專利名稱：一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子注入及退火處理硅單晶片的工藝，更具體地說是一種消除硅單晶片制作區(qū)原生坑缺陷(COPs)的方法。
背景技術(shù)：
直拉生長硅單晶片經(jīng)一號液(SC-1)反復(fù)清洗后，用激光散射檢測表面顆粒時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面顆粒逐漸增加，這些顆粒不同于表面尋常沾污的顆粒，是晶體內(nèi)的缺陷造成的，被定義為晶體原生顆粒缺陷(Crystal Originted particles)。仔細(xì)用SEM(Scanning electron microscope掃描電子顯微鏡)和AFM(atomic forcemicroscope，原子力顯微鏡)對這些顆粒觀察，發(fā)現(xiàn)這些顆粒實(shí)際上是凹坑，尺寸在100-300nm的范圍之內(nèi)，這些凹坑確切的定義是晶體原生坑缺陷(CrystalOriginted pits，COPs)。
COPs是一種空位型缺陷，在1990年為日本三菱集團(tuán)的Ryuta等人最先發(fā)現(xiàn)。它與晶體生長條件密切相關(guān)，系在晶體生長過程中，由空位聚集而成的。在一定的單晶生長速率下，由于空位和硅自間隙原子的擴(kuò)散速率的不同，最終導(dǎo)致在單晶硅的橫截面上，出現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)部為空位聚集的區(qū)域(稱作D區(qū))，外部為自間隙原子聚集的區(qū)域(稱作A區(qū))，中間為環(huán)形的氧化誘生層錯(cuò)(R-OiSF)隔開。內(nèi)部的空位聚集區(qū)空位聚集的結(jié)果就導(dǎo)致許多空位型缺陷(稱為D缺陷)的存在，包括COPs。而外部自間隙原子聚集的結(jié)果就產(chǎn)生許多間隙型缺陷，如A缺陷和B缺陷。COPs在經(jīng)過清洗后，變成小坑，在激光掃描儀的圖譜中，類似于顆粒，而它又是晶體生長時(shí)伴隨熱歷史形成的，所以稱作晶體原生顆粒。COPs因不同的揭示方法有不同的定義。激光散射看到的稱為激光散射顆粒(Light Scattering Defects，LSD)；Secco腐蝕液(2份濃度為49％的HF+1份濃度為0.15M的K2Cr2O7)腐蝕后在表面呈現(xiàn)流動圖形，稱為流動圖形缺陷(Flow Pattern Defects，F(xiàn)PD)。
COPs對集成電路有危害性，ULSI(ultra large scale integration，特大規(guī)模集成電路)電路中MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)器件的關(guān)鍵之一是柵氧化層。它有晶體管“心臟”之稱，其質(zhì)量與MOS的特性的可靠性密切相關(guān)。MOS硅集成電路需要有穩(wěn)定的柵氧化物層，以承受較高的電壓。隨著電路集成度的提高，特征尺寸的縮小，必然導(dǎo)致柵極氧化層厚度越來越薄。目前ULSI柵極氧化層厚度已達(dá)10nm的量級。這樣的氧化層厚度將承受很高的電場強(qiáng)度，氧化層的質(zhì)量就更為重要，保證柵氧化物的完整性(Gate Oxide Integrity，GOI)成為提高ULSI成品率，電學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵。
研究證明，COPs缺陷與柵極氧化物完整性(GOI)的破壞有直接關(guān)系。COPs等微缺陷的存在會導(dǎo)致氧化物的薄化和誘導(dǎo)應(yīng)力的產(chǎn)生，影響柵極氧化物完整性，導(dǎo)致氧化物質(zhì)量降低，耐擊穿能力變差，以至影響集成電路的可靠性和成品率，比如COPs是導(dǎo)致柵極氧化物在4MV/cm左右失效的主要因素。圖14a和圖14b分別揭示了不同硅片上的FPD密度(流動圖形缺陷密度)以及對應(yīng)的GOI Yield(柵氧化物完整性的成品率)數(shù)值。
300mm直徑的硅片主要面向特征尺寸在0.18μm以下的器件和電路，其中COP的尺寸與特征尺寸為同一數(shù)量級，具有更大的破壞力。
因此，COP等空位型缺陷的控制和消除就成為超大規(guī)模集成電路的核心問題，也是目前研究的熱點(diǎn)之一。
在現(xiàn)有技術(shù)中，消除COPs的主要工藝有以下幾種。
為了消除這種空洞型微缺陷對器件的影響，主要從四個(gè)方面進(jìn)行工作，形成沒有點(diǎn)缺陷聚集的硅片。這四種方法是(1)完美拉制硅晶體，(2)退火工藝消除COPs，(3)外延技術(shù)，(4)fLASH！晶片。
所謂完美晶體是指晶體中不含有大于10nm的缺陷存在的原生硅晶體。在原生晶體中既沒有空位型缺陷也沒有間隙型缺陷產(chǎn)生，只是在后續(xù)的熱處理過程中會產(chǎn)生幾nm的氧沉淀。這種完美硅單晶需要在苛刻的生長條件下才能得到。在這種條件下，硅單晶中空位和自間隙原子的濃度幾乎相等，致使在硅單晶凝固的過程中兩種點(diǎn)缺陷相互結(jié)合，沒有剩余點(diǎn)缺陷，從而形成完美的晶體結(jié)構(gòu)。這樣，無論是空位還是自間隙原子都沒有在隨后的工藝中達(dá)到過飽和狀態(tài)，不能匯聚形成微缺陷。
一種生長完美的硅單晶的方法，是通過調(diào)整直拉硅單晶生長過程中的V/G的分布，其中V是單晶生長的拉速，G則是固液界面的溫度梯度，使單晶在均勻的V/G＝臨界值的條件下生長。通過合理設(shè)計(jì)溫場和合理的拉速使得徑向V/G的變化不能超過臨界生長參數(shù)的±10％。在這種溫場下，硅單晶中的點(diǎn)缺陷能夠大量復(fù)合或外擴(kuò)散，最后得到的硅單晶中剩余點(diǎn)缺陷的濃度最大值為1×1013cm-3，不足以在后續(xù)的冷卻過程中產(chǎn)生匯集和形成原生缺陷。
現(xiàn)在這種完美晶體是否會成為主流產(chǎn)品還值得考慮，因?yàn)橛幸韵聨讉€(gè)方面的制約。首先由于完美晶體只有在均勻的V/G＝臨界值的條件才能生成。但是，徑向溫度從中心到邊緣急劇變化(尤其是大直徑硅單晶)，所以在溫場設(shè)計(jì)方面有很大的困難。其次，這種晶體需要在很低的拉速下生長的，并且要求嚴(yán)格的控制生長參數(shù)，這就使生產(chǎn)率大大下降，而生產(chǎn)成本則大大提高。另外，從放肩到生長出完美單晶期間不可避免地產(chǎn)生約100-200mm的過渡缺陷區(qū)，造成材料的浪費(fèi)。還有，如果拉速即使微小地偏離所需控制的范圍，或者隔熱部分等部分的老化，都會影響產(chǎn)品的生產(chǎn)率和合格率，即這種工藝對設(shè)備提出了非?？量痰囊蟆Ｖ睆皆酱?，生長無缺陷硅單晶難度就會更大，它需要更低的拉速?？傮w上降低了合格硅片的生產(chǎn)率，另一方面大大的追加了成本的投入。
