專利名稱：氧沉積成核中心的分布受控的硅晶片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種氧沉積成核中心的分布受控的硅晶片的制造方法。具體說，本發(fā)明涉及氧沉積成核中心不均勻分布的晶片的制造，其中這種分布可以使隨后的氧沉積熱處理后，在晶片的表面附近區(qū)域形成解吸區(qū)，并在解吸區(qū)外的區(qū)域形成氧沉積。
作為制造半導(dǎo)體電子元件的多數(shù)工藝中的起始材料的單晶硅一般利用所謂的直拉工藝制造，該方法中單個籽晶浸入熔融的硅中，然后慢速提拉生長。在硅熔融體的溫度，氧會從石英坩堝進(jìn)入晶格，并保留于其中直到其達(dá)到由熔融體的溫度下硅中氧的溶解度和固化硅中氧的實(shí)際分凝系數(shù)確定的濃度。這種濃度大于制造集成電路的工藝所用溫度下固態(tài)硅中氧的溶解度。由于晶體從熔融體生長并冷卻，因此，氧在其中的溶解度快速降低，因而在所得的切片或晶片中，氧以過飽和濃度存在。
一般用于電子器件制造的熱處理循環(huán)會引起氧過飽和的硅晶片中氧的沉積。根據(jù)它們在晶片中的位置，這些沉積或者有害或者有利。位于晶片本體中的氧沉積能夠俘獲可能與晶片接觸的不希望的金屬雜質(zhì)。利用位于晶片本體中的氧沉積俘獲金屬一般稱為內(nèi)部或本征吸雜(“IG”)。然而，位于晶片有源器件區(qū)中的氧沉積(晶片拋光表面的幾微米內(nèi))會使器件性能嚴(yán)重退化。因此，希望這種沉積高度不均勻分布。硅晶片正面(拋光的)附近的區(qū)域應(yīng)含有最小密度的這種氧沉積。然后，在從表面算起的某距離處(約20-200微米)，沉積密度應(yīng)急劇增大。表面附近的無沉積區(qū)一般稱作“解吸區(qū)”。該區(qū)是制造集成電路(IC)中的重要參數(shù)。
在歷史上，曾通過確保大量氧外擴(kuò)散到晶片表面，并在大量沉積開始發(fā)生于晶片內(nèi)之前去除之，控制氧沉積的深度分布。這種外擴(kuò)散工藝需要在很高溫度下熱處理很長時間，例如1100℃下約16小時。這種外擴(kuò)散步驟后通常是熱處理(例如，在700℃下約4小時)，以加速氧在這些區(qū)域中的隨后沉積，直到含有足夠量的氧。
許多電子器件制造商的關(guān)鍵要求是進(jìn)行了這種熱程序的所有晶片都具有均勻且可再生產(chǎn)的解吸區(qū)，使該解吸區(qū)外具有均勻且可再生產(chǎn)密度的氧沉積。然而，在合理的成本下，很難實(shí)現(xiàn)均勻性和可再生產(chǎn)性。影響給定IC制造工藝中給定硅晶片中產(chǎn)生的氧化物沉積的密度的幾種參數(shù)包括(1)固態(tài)溶液中原始存在的填隙氧的濃度，[Oi]i，(2)預(yù)先存在的(對于IC制造工藝來說)作為過飽和氧沉積的成核點(diǎn)的氧簇的密度，(3)高溫下這些預(yù)先存在的簇的穩(wěn)定性，及(4)用于生產(chǎn)電子器件的熱循環(huán)的細(xì)節(jié)。每個晶片的這些參數(shù)會明顯不同。
試圖控制IC制造工藝期間形成的氧沉積的濃度范圍的一種方法是使晶片的氧濃度范圍變窄。例如，許多IC制造商需要氧濃度的范圍在1ppma的目標(biāo)范圍內(nèi)或更小。然而，這種方法會限制技術(shù)能力，降低晶體生長者控制其它參數(shù)的靈活性，增加成本。最壞的情況下，固定氧濃度不能保證成功，硅晶片的熱史會顯著影響氧沉積性質(zhì)。所以，具有相同氧濃度但不同熱史的晶片會表現(xiàn)出完全不同的沉積密度。
從由其自身固定氧濃度規(guī)格將不導(dǎo)致氧沉積密度范圍變窄的事實(shí)看，利用氧濃度或可以表示氧沉積值的其它標(biāo)記，可以試著將晶片分類。例如，參見Miller的美國專利4809196。利用這種方法可以提高晶片間氧沉積的一致性，但會嚴(yán)重影響靈活性，導(dǎo)致成本增加。
