一個潔凈區(qū)的裝置和方法。利用一個室來形成外延層和潔凈區(qū)二者。潔凈區(qū)是在晶片支承在一個環(huán)形支承件上因而只有晶片的周邊緣部分與該支承件接觸時，通過在室中加熱晶片和然后快速冷卻晶片而形成的。
文檔編號H01L21/26GK1441960SQ01812846
公開日2003年9月10日 申請日期2001年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月30日
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