另外一種工藝是通過利用間隙原子外擴(kuò)散的方法來制得無原生缺陷的硅單晶晶體。在這種工藝中，硅單晶是在間隙原子富集型的條件下生長的，并要求在高溫區(qū)停留較長的時(shí)間。這種方法是利用高溫下自間隙原子有很高的遷移速度，使得間隙原子從硅晶體的中心沿徑向向邊緣擴(kuò)散，和外部的空位結(jié)合，成為表面的晶格原子。用些種工藝直拉200mm的單晶，在從熔點(diǎn)降到1050℃則需要30小時(shí)的時(shí)間，為了達(dá)到這一要求必須犧牲拉速，延長工藝時(shí)間，而且增加了單晶爐設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。用這種方法生產(chǎn)300mm的硅單晶有待斟酌。由于用此種工藝所生產(chǎn)的硅單晶是間隙型，故此種晶片的內(nèi)吸雜性能很差，因?yàn)槠潴w內(nèi)空位的缺乏不利于氧沉淀的形核和長大。因此，這種晶片必須要經(jīng)過預(yù)先退火才能達(dá)到內(nèi)吸雜的效果。這樣無形中又增加了器件生成的成本，也是器件生產(chǎn)商所不愿意接納的。
第二種消除COPs的方法是，利用退火工藝消除COPs。
利用退火工藝消除COPs，目前主要通過兩種途徑進(jìn)行。一種工藝是通過馬沸退火爐對硅片進(jìn)行退火，另一種方法是通過高溫快速退火爐(RTA)對硅片進(jìn)行退火。
馬沸退火爐退火一般是在氫氣、氬氣、氮?dú)獾臍夥障逻M(jìn)行，退火溫度在1150-1300℃，時(shí)間為1-3小時(shí)。為了增加退火的效果，在硅單晶生長的過程中摻入氮，會明顯降低COPs的大小。究其原因，主要是因?yàn)榈膿诫s降低了高溫下空位的擴(kuò)散系數(shù)，使原生硅片中的COPs尺寸明顯降低，其大小在70-100nm之間，同樣增加了常規(guī)退火工藝消除COPs的可行性。但是，這種工藝要硅片長時(shí)間在高溫下停留，會造成硅片的翹曲，影響硅片的平整度。尤其對于300mm的硅片而言由于生長過程中熱損小，以至其體內(nèi)的微缺陷要比小直徑的硅片的尺寸大，并且由于表面熱應(yīng)力的存在，高溫退火容易引起滑移。
采用RTA法對硅片進(jìn)行退火，其氣氛也是H2、Ar、N2或者是H2/Ar的混合氣體，N2/O2的混合氣體。溫度控制在1150℃-1250℃之間，在1150℃-1250℃的高溫下停留的時(shí)間一般控制在20秒～3分鐘左右。RTA方法是通過在高溫下重新建立硅片內(nèi)空位與自間隙原子的平衡，促使空洞型原生缺陷在高溫下溶解，即在高溫下發(fā)出一個(gè)個(gè)的空位(與空洞型原生缺陷的形式相反)，使近表面的空位濃度達(dá)到飽和并迅速向外擴(kuò)散，而體內(nèi)的空位雖達(dá)到飽和，但由于高溫停留時(shí)間較短沒有擴(kuò)散出體外，故此在硅片表面形成一層缺陷濃度很低的區(qū)域，而在體內(nèi)則形成濃度較高的空位或空位團(tuán)，提供了氧沉淀核心，有利于后續(xù)的內(nèi)吸雜工藝的實(shí)施。此種方法最開始是用在器件生產(chǎn)工藝中的，尤其在內(nèi)吸雜方面應(yīng)用較廣泛，通過這種工藝可以得到100μm的潔凈區(qū)。雖然此法在硅片退火方面追加了成本，但是由于其工序時(shí)間較短與前一種退火工藝相比，其生產(chǎn)率更高。而且，它也可能同時(shí)達(dá)到內(nèi)吸雜效果，簡化器件生產(chǎn)工藝，所以越來越受到歡迎。雖然利用RTA法可以明顯減小COPs的密度，但要徹底消除COPs還很難，所以需要在這方面進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和研究。
第三種消除COPs的工藝是外延片技術(shù)為了得到300mm或更大直徑的硅片，前兩種工藝在制備工藝上都有不足之處?，F(xiàn)在大多數(shù)的器件生產(chǎn)商都傾向于使用外延片。而且外延片的每平方厘米的生產(chǎn)成本隨著其直徑的增加而減少，再加上其內(nèi)在的優(yōu)良特性，從而頗受DRAM(dynamicrandom access memory，動態(tài)隨機(jī)存儲器)生產(chǎn)商的青睞。
外延片是通過化學(xué)氣相沉積等方法在硅單晶片表面沉積生長一層優(yōu)良的同質(zhì)硅層，以覆蓋晶片中的原生缺陷，包括COPs和位錯(cuò)等。外延層需要有足夠的厚度才能覆蓋所有的原生缺陷，以便得到完整，無缺陷的外延層，對于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)而言，外層片的厚度一般在3-5μm。
此種外延片技術(shù)工藝的優(yōu)點(diǎn)是能得到優(yōu)良的外延層，而其最大的缺點(diǎn)是在制造外延層的過程中大大增加了硅晶片的生產(chǎn)成本。
第四種消除COPs的工藝是fLASH！技術(shù)。
fLASH！是產(chǎn)品的商標(biāo)名稱，它是一種新型廉價(jià)的生產(chǎn)工藝，是在襯底材料上沉積一層0.5μm左右的硅薄層。這種工藝要求襯底材料是氮摻雜的，經(jīng)過快速拉制和冷卻，得到含有較高密度的微小缺陷的單晶硅晶片。用這種制成的器件，其GOI(gate oxide integrity，柵氧化物完整性)特性可以與外延片相媲美，且明顯優(yōu)于一般的商用拋光片。此外，fLASH！晶片具有很好的內(nèi)吸雜效果，可以達(dá)到10μm左右的無氧沉淀的潔凈區(qū)，這樣大的潔凈區(qū)可以滿足任何器件生產(chǎn)工藝的要求。但是，由于工序時(shí)間太短，不足以使COPs在襯底中溶解。因此，fLASH！晶片不能用于需要設(shè)計(jì)深槽電容的器件。另外，由于外延層很薄，含有150nm左右的微缺陷的硅片在這里不能用作襯底，否則外延層不足以覆蓋表面的缺陷，而形成光點(diǎn)缺陷(LLS)。
離了注入技術(shù)和快速熱退火或爐退火技術(shù)都是比較成熟的已有技術(shù)。但離子注入技術(shù)用于消除COPs尚沒有見于文獻(xiàn)中。
離子注入是將摻雜劑引入到半導(dǎo)體中的技術(shù)手段之一。對于硅材料中，一般是引入硼、磷、砷、銻等。硼的注入一般不會使硅材料非晶化，磷、砷和銻等質(zhì)量更重的離子以較大劑量注入時(shí)，可使硅表層非晶化，但改變了硅半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電型號和電阻率。重離子Ge+或Si+可以使硅材料表層發(fā)生非晶化，又不改變硅半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電型號和電阻率。
本發(fā)明的研究工作者經(jīng)過長時(shí)間的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用向硅片材料表層注入重離子Ge+或Si+，使硅材料表層非晶化后，再進(jìn)行快速熱退火或爐退火，而使硅片的表層非晶化區(qū)固相外延，重新結(jié)晶而能消除單晶硅片中器件制作區(qū)原生坑缺陷，得到了良好的效果。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到器件只是制作在硅襯底表層極薄的一層區(qū)域，影響柵氧化物完整性的也只是表面的原生坑缺陷，底部的原生坑缺陷對GOI的完整性(GOI，gate oxideintegrity)以及器件成品率和可靠性并沒有影響，所以不必通過完美拉晶工藝或高溫退火工藝消除硅片中所有的原生坑缺陷，僅需要消除掉表層器件制作區(qū)的原生坑缺陷即可。