Bischoff等人在美國專利4437922中建議了一種形成具有高沉積密度(＞1012/cm3)的寬解吸區(qū)(≥15微米)的晶片的方法。按他們的方法，首先，通過在1100℃用四小時退火晶片，形成解吸區(qū)。形成解吸區(qū)后，Bischoff等人建議在400-500℃的溫度下退火晶片，以便形成高密度的很小沉積的核，并將它們生長到允許在隨后的例如925℃下的熱處理仍保留下來的尺寸。此后，Bischoff等建議以低于每分鐘2℃的速率將晶片加熱到750℃到1000℃的溫度，并在足以確保沉積在隨后的處理中保留下來的周期內(nèi)在該溫度下退火該晶片。這些步驟顯著增大了勞動量，提高了晶片的成本。
因此，本發(fā)明的目的是提供制備氧沉積成核中心的分布受控的硅晶片的方法，提供這樣一種方法，其中所得晶片具有不均勻的氧沉積成核中心分布，以便在隨后的處理后，在晶片表面附近的區(qū)域中形成解吸區(qū)并在解吸區(qū)外形成氧沉積區(qū)；提供一種不依賴于氧的外擴(kuò)散的方法；提供一種不需要植入沉積成核點(diǎn)的方法；提供一種方法，其中從其上切下硅晶片的單晶硅碇的熱史和氧濃度不影響晶片本體中解吸區(qū)和氧沉積的形成。
本發(fā)明旨在制備氧沉積成核中心不均勻分布的硅晶片的方法，從而在附加的熱處理后，在硅晶片中形成清晰的氧沉積區(qū)。該方法包括將晶片正面加熱到約950℃的溫度，同時保持晶片背面在低于約900℃的溫度，以便在晶片厚度方向上形成溫度梯度。
本發(fā)明的其它目的和特征部分很明顯，部分此后指出。


圖1是表示不同溫度下氧沉積成核中心的穩(wěn)定性的曲線。
圖2是硅晶片的剖面圖，展示了其溫度梯度和所形成的作為該梯度的結(jié)果的不同氧沉積特性的區(qū)域。
圖3是表示可能的解吸區(qū)深度的曲線，作為在晶片正面的溫度為1000℃時背側(cè)所保持的溫度的函數(shù)。
圖4是展示如何在硅晶片上形成溫度梯度的示意圖。
圖5是展示在硅晶片上形成溫度梯度的另一方法的示圖。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種制備氧沉積成核中心的分布受控的硅晶片的方法。按該方法，通過加熱硅晶片的正面，并使晶片的背面與熱沉接觸，在數(shù)秒時間周期內(nèi)，在晶片的厚度方向上產(chǎn)生溫度梯度，從而形成兩個清晰的氧沉積成核中心區(qū)。
本發(fā)明方法的初始材料為具有相當(dāng)大氧濃度的單晶硅，以便在進(jìn)行氧沉積熱處理時其能夠沉積。一般說，直拉生長的硅中氧濃度一般為約6×1017-約8.5×1017原子/cm3(ASTM標(biāo)準(zhǔn)F-121-83)，對于氧沉積來說已足夠。
例如通過對硅進(jìn)行熱處理，包括在約650℃-約875℃，較好是800℃-875℃的溫度下，對硅退火，穩(wěn)定硅中存在的氧沉積成核中心，并在至少約1000℃的溫度下對硅退火，在穩(wěn)定的成核中心點(diǎn)沉積氧，從而可以從硅中沉積氧。穩(wěn)定成核中心所需要的時間量取決于熱處理溫度，一般說，隨著溫度的升高，穩(wěn)定成核中心需要的時間縮短。例如，在約650℃的溫度下，穩(wěn)定氧濃度為約7.8×1017原子/cm3的硅中的成核中心至少需要約6小時，而在約800℃溫度下穩(wěn)定成核中心只需要一半的時間。沉積氧的優(yōu)選熱處理包括將晶片加熱到800℃保溫四小時，然后，加熱到1000℃保溫十六小時。
一般說，氧沉積成核中心一般形成于在約350℃到約750℃溫度下退火的硅中。所以，這些中心可以在晶碇生長后的冷卻期間形成，或熱處理晶碇中的硅形成，或在該溫度范圍內(nèi)形成晶片。提出了不對它們進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，通過快速加熱硅到至少875℃，較好是溫度連續(xù)升高到至少1000℃，退火從硅中去掉這些成核中心。此時，硅達(dá)到1000℃，由此基本上退火掉所有這些缺陷(例如，＞99％)。重要的是晶片被快速加熱到這些溫度，即，溫度升高的速率至少為約每分鐘10℃，更好是至少約每分鐘約50℃。另外，利用熱處理可以穩(wěn)定某些或所有氧沉積成核中心?？梢栽谙鄬Χ痰臅r間周期內(nèi)即1分鐘內(nèi)達(dá)到平衡。因此，通過在至少約875℃的溫度下退火硅至少約30秒，較好是至少10分鐘，可以消散單晶硅初始材料中的氧沉積成核中心。