本發(fā)明的目的就在于研究出一種新的、有效的消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法。
為了消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑的缺陷，首先是通過低劑量重離子Ge+或Si+注入到硅片中，使硅片表面非晶化，使硅晶片表層區(qū)的COPs溶解掉，然后再重結(jié)晶，恢復(fù)表層區(qū)的結(jié)晶性能，以便制作器件。雖然襯底未非晶化的部分仍存在COPs。但是重結(jié)晶時(shí)，COPs不會向上生長，而會因?yàn)楣杈Ц竦闹匦屡帕卸采w掉，從而使得表層不再存在COPs。
本發(fā)明的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，包括以下步驟(1)以通常直拉法生長的硅晶體的硅單晶片為原始硅片。
(2)通過低劑量重離子注入，將重離子Ge+或Si+注入到經(jīng)過清洗過的原始硅片表層中，使硅片制作區(qū)表層非晶化。
(3)用快速熱退火處理或爐退火處理使硅片表面非晶化層固相外延生長，重結(jié)晶，而消除硅單晶片制作區(qū)原生坑缺陷。
本發(fā)明適用于直拉法生長的硅單晶片，也適用于以直拉法生長的硅單晶片制作而成的絕緣體上硅(Silicon-on-insulator，SOI)片。
對原始硅片進(jìn)行清洗，是為了去除原始硅片表面的各種污染。清洗工藝采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA工藝。RCA是一個(gè)公司的名稱。RCA工藝是二十世紀(jì)七十年代由RCA公司開發(fā)的濕法清洗工藝，目前仍在半導(dǎo)體行業(yè)中廣泛使用，參考文獻(xiàn)[W.Kem，andD.Putotinen，RCA Review，31，187(1970)；W.Kerm，in Handbook ofSemiconductor Wafer Cleaning Technology，W.Kermeditor，P38，Noyes，Publications，ParkRidge，NJ，(1993)；W.Kerm，J.Electrochem.Soc.，1887(1990)]均闡述了該工藝。其清洗的具體步驟以(1)(2)(3)(4)(5)(6)的次序，按序進(jìn)行。
(1)首先用一號液(SC-1)清洗，溫度為25-80℃。
一號液(SC-1)是由氫氧化銨(NH4OH)、雙氧水(H2O2)和水所形成的混合溶液。它是由市售NH4OH、市售H2O2和水按其體積比1∶1∶5～0.7∶1∶4.5配制而成。在上述的體積的配比范圍內(nèi)使用，效果沒有明顯的差別。一般以1∶1∶5的體積比配制而成。其主要用途是有效除去原始硅片表面顆粒沾污，又可以去除有機(jī)物沾污。在一號液中雙氧水作為氧化劑，氫氧化銨用來溶解有機(jī)物，更由于氫氧化銨可以作為許多金屬沾污的絡(luò)合劑，一號液(SC-1)又可以除去一些痕量金屬。一號液(SC-1)有市售，直接購買使用，也可以自行配制。
(2)再用去離子水沖洗。
(3)又用二號液清洗，二號液是由市售鹽酸(HCl)或氫氟酸(HF)、市售雙氧水(H2O2)和水按其體積1∶1∶5混合配制而成的溶液。
(4)以體積比5∶1的氫氟酸和水的混合液清洗，除去上述兩步驟在硅片表面形成的氧化物。
(5)最后用去離子水清洗。
(6)離心甩干，離心速度為2500-3500rpm，一般用3000rpm。
對原始硅片進(jìn)行清洗，去除原始硅片的各種污染后，就進(jìn)行重離子Ge+或Si+注入，使其表層非晶化(使硅片制作區(qū)表層非晶化)，然后通過退火使非晶化層發(fā)生固相外延生長，重結(jié)晶形成質(zhì)量完好的外延層，用于制作器件。用本發(fā)明的方法得到的固相外延硅片如圖1所示。其工藝流程如圖2中a、b、c、d所示。重離子注入過程如圖2A所示。重離子的注入導(dǎo)致襯底(圖2中2A)表層非晶化，如圖2b所示，圖2中2B，即為形成的表面非晶層。對非結(jié)晶化的硅進(jìn)行熱處理，如圖2c所示，在退火熱處理過程中，表面非晶層以底部襯底作為籽晶固相外延生長，重新結(jié)晶；圖2中的2C是退火后表層完全重結(jié)晶的固相外延片層。這樣就消除了硅單晶片制作區(qū)原生坑缺陷。
本發(fā)明的消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法中，之所以要選擇注入的離子的種類為Ge+或Si+，是為了與襯底的晶格更好地匹配。第IV主族中的碳不能使硅片表層非晶化，錫(Sn)因?yàn)楹蚐i的不匹配程度太大，容易在硅晶格中引入額外的缺陷，如位錯(cuò)等，也是不合適的。
Ge+或Si+重離子從硅片的拋光面注入，Ge+或Si+重離子平均注入的深度(即厚度)為50-500nm，深度可以通過注入能量來調(diào)節(jié)，離子注入能量范圍在60-550KeV。
Ge+或Si+的獲取可以有多種方式。(1)熱離子發(fā)射源；場致電離源；火花電離源；表面碰撞離子源；濺射離子源；激光離子源；及電子束離子源等固體表面離子源，(2)射頻離子源，冷陰極放電penning離子源；熱陰極放電penning離子源；一次電子碰撞或弧放電離子源；磁控管型離子源；等離子管形離子源及高溫中空陰極離子源等氣體和蒸汽離子源都可以用來激發(fā)出Ge+或Si+。固體表面離子源要求含鍺、硅的原料是合金固體。而氣體和蒸氣離子源要求，鍺、硅的原料是鍺烷、硅烷或其衍生物。從離子源激發(fā)出來的離子不僅包含所需要的Ge+或Si+，而且還含有其它離子，所以應(yīng)進(jìn)一步分選。分選的目的可以通過質(zhì)量分析系統(tǒng)達(dá)到。各種離子由于質(zhì)荷比不一樣，當(dāng)所加的加速電壓和磁場強(qiáng)度一定時(shí)，它們在質(zhì)量分析系統(tǒng)中的運(yùn)行軌跡和偏轉(zhuǎn)半徑不同，因而就可以將所需要的Ge+或Si+進(jìn)一步純化。由于原料不需要非常純，很容易在市場上獲得。鍺、硅合金以及鍺烷北京有色金屬研究總院有售，本發(fā)明所使用的固體表面離子源可以是北京有色金屬研究總院國晶輝紅外半導(dǎo)體材料有限公司所提純的純鍺為原料。
所采用的注入離子偏離靶材法向的角度，為了避免溝道效應(yīng)，采用7-15度。
本發(fā)明的Ge+或Si+重離子注入的具體工藝過程為(1)利用離子注入設(shè)備的激發(fā)系統(tǒng)，由離子源產(chǎn)生包括Ge+或Si+的離子束；(2)使帶電的Ge或Si離子通過高壓電場或連續(xù)多次通過加速電壓不高的電場，使入射離子Ge+或Si+具有高注入能量。
(3)利用質(zhì)量分析系統(tǒng)在加速電場和磁場下對引出離子進(jìn)行分選和純化，得到所需要的Ge+或Si+。
(4)將純化后的Ge+或Si+離子進(jìn)行靜電聚焦形成離子束。
(5)將Ge+或Si+離子束入射到作為靶的初始硅片上。靶溫控制在適宜的范圍內(nèi)，并通過掃描系統(tǒng)對整個(gè)硅片進(jìn)行均勻加工，控制Ge+或Si+離子束為適宜的劑量。
進(jìn)行Ge+或Si+離子注入時(shí)，注入Ge+或Si+的注入劑量用一臺電荷積分儀來測量控制。Ge+或Si+的重離子的注入深度(即厚度)用改變加速電壓即注入能量和劑量來控制，而注入離子的選擇用改變分析磁鐵的電流來實(shí)現(xiàn)，這是本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員所熟知的。
所采用的Ge+或Si+重離子注入的工藝條件為，注入劑量1×1014atoms/cm2-6×1014atoms/cm2，注入能量60-550KeV，注入溫度即靶溫77-873K。將分選和純化后的Ge+或Si+離子進(jìn)行靜電聚集成直徑為0.8～1.2cm的離子束為好。
本發(fā)明中所說的重離子注入和常規(guī)的離子注入摻雜所采用的手段，設(shè)備雖然相同，但兩者所要達(dá)到的目的完全不同，常規(guī)的離子注入的目的是將摻雜劑引入到半導(dǎo)體材料中，達(dá)到改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電型號和電阻率，而本發(fā)明用重離子注入Ge+、Si+的目的是使原始硅片的表層非晶化。由于在離子注入時(shí)其表層非晶化，原生坑缺陷被破壞，在表層不會殘存有原生缺陷，在以后的退火的固相外延過程中，按照其熱歷史和熱的傳輸，原生坑缺陷不會重新形成，襯底中雖然有原生坑缺陷，它不會影響器件的性能。
在本發(fā)明的工藝中用快速熱退火工藝或爐退火工藝均可以使硅片表面非晶化層固相外延生長，重結(jié)晶，而消除硅單晶制作區(qū)原生坑缺陷。
所說的快速熱退火工藝的具體步驟如下(1)將表面層非晶化的硅片，置于快速熱退火設(shè)備的爐腔中，用氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體沖洗爐腔，除去快速熱退火設(shè)備爐腔中的空氣。
(2)降低沖洗爐腔的氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中的一種氣體的流量至1-6標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，在氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體的氣氛中，快速升溫至所需要的熱退火溫度550-1200℃。
(3)在氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體的氣氛中，于550-1200℃保持恒溫1秒-10分鐘。
(4)停止加熱，冷卻至室溫，完成快速熱退火處理。
用氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體沖洗爐腔時(shí)，其氣體的流量為10-25標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘。降低沖洗爐腔的氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體的流量至1-6標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，又以降至1-4標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘為佳?？焖偕郎厮枰臒嵬嘶饻囟戎?50-1200℃，又以快速升溫至熱退火溫度至900-1100℃為宜，快速升溫的速率為5-100℃/秒，又以升溫速率5-50℃/秒為佳。在550-1200℃的高溫下保持恒溫的時(shí)間為1秒-10分鐘，又以在900-1100℃的高溫下，保持恒溫的時(shí)間為5秒-3分鐘為好。停止加熱后，冷卻至室溫，所說的室溫為15-30℃。
爐退火處理的具體步驟如下(1)向爐退火設(shè)備的爐腔中充入氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中的一種氣體作為保護(hù)氣氛，充入氣體的流量大于等于4標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘，使?fàn)t腔內(nèi)的氣體壓力大于等于0.1Mpa。
(2)使?fàn)t腔內(nèi)升溫，于爐腔內(nèi)的500-800℃的溫度下，將表面層非晶化硅片，送入爐腔中。
(3)將爐腔溫度升至550-1200℃。
(4)在550-1200℃的溫度下，于氮、氬、任意體積比的氮、氬氣體的其中一種氣體的保護(hù)氣氛下，恒溫進(jìn)行爐退火0.5-8小時(shí)。
(5)腔內(nèi)的溫度降溫至25-800℃。
將經(jīng)過爐退火處理的硅片退出爐腔，完成了爐退火工藝。
向爐退火設(shè)備的爐腔中充入氮、氬、任意體積比的氮?dú)寤旌蠚怏w其中之一的氣體作為保護(hù)氣氛時(shí)，充入氣體的流量大于等于4標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘，又以氣體的流量為4-15標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘為宜，又以氣體的流量8-15標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘更佳。爐腔內(nèi)氣體的壓力大于0.1Mpa，又以其壓力為0.1-0.3Mpa為宜。將爐腔內(nèi)的溫度升至550-1200℃，其升溫速率為5-100℃/分鐘，在550-1200℃的溫度下，于氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體其中的一種氣體的保護(hù)氣氛中，恒溫進(jìn)行爐退火處理0.5-8小時(shí)，又以在900-1100℃進(jìn)行恒溫爐退火處理1-3小時(shí)為好。以5-100℃/分鐘的降溫速率降至25-800℃為佳。爐腔內(nèi)溫度降至25-800℃后，使硅片退出爐腔，完成爐退火工藝。
在現(xiàn)有技術(shù)中有利用退火工藝或外延技術(shù)消除原生坑缺陷的方法。但是，本發(fā)明的工藝中，所用的快速退火工藝或退火爐工藝，使表面層非晶化的硅片的非晶化表層固相外延生長，重結(jié)晶，這與上述已有技術(shù)不同。其不同之處表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面(1)所針對的對象不同。
已有技術(shù)是針對直拉單晶硅片；而本發(fā)明的工藝是針對硅單晶表面的非晶化層。
(2)兩者的目的不同。
已有技術(shù)是使硅單晶片中的COPs，在高溫下熔解；本發(fā)明的工藝是表面的非晶層重新恢復(fù)結(jié)晶。
(3)兩者消除COPs的機(jī)制不同。