圖1是表示該特性的曲線圖。在硅的溫度接近約800℃時，氧沉積成核中心點(diǎn)的密度由于從硅中退火去掉而開始下降。在硅的溫度達(dá)到約900℃時，氧沉積成核中心從硅中快速退火掉，達(dá)到約107個/cm3的近似探測極限。在溫度連續(xù)升高時，氧沉積成核中心的點(diǎn)密度連續(xù)下降，直到在約1000℃從硅中退火掉大于99％的點(diǎn)。達(dá)到平衡所需要的時間很短，估計需要約1秒。然而，這些溫度下處理時間再長一些也不能理想地改變圖1所示的情況。
本發(fā)明利用了該性質(zhì)，在硅晶片中形成兩個明顯的氧沉積成核中心區(qū)。一個區(qū)中沒有可探測到的氧沉積成核中心(即，解吸區(qū))，另一區(qū)含有氧沉積成核中心(即，沉積區(qū))。
這兩個區(qū)可以通過按以下方式加熱硅晶片形成，即，在數(shù)秒的時間周期內(nèi)，在晶片厚度方向上形成溫度梯度。一般說，晶片的正面被加熱到至少約950℃，較好是至少約1000℃。同時，晶片的背側(cè)與熱沉接觸，使晶片背面保持低于約900℃較好是低于約850℃的溫度。結(jié)果，在晶片的正面和背面間形成溫度梯度，同時在幾秒左右時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
現(xiàn)參見圖2，根據(jù)本發(fā)明的方法，熱處理具有正面12和背面14的晶片10。晶片10就氧沉積成核中心而言具有兩個明顯的區(qū)。區(qū)13不含有可探測到的氧沉積成核中心，而區(qū)15含有氧沉積成核中心。這些區(qū)是按如下方式形成的，將正面加熱到高于約950℃的溫度T0，同時使背面保持在低于約900℃的溫度T1，在晶片的厚度方向產(chǎn)生溫度梯度17。晶片中溫度梯度跨越900℃閾值的位置定義為區(qū)13和15的邊界。結(jié)果，在對晶片進(jìn)行氧沉積熱處理時，區(qū)13和15中的硅呈現(xiàn)顯著不同的性質(zhì)解吸區(qū)形成區(qū)13中，而氧沉積形成在區(qū)15中。重要的是，在利用外擴(kuò)散法的情況下，解吸區(qū)邊界20發(fā)生在硅中達(dá)到900℃的位置，不受氧濃度或預(yù)先存在成核點(diǎn)密度的控制。所以不需要特殊控制氧濃度或晶體的熱史，也可以得到受控且可靠的解吸區(qū)。在很大程度上依賴于外擴(kuò)散表面解吸法的這些要求范圍內(nèi)，可以大幅度提高硅晶片的氧濃度規(guī)格。另外，由于不需要控制氧濃度，所以可以提高晶體生長的生產(chǎn)性。
再參見圖2，另外，區(qū)15(沉積區(qū))不受處理的影響，含有處理前晶片中預(yù)先存在的大量點(diǎn)。所以如果需要，該區(qū)中沉積點(diǎn)的密度可利用解吸區(qū)的要求深度等不同方法精確且獨(dú)立地調(diào)節(jié)。
圖3是表示可能的解吸區(qū)深度的曲線，作為在晶片正面的溫度為1000℃時背側(cè)所保持的溫度的函數(shù)。在晶片正面保持在1000℃，背面在200℃時，解吸區(qū)(即，至少達(dá)到900℃的區(qū))的深度約為100微米。在正面溫度為1000℃，背面溫度保持在600℃時，解吸區(qū)的深度加深到約200微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，在它們最厚的狀態(tài)下，和晶片拋光之前對晶片實(shí)施該方法。因此，最終解吸區(qū)的深度較小，其量為等于拋光工藝從正面上去掉的材料量。
現(xiàn)參見圖4，利用燈30產(chǎn)生的光脈沖，可以在薄硅晶片10中快速產(chǎn)生溫度梯度?；蛘?，可以使用拋光帶。光被反射鏡34反射到晶片10的正面，同時通過保持與固態(tài)熱沉36的良好熱接觸，將晶片背面保持在一定溫度(T1)。被照的表面將達(dá)到一個溫度，該溫度取決于(1)照明燈的波譜功率分布；(2)硅晶片的厚度；(3)溫度，T1；(4)硅晶片與熱沉體熱接觸的量。