對現(xiàn)有技術(shù)的COPs的消除機(jī)制，研究者們有不同的看法。有的人認(rèn)為高溫下組成COPs的空位團(tuán)發(fā)生分解。另一些研究者則認(rèn)為在高溫下Si自間隙原子擴(kuò)散到COPs處，將其填空；又有一些研究者認(rèn)為高溫下COPs壁的氧化物層熔解，整個(gè)COPs分解消失?？傊F(xiàn)有技術(shù)中是利用高溫，使COPs熔解在晶態(tài)硅中；而本發(fā)明的工藝則是通過硅晶格被破壞成無序狀態(tài)后，在高溫下重新有序化，最后消除COPs。
(4)兩者的使用的工藝條件不同。
現(xiàn)有技術(shù)必須用非常高的溫度，一般在1300℃；而本發(fā)明的工藝的退火溫度可以在550-1200℃均可，具體依賴于Ge+或Si+重離子注入的劑量。一般來說注入的劑量越高，損傷會越重，退火的溫度就要高一些。退火溫度高，恢復(fù)到晶體狀態(tài)的退火時(shí)間就會短一些，可以說現(xiàn)有技術(shù)的工藝條件要苛刻，相應(yīng)給工藝帶來的困難度加大，成本增高。而本發(fā)明的工藝在退火的過程中就使硅片表面非晶化層固相外延生長，重結(jié)晶。
現(xiàn)有技術(shù)的外延消除COPs的技術(shù)，包括化學(xué)汽相沉積氣相外延和分子束外延。
化學(xué)汽相沉積外延技術(shù)，是利用在尋常的硅襯底片上長上一層質(zhì)量更好的硅，這層硅中沒有原生顆粒缺陷，同時(shí)把襯底表面的原生顆粒缺陷覆蓋掉。這種技術(shù)需要外延的硅層厚度取決于硅襯底片中原生顆粒缺陷的尺寸，一般為了保證完全把原生顆粒缺陷覆蓋掉，需要生長厚度達(dá)1微米以上的硅層。
分子束外延技術(shù)是一種物理外延技術(shù)，它的外延質(zhì)量對襯底表面的依賴性非常強(qiáng)，所以要覆蓋襯底的原生顆粒缺陷有一定的困難，更重要的是這項(xiàng)技術(shù)的外延層的生長速度非常緩慢，制作成本非常高，因此一般不會考慮用該技術(shù)消除原生顆粒缺陷。
而本發(fā)明的工藝固相外延技術(shù)，所生長成的外延層質(zhì)量可以與化學(xué)汽相外延技術(shù)相媲美，但又不需要額外再生長一層厚的硅，而是就地取材，利用少量的外來離子注入，經(jīng)過熱退火就完成了對硅材料表面的重結(jié)晶，而且所利用的原料不需要非常純的鍺烷或硅烷，因此在生成成本上要低許多，在工藝方面更為簡單。
本發(fā)明的消除硅單晶片制作區(qū)原生坑缺陷方法的優(yōu)點(diǎn)就在于
1、本發(fā)明僅利用小劑量的離子注入和短時(shí)間的退火就可以使本來含有較多COPs等微缺陷的直拉硅晶片或SOI片等片形成結(jié)晶好質(zhì)量高的襯底。該方法的應(yīng)用可以大大降低直拉生長硅單晶的要求，有利于硅單晶生長速率的加快，產(chǎn)率的提高和成本的降低。
其成本的降低是由于采用了本發(fā)明的方法，有效除去直拉硅單晶片或SOI(絕緣體上硅)片等表層的COPs，在拉制硅單晶時(shí)就可以降低對COPs缺陷的嚴(yán)格控制，提高了硅單晶的提拉速度，加快了硅單晶生長的速率，提高了單晶硅的產(chǎn)量，降低了直拉硅拋光片的制作成本。本發(fā)明的方法可以就地取材，利用少量的外來離子注入，退火，就完成了對硅材料表面的完美化，不需要額外再生長一層厚的硅，使成本降低。
2、本發(fā)明的方法由于利用了質(zhì)量分選技術(shù)，可以利用含有較多雜質(zhì)的固體鍺、硅合金，鍺烷、硅烷作原料，不需要如汽相外延中要使用非常純的硅烷。
3、本發(fā)明的方法相比于完美拉晶技術(shù)、高溫退火技術(shù)及一般的外延技術(shù)，本法不僅可以有效地除去COPs的不良影響，也能降低襯底材料的整體制作成本。
4、本發(fā)明的工藝相對比較簡單，避免了硅單晶拉制時(shí)復(fù)雜的工藝參數(shù)的調(diào)控，又避免了超過1200℃以上的高溫工藝，使工藝較為簡單。
5、本發(fā)明的方法能夠通過注入能量的改變，方便地控制外延層的厚度，又能夠與硅器件工藝很好地兼容，可以移到器件制作過程中實(shí)施，而基本上不增加工藝步驟，降低了成本。
6、本發(fā)明的工藝對COPs的去除效果不受原始的COPs的數(shù)量、密度及大小的限制，可以用于多種原始硅片。


圖1用本發(fā)明工藝得到的固相外延硅片的示意圖。
圖中，1B為單晶硅襯底，1A為注鍺或硅及退火后形成的固相外延層。單晶硅襯底1B中仍含有COPs，而固相外延層1A由于Ge或Si離子的注入和隨后的退火，COPs已被去除。
圖2為固相外延片形成過程示意圖。
圖中，2A為初始直拉硅或SOI襯底，2B為注鍺或注入硅形成的非晶層，2C為退火重結(jié)晶生長而成的固相外延層。首先，將Ge+或Si+注入到直拉硅片或SOI片的表面，則它們的表面形成非晶層2B，非晶層2B的深度(即厚度)取決于注入離子的劑量和能量。隨后的退火導(dǎo)致非晶層以底部的單晶襯底為籽晶，重新生長形成外延層，最后非結(jié)晶層轉(zhuǎn)化為具有單晶特性的固相外延層2C。
圖3為注鍺硅片的透射電鏡橫截面形貌。
圖中，3A為制作橫截面樣品用的環(huán)氧樹脂層，3B為鍺離子注入形成的非晶層，3C為底部的單晶襯底，3D為非晶層/單晶襯底界面，所用的儀器為JEOL產(chǎn)的JEM-2010型高分辨透射電子顯微鏡。電鏡的工作電壓為200KV，樣品的離子注入能量180KeV，注入劑量6×1014Ge+/cm2。
圖4為圖3非晶層電子衍射花樣。
從圖4中可以看到該區(qū)的衍射花樣呈現(xiàn)模糊的暈，這表明了該區(qū)的非晶特性，加速電壓200KV，像室長度＝60cm，儀器日本電子產(chǎn)JEM-2010型高分辨透射電子顯微鏡。
圖5為圖3中非晶層/單晶襯底界面附近的高分辨率透射電子顯微像。5A為非晶層，5B為單晶襯底，從圖5可以看到兩者的界面參差不齊，這主要是注入離子的射程偏差引起的。
圖6為注入鍺的硅片退火后的固相外延層的高分辨電子透射顯微像。注入能量180KeV，注入劑量6×1014Ge+/cm2，圖6的圖像顯示該區(qū)有完整的周期性排列的晶格。電子顯微鏡下，固相外延層和底部襯底間沒有明顯的界限，兩者是共格的。
圖7為退火形成的固相外延的電子衍射花樣。
圖7顯示固相外延層有很好的單晶特征。
圖8為注入鍺的硅片的拉曼譜特征。
縱坐標(biāo)為計(jì)數(shù)(Counts)，橫坐標(biāo)為波數(shù)(Wave number cm-1)，8A為未注入鍺的硅片的拉曼譜，8B為注入鍺的硅片的拉曼譜，8C為注入鍺的硅片另一位置測得的拉曼譜。從圖中可以看到呈單晶的未注入鍺的硅片的拉曼譜在520cm-1波數(shù)附近出現(xiàn)一散射峰，峰形尖銳。而注入鍺的硅片中該散射峰消失。硅的單晶體中，由于拉曼散射的選擇定則，只有布里淵區(qū)附近的光學(xué)聲子會導(dǎo)致拉曼散射，因而出現(xiàn)頻率位于520cm-1波數(shù)附近的散射峰。當(dāng)硅晶體變?yōu)闊o定形時(shí)，晶體內(nèi)部原子的長程序排列完全消失，準(zhǔn)動量守恒決定的拉曼散射的選擇定則不再成立，這時(shí)，幾乎所有的光學(xué)聲子都可以產(chǎn)生散射，520cm-1波數(shù)附近的散射峰將發(fā)生展寬直至消失。我們在注入鍺的硅片中看到520cm-1的Raman散射峰的消失正是由于表層為無定形的原故。
測定樣品的拉曼光譜是在英國Renishaw公司生產(chǎn)的儀器型號為1000的微區(qū)Raman譜儀上進(jìn)行。該儀器的波長響應(yīng)范圍為400nm～1000nm，沒有散光。儀器的波數(shù)分辨率為1cm-1，空間分辨率為橫向1μm左右。
測定選用激發(fā)波長為325nm的HeCd激光器。這種紫外光在硅材料中的穿透深度僅8nm左右，因此揭示的主要是硅蓋層的特征，不會受到硅襯底信號的疊加干擾。顯微鏡物鏡選擇15倍。掃描方式為連續(xù)掃描。為了提高信號強(qiáng)度，采樣曝光時(shí)間為20s，測試在室溫下進(jìn)行。
圖9為固相外延片的拉曼譜特征。
縱坐標(biāo)為計(jì)數(shù)(Counts)，橫坐標(biāo)為波數(shù)(Raman Freguecy cm-1)。圖中9A為初始硅片拉曼散射譜，9B為固相外延片的拉曼散射譜，9C為固相外延另一位置的拉曼散射譜。
從圖9可以看到退火后形成的固相外延片重新出現(xiàn)了520cm-1的Raman散射峰，而且峰形尖銳，這就表明表面非晶層重新結(jié)晶，晶格損傷基本恢復(fù)，拉曼散射的選擇定則又能成立，Raman光譜中尖銳的散射峰重新出現(xiàn)。測試條件同圖8。
圖10給出了低溫(77K)下注入6×1014Ge+/cm2的硅樣品在爐退火后的盧瑟福背散射特性。
圖中，縱坐標(biāo)為對應(yīng)能量粒子的產(chǎn)額(Yield)，Eo為入射He+的能量＝2023Kev，KGeEo表示樣品表面Ge原子散射He+的能量，而KSiEo表示表面Si原子散射的He+的能量，橫坐標(biāo)為背散射粒子能量E(KeV)。10A為初始硅片隨機(jī)譜，10B為初始硅片溝道譜，10C為固相外延片的隨機(jī)譜，10D為固相外延片的溝道譜。
初始硅的隨機(jī)譜和溝道譜被用作對比。硅片表層在存在損傷的情況下，溝道會受到破壞，其溝道產(chǎn)額將增大，當(dāng)表層完全非晶化時(shí)，溝道產(chǎn)額將與隨機(jī)產(chǎn)額幾乎接近。從圖10中可以看到，退火后硅片的溝道產(chǎn)額幾乎接近于初始硅片的溝道產(chǎn)額，只是由于表面效應(yīng)而出現(xiàn)一小的峰，與其隨機(jī)產(chǎn)額相差甚大。這表明，退火后表層非晶層重新結(jié)晶，幾乎沒有損傷，恢復(fù)了溝道特性，也即恢復(fù)了單晶特性。
測試盧瑟福背散射是通過美國NEC公司產(chǎn)的5SDH-2型盧瑟福背散射-溝道譜儀測試。離子源是4He+，入射能量為2023Kev，束流為1mA，入射角為0°，散射角為165°。散射離子通過金硅面壘半導(dǎo)體探測器接收。真空度為2.7×10-7Torr。分析道數(shù)512道。計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)2萬個(gè)。所有溝道數(shù)據(jù)利用束對準(zhǔn)<100>方向收集。設(shè)備的能量分辨率為12KeV。
圖11給出了低溫(77K)下注入6×1014Ge+/cm2的硅樣品在快速熱退火后盧瑟福背散射特性。
圖中，縱坐標(biāo)為背散射粒子的產(chǎn)額(Yield)，Eo為入射He+的能量＝2023Kev，KGeEo表示樣品表面Ge原子散射He+的能量，而KSiEo表示樣品表面Si原子散射He+的能量；橫坐標(biāo)為背散射粒子能量E(KeV)。11A為初始硅片隨機(jī)譜，11B為初始硅片溝道譜，11C為注入Ge并快速退火后樣品的隨機(jī)譜，11D為注入Ge并快速退火后樣品的溝道譜。
從圖11中可以看出快速熱退火有類似爐退火的效果，同樣地導(dǎo)致表面非晶層的重結(jié)晶?；謴?fù)了溝道特性，使溝道產(chǎn)額與初始硅的基本接近。其測試條件與圖10同。
圖12給出了初始硅片表面LPD(也即COP)的分布圖。
圖中，初始硅片存在大量的COP，COP主要分布于硅片中央?yún)^(qū)域，其尺寸范圍在0.12-0.3微米，COP的總數(shù)為681個(gè)。
硅片表面的COP分布圖，是硅片表面的COP通過ADE公司產(chǎn)的Constellation-AWIS激光顆粒儀檢測。系統(tǒng)光源為氬離子激光器發(fā)出的波長為488nm的單色激光。光斑大小30微米。激光以與硅片的法向成65度的角度入射。COP產(chǎn)生的散射光通過硅片正上方位置的收集器收集和區(qū)分。硅片邊旋轉(zhuǎn)動平移，即系統(tǒng)以螺旋前進(jìn)的方式掃描檢測整個(gè)硅片表面(測試前，硅片通過一號液清洗)，從而可以檢測出整個(gè)硅片上的COP，并形成COP的分布圖。
圖13給出了退火后形成的固相外延片表面LPD(也即COP)的分布圖。
由圖13中可以看出，原來中央?yún)^(qū)域的COP消失，而本來基本沒有COP的外部，也沒有形成新的COP，COP的總數(shù)公為52個(gè)。
圖14(a)各樣品的FPD密度及圖14(b)對應(yīng)的GOI成品率。圖14(a)縱坐標(biāo)為FPD密度/cm2，橫坐標(biāo)為樣品號；圖14(b)縱坐標(biāo)為GOI成品率(％)。橫坐標(biāo)為樣品號。
從圖14(a)和圖14(b)中可以看出，流動圖形缺陷(FPD)密度高的樣品，其GOI成品率就低，而FPD密度低的樣品，其GOI成品率就高。
具體實(shí)施例方式
以下用實(shí)施例對本發(fā)明的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法作進(jìn)一步的說明，將有助于對本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)、效果作進(jìn)一步的了解，實(shí)施例不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求來決定。
實(shí)施例1本實(shí)施例用經(jīng)過摻雜硼的直拉法P型，150mm面向(100)的硅單晶拋光片作為原始硅片。電阻率15-25Ωcm，對原始硅片進(jìn)行清洗，去除原始硅片表面的各種污染，清洗工藝采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA工藝進(jìn)行，在K·C·TECH(KOCK TECK公司生產(chǎn))的預(yù)退火清洗機(jī)中清洗。首先用一號液(SC-1)清洗，溫度為70℃，清洗掉硅片表面的顆粒；所用的SC-1號液由氫氧化銨、雙氧水和水，按其體積比1∶1∶5配制而成，再用去離子水沖洗，又用2號液清洗，二號液是由市售鹽酸、雙氧水和水按其體積比1∶1∶5混合配制而成，清洗掉硅片表面的金屬沾污，后用體積比為5∶1的氫氟酸和水的混合液清洗，除去上述前二步清洗步驟的在硅片表面形成的氧化物，最后用去離水清洗，離心甩干，離心速度3000rpm。經(jīng)清洗處理的原始硅片，對其表面進(jìn)行檢測，表明在其表面上有大量的晶體原生坑缺陷，晶體原生坑缺陷主要分布于硅片的中央?yún)^(qū)域，成環(huán)狀分布見圖12。
經(jīng)過清洗后備用的原始硅片進(jìn)行低劑量重離注入，將重離子Ge+注入到經(jīng)過清洗的原始硅片中，使硅片表面層制作區(qū)非晶化，其工藝過程為(1)初始硅片在Eaton產(chǎn)的NV4206設(shè)備中，進(jìn)行注入鍺離子，以固體的鍺合金作為離子源，通過設(shè)備的激發(fā)系統(tǒng)由離子源產(chǎn)生形成包括Ge+的離子束被引出。