在硅晶片中形成足夠的溫度梯度一般需要約1-約5KW/cm2的輻射功率。因此，為了實(shí)現(xiàn)在200mm晶片表面上的均勻溫度分布，一般需要約300KW的峰值燈功率。這種燈目前例如可以從加拿大的Vortek Industries購得。
現(xiàn)參見圖5，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，硅晶10的背側(cè)14與液體熱沉40接觸。液體熱沉40的優(yōu)點(diǎn)在于具有保形的熱接觸，允許硅晶片10在被燈30快速加熱時自由且彈性地彎曲。這種方法可以減小晶片上的剪切應(yīng)力，減小彈性形變的可能性。合適的液體熱沉有液態(tài)鈉、鋰、錫或汞等。
從以上的描述可知，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的幾個目的。
由于在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對上述方法做出不同變化，所以上述說明中所包含的內(nèi)容應(yīng)解釋為展示而非限制。
權(quán)利要求
1.一種制備氧沉積成核中心不均勻分布的硅晶片的方法，該晶片具有正面和背面，該方法包括把硅晶片的正面加熱到至少約950℃的溫度，同時使硅晶片背面的溫度保持在低于900℃的溫度，以便在晶片厚度方向上形成溫度梯度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過對晶片正面施加光脈沖，并使其背面與熱沉接觸而將晶片背面保持在恒定溫度，以在硅晶片中產(chǎn)生溫度梯度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中將硅晶片背面機(jī)械固定于固體熱沉上，以保持該晶片表面處于恒定溫度。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中將硅晶片背面與液體熱沉接觸，以保持該晶片表面處于恒定溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中液體熱沉從液體鈉、鋰、鉛、錫和汞構(gòu)成的組中選擇。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中光脈沖的輻射功率為約1-5kW/cm2。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中光脈沖的輻射功率為約1kW/cm2。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中光脈沖的周期為約1-5秒。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中光脈沖的周期為約1秒。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中晶片正面被加熱到約1000℃的溫度。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中晶片背面保持在低于約850℃的溫度。
全文摘要
一種制備氧沉積成核中心不均勻分布的硅晶片的方法。通過以在一定時間周期內(nèi)在晶片的厚度方向產(chǎn)生溫度梯度的方式加熱晶片,制備氧沉積成核中心的分布受控的硅晶片。隨后的氧沉積熱處理后,晶片的將被快速加熱到高于約900℃的區(qū)域?qū)⑿纬山馕鼌^(qū),而晶片的在快速加熱期間不達(dá)到高于900℃的區(qū)域?qū)⑿纬裳醭练e。
文檔編號C30B29/06GK1271463SQ98809399
公開日2000年10月25日 申請日期1998年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月22日
發(fā)明者羅伯特·福斯特 申請人:Memc電子材料有限公司