(2)使帶電的Ge離子通過高壓加速電場，使入射離子Ge+具有注入能量180KeV(即Ge+的能量達(dá)到180KeV)。
(3)利用質(zhì)量分析系統(tǒng)在加速電場和磁場下對引出的離子進(jìn)行純化和分選出質(zhì)量數(shù)74的鍺離子束。
(4)由于離子束各離子相互排斥等原因，離子束會發(fā)散，將純化后的Ge+離子通過靜電透鏡聚焦形成直徑約1cm的鍺離子束。
(5)將Ge離子束對準(zhǔn)初始硅片的拋光面入射到作為靶的硅片上。通過掃描裝置，硅片表面被均勻地注入鍺離子，為防止溝道效應(yīng)的影響，Ge離子束的入射方向偏離硅片法向約10度。注入溫度(即靶溫)為77K(注入溫度通過液氮對靶的冷卻控制在77K)，注入的鍺離子的劑量通過電荷積分儀控制在6×1014Ge+/cm2，離子注入時(shí)的束流強(qiáng)度為2.6μA左右(一般控制在0.5～4.7μA)，束流密度0.41μA/cm2左右(一般束流密度控制在0.33～0.55μA/cm2)，平均注入深度為110nm，由于Ge+的注入引起初始硅片表層穿透區(qū)非晶化。
圖3為注入74Ge+離子后的透射電鏡橫截面形貌。3B為鍺離子注入形成的非晶化層。
圖4所示為圖3中非晶層的電子衍射圖樣，表層的電子衍射圖樣呈現(xiàn)模糊的圓環(huán)，表明表層損傷嚴(yán)重，已經(jīng)非晶化。
圖5是電鏡下觀察到的表層的高分辯率像。表層已經(jīng)失去了晶格周期性，呈完全無序狀態(tài)。
然后對注入74Ge+離子后的硅片進(jìn)行爐退火，爐退火熱處理的具體步驟為(1)利用Canary臥式退火爐對注入鍺的硅片進(jìn)行爐退火，這種爐設(shè)備是由臥式的化學(xué)氣相沉積設(shè)備改裝而成。向Canary臥式退火爐的爐膛中充入氮(或氬氣或體積比為1∶1氮?dú)宓幕旌蠚怏w)，作為保護(hù)氣氛，充入氮?dú)獾牧髁繛?標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘，使?fàn)t腔內(nèi)的保護(hù)氣體的壓力為0.15Mpa。
(2)使?fàn)t腔內(nèi)升溫，其升溫速度率為15℃/分鐘，于爐腔內(nèi)的700℃的溫度下，將表面層非晶化的硅片送入爐腔中。
(3)將爐腔內(nèi)的溫度升至900℃，升溫速率為15℃/分鐘。
(4)在900℃的溫度下，氮?dú)?或氬或體積為1∶1的氮?dú)寤旌蠚怏w)的保護(hù)氣氛中，恒溫進(jìn)行爐退火2小時(shí)。
(5)以15℃/分鐘的降溫速率將爐腔內(nèi)的溫度降至50℃。
(6)將經(jīng)過爐退火熱處理的硅片退出爐腔，完成了爐退火工藝。
圖6為注入鍺的硅片爐退火后固相外延片高分辯率電子透射顯微像，說明硅片有了周期性排列的完整晶格。
圖7所示表層的電子衍射花樣，衍射斑點(diǎn)規(guī)則排列，表明表層已經(jīng)恢復(fù)晶態(tài)。
總之從圖3-圖10均表明通過本發(fā)明的方法注入重離子Ge+后，使初始硅片表層非晶化，經(jīng)爐退火處理后，其表層又重新結(jié)晶。
圖12表明通過清洗后，初始硅片存在有581個(gè)COP，而圖13表明通過上述的Ge+離子注射爐退火處理后，硅片的中央?yún)^(qū)域的COP已消失，基本沒有COP的外部，沒有形成新的COP，COP的總數(shù)僅為52個(gè)。說明本發(fā)明的工藝有效地消除了硅單晶片器件制作區(qū)的COPs。
實(shí)施例2其工藝步驟及有關(guān)設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是退火是在Steag AST公司生產(chǎn)的SHS100快速熱處理爐中進(jìn)行，該設(shè)備利用光加熱，就是用鹵鎢燈加熱，這樣可以大大降低硅片熱處理的時(shí)間。
快速熱處理的具體工藝步驟如下(1)將表面層非晶化的硅片置于SHS100快速熱處理爐的爐腔中，用氬氣(或氮?dú)?沖洗爐腔，氬氣的流量為17標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘。
(2)降低沖洗爐腔氬氣的流量至4標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，快速升溫至900℃，升溫速度40℃/秒。
(3)氬氣的氣氛中于900℃，恒溫保持10秒。
(4)停止加熱，冷卻至25℃。
實(shí)施例3其操作步驟和設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是，進(jìn)行注入硅離子，使入射離子硅具有注入能量200KeV，注入Si離子的劑量為5×1014Si+/cm2，平均注入深度300nm，注入溫度298K。
利用爐退火熱處理注入Si+離子后的硅片，其具體步驟為(1)充入氮?dú)獾牧髁繛?標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘，爐腔內(nèi)氬氣的壓力為0.2Mpa。
(2)使?fàn)t腔內(nèi)升溫，其升溫速率為25℃/分鐘，于爐腔內(nèi)的溫度800℃的溫度下，將表面層非晶化的硅片送入爐腔中。
(3)將爐腔內(nèi)的溫度升至1000℃，升溫速率25℃/分鐘。
(4)在爐腔溫度為1000℃，氮?dú)鈿夥罩?，恒溫進(jìn)行爐退火1.5小時(shí)。
(5)以25℃/分鐘的降溫速率將爐腔內(nèi)的溫度降至30℃。
將經(jīng)過爐退火處理的硅片退出爐腔。
實(shí)施例4其操作步驟基本同實(shí)施例2，唯不同的是使入射離子Ge+的注入能量為500KeV，注入離子Ge+的劑量為5.5×1014Ge+/cm2，平均注入深度300nm，注入溫度773K。
快速熱處理的工藝步驟如下(1)用氮?dú)鉀_洗爐腔，氮?dú)饬髁?0標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘。
(2)降低沖洗爐腔氮?dú)獾牧髁恐?標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，快速升溫至1100℃，升溫速率為70℃/秒。
(3)在氮?dú)獾臍夥罩?，?100℃恒溫7秒。
實(shí)施例5其操作步驟基本同實(shí)施例2，唯不同的是使入射離子Ge+注入能量為60Kev，注入離子Ge+的劑量為1×1014Ge+/cm2，平均注入深度50nm，注入溫度77K。
快速熱處理的工藝步驟如下(1)氮?dú)鉀_洗爐腔，氮?dú)饬髁?5標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，快速升溫至680℃，升溫速率為25℃/秒。
(2)降低沖洗爐腔氮?dú)獾牧髁恐?標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，快速升溫至680℃，升溫速率25℃/秒。
(3)在氮?dú)獾臍夥罩校?80℃恒溫10分鐘。
實(shí)施例6其操作步驟本同實(shí)施例1，唯不同的是使入射離子Ge+注入能量100KeV，注入離子Ge+的劑量為2×104Ge+/cm2，平均注入深度66nm，注入溫度423K。
爐退火熱處理注入離子Ge+離子后硅片的工藝為(1)充入氮?dú)獾牧髁繛?0標(biāo)準(zhǔn)立方升/分鐘，使?fàn)t內(nèi)壓力為0.2Mpa。
(2)使?fàn)t腔內(nèi)升溫，升溫速率25℃/分鐘，使?fàn)t腔內(nèi)的溫度升至550℃，在550℃的溫度下，將表面層非晶化的硅片送入爐腔內(nèi)。
(3)將爐腔內(nèi)的溫度升至600℃，升溫速率25℃/分鐘。
(4)在600℃的溫度下，氮?dú)鈿夥罩?，進(jìn)行恒溫爐退火8小時(shí)。以15℃/分鐘的降溫速率，將爐腔內(nèi)溫度降至50℃。
權(quán)利要求
1.一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，包括以下步驟(1)以通常直拉法法生長的硅晶體的硅單晶片為原始硅片，(2)通過低劑量重離子注入，將重離子Ge+或Si+注入到經(jīng)過清洗過的原始硅片表層中，使硅片制作區(qū)表層非晶化，(3)用快速熱退火處理或爐退火處理，使硅片表面非晶化層固相外延生長，重結(jié)晶，而消除硅單晶片制作區(qū)原生坑缺陷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，Ge+或Si+重離子從硅片的拋光面注入，Ge+或Si+重離子平均注入的深度為50-500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2其中之一的一種消除硅單晶片制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，Ge+或Si+重離子注入的工藝過程為(1)利用離子注入設(shè)備的激發(fā)系統(tǒng)，由離子源產(chǎn)生包括Ge+或Si+的離子束，(2)使帶電的Ge或Si離子通過高壓電場或連續(xù)多次通過加速電壓不高的電場，使入射離子Ge+或Si+具有高注入能量，(3)利用質(zhì)量分析系統(tǒng)在加速電場和磁場下對引出離子進(jìn)行分選和純化，得到所需要的Ge+或Si+，(4)將純化后的Ge+或Si+離子進(jìn)行靜電聚焦形成了離子束，(5)將Ge+或Si+離子束入射到作為靶的原始硅片上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，Ge+或Si+重離子注入的工藝條件為，注入劑量1×1014atoms/cm2～6×1014atoms/cm2，注入能量范圍為60-550KeV，注入溫度即靶溫為77～873K。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，將分選和純化后的Ge+或Si+離子進(jìn)行靜電聚焦，成直徑為0.8～1.2cm的離子束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，快速熱退火工藝步驟如下(1)將表面層非晶化的硅片，置于快速熱退火設(shè)備的爐腔中，用氮、氬，任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體，沖洗爐腔，除去快速熱退火設(shè)備爐腔中的空氣，(2)降低沖洗爐腔的氮、氬，任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一種氣體的流量至1-6標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，在氮、氬，任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一的氣體的氣氛中，快速升溫至所需要的熱退火溫度550-1200℃，(3)在氮、氬，任意體積比的氮、氬混合氣體其中之一氣體的氣氛中，于550-1200℃保持恒溫1秒～10分鐘，(4)停止加熱，冷卻至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，沖洗爐腔時(shí)，其氣體的流量為10-25標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，快速升溫至900-1100℃，在900-1100℃的溫度下，保持恒溫5秒～3分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、8其中之一的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，快速升溫的速度為5-100℃/秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，爐退火工藝步驟如下(1)向爐退火設(shè)備的爐腔中充入氮、氬，任意體積比的氮、氬混合氣體其中的一種氣體作為保護(hù)氣氛，充入氣體的流量大于等于4標(biāo)準(zhǔn)立方/分鐘，使?fàn)t腔內(nèi)的壓力大于等于0.1Mpa，(2)使?fàn)t腔內(nèi)升溫，于爐腔內(nèi)500-800℃的溫度下，將表面層非晶化的硅片送入爐腔中，(3)將爐腔溫度升至550-1200℃，(4)在550-1200℃的溫度下，于氮、氬，任意體積比的氮、氬混合氣體其中一種氣體的保護(hù)氣氛中，恒溫進(jìn)行爐退火0.5-8小時(shí)，(5)將爐腔內(nèi)的溫度降溫至25-800℃。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，在900-1100℃的溫度下，于氮、氬、任意體積比的氮、氬混合氣體的其中一種氣體的保護(hù)氣氛中，進(jìn)行恒溫爐退火1-3小時(shí)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，爐腔內(nèi)氣體的壓力為0.1-0.3Mpa。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，升溫速度為5-100℃/分鐘。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，降溫速度為5-100℃/分鐘。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法，其特征是，快速升溫的速度為5-50℃/秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷的方法。可用于消除硅單晶片表面的晶體原生顆粒缺陷，即消除硅單晶片器件制作區(qū)原生坑缺陷。本法以直拉法生長的硅單晶片為原始硅片，將低劑量重離子Ge
文檔編號H01L21/02GK1632919SQ200310112908
公開日2005年6月29日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者肖清華, 屠海令, 周旗鋼, 王敬 申請人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司