[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号200510056427.4
[51]Int.CI.
H01L 21/324 (2006.01)
[43]公开日2006年9月27日[22]申请日2005.03.21[21]申请号200510056427.4
[71]申请人北京有色金属研究总院
地址100088北京市新街口外大街2号
共同申请人有研半导体材料股份有限公司[72]发明人冯泉林 周旗刚 王敬 刘斌 万关良 张
果虎 屠海令
[11]公开号CN 1838388A
[74]专利代理机构北京北新智诚知识产权代理有限公
司
代理人程凤儒
权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 3 页
[54]发明名称
一种获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法及其产品[57]摘要
本发明公开了一种获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法及其产品。该方法包括：(1)在Ar/NH3/H2或N2/NH3/H2混合气的气氛中，将硅片加热到1150～1250℃，再将硅片在1150～1250℃条件下保温30～50秒后，以20～100℃/S的降温速率进行降温至常温；(2)按照常规方法进行退火工艺；(3)按照常规方法进行热处理工艺，即获得洁净区的硅片。通过该工艺方法处理硅片，可以在5～40μm自由控制的洁净区厚度，提高吸杂区域的氧沉淀密度，同时降低表面区域的COP密度。本发明的优点在于提出一项稳定的获取洁净区的工艺并且降低COP密度的快速退火方法。
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权 利 要 求 书
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1、一种获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、在Ar/NH3/H2或N2/NH3/H2混合气的气氛中，将硅片加热到1150～1250℃，再将硅片在1150～1250℃条件下保温30～50秒后，降温时，在高温阶段(1250～800℃)的降温速率保持在20～100℃/S； (2)、按照常规方法进行退火工艺；
(3)、按照常规方法进行热处理工艺，即获得洁净区的硅片。 2、根据权利要求1所述的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中所用的Ar/NH3/H2混合气，其中，氩气对于混合气的体积百分比为0～40％、且≠0，氨气和氢气的体积比例为3∶1～1∶1。 3、根据权利要求1所述的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中所用的N2/NH3/H2混合气体，其中NH3对于混合气的体积百分比为20％～50％，而N2和H2的体积比例为1∶3～1∶6之间。 4、根据权利要求1所述的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，其特征在于：在所述的步骤(1)将RTA的高温保温温度为1150～1250℃，保温时间为30～50秒，降温时，在高温阶段1250～800℃的降温速率为20～100℃/S。 5、根据权利要求1所述的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中，通过调整Ar/NH3/H2混合气或N2/NH3/H2混合气体的体积比例，用以得到不同的洁净区厚度。
6、根据权利要求1所述的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，其特征在于：在所述的步骤(1)可以在任何的商用快速热处理装置内实施，是采用单片退火工艺。
7、一种用权利要求1所述的硅片快速热处理工艺方法制成的硅片，其特征在于：将硅片在所述的(1)、(2)、(3)三个步骤的处理后，硅片内部可以形成洁净区，洁净区的厚度在5～40μm范围内，同时洁净区下面的氧沉淀密度在1×10～9×10个/cm的范围内。
8、一种用权利要求1所述的硅片快速热处理工艺方法制成的硅片，其特征在于：将硅片在所述的步骤(1)处理后，可以将硅片表面的COP降低到20～30个/片。
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说 明 书
一种获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法及其产品
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技术领域
本发明是利用快速热处理(Rapid Thermal Process)工艺处理单晶硅抛光片，获得洁净区同时降低表面COP(Crystal original Pits晶体原生空洞)缺陷密度的一种工艺方法及其产品。具体地说是一种对硅片快速热处理处理的工艺，通过该处理后的硅片，在器件工艺中不但获得理想的洁净区厚度，而且在器件工作区域有较低的COP密度。 背景技术
硅片是现代超大规模集成电路的主要衬底材料，一般通过直拉法(Czochralski法)获得硅单晶，然后经过切片，导角，磨片，腐蚀，抛光等工艺后获得集成电路级半导体硅片。直拉法获得的硅单晶不可避免地会有氧杂质的进入。在拉晶过程中，氧会进入单晶内部，处于间隙位置。由于氧在硅中的溶解度随温度的下降而急剧的降低。所以，通过直拉法拉制出来的硅单晶，内部的氧都一般都处于过饱和态。直拉法获得的单晶一般拉速较快，这使得单晶内部含有过饱和的空位。
在单晶的冷却过程中，过饱和空位首先会发生聚集，形成空洞型缺陷。完整的空洞型缺陷一般为八面体形状，内部有可能会生成一层氧化膜，形成温度为1300℃～1100℃之间。通过不同的表征技术，空洞型缺陷呈现不同的形貌。COP是在一号清洗液(SC1)(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)腐蚀后，由激光颗粒计数器观察到的。
CZ法拉制的硅单晶氧杂质含量一般在5×10到9×10之间，处于晶格的间隙位置。在单晶冷却过程中，首先有COP的形成，在随后的冷却时，氧沉淀会在单晶内部成核(成核温度在1300℃到750℃之间)。核心的大小于密度与冷却过程相关。通过不超过1300℃的热处理就会使得沉淀核心消失。但是在700℃～1000℃左右保温，硅片内氧沉淀成核就会被稳定下来，继续保温这些核心就会长大生成氧沉淀。空位在高温能够快速扩散，缓解在氧沉淀成核过程中导致的晶格畸变或者形成OV和O2V复合体促进氧沉淀的成核长大。 单晶中空位能够聚集生成空洞型缺陷，同时还能够促进氧沉淀成核。在单晶中空位首先聚集生成空洞型缺陷，而氧沉淀的成核温度低于空洞型缺陷的形成温度。在硅单晶内部空位浓度相对较低的地方，空位不会聚集生成空洞型缺
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陷，而是在硅单晶进一步冷却时促进氧沉淀成核。
COP缺陷对GOI(栅氧化物的完整性)有极大的影响。有当处于器件工作区的COP尺寸大于集成电路特征线宽的1/3时，就可能导致器件失效并影响收率。目前主流的集成电路为0.13μm，同时满足90nm的器件工艺意见日趋成熟，所以COP对器件收率的影响将更加严重。
在器件制造中引入的热处理工艺导致硅片中氧的聚集，最终生成氧沉淀。硅片中的氧沉淀有双重作用：处于器件工作区的氧沉淀会导致器件失效，如栅氧化层的击穿，形成结漏电电流；而处于非器件工作区的氧沉淀会作为吸杂中心，起到内吸杂的作用，俘获器件制造中引入的有害的过渡族金属杂质。在工艺过程中会引入很多金属杂质。这些过渡金属能成核或者进入晶体缺陷，形成深能级缺陷。这些金属以及形成的缺陷会产生漏电电流、降低少子寿命、导致SiO2膜击穿和影响MOSFET的C-t特性。
内吸杂技术是一种有效地从有源器件区移走过渡族金属的吸杂技术。它是利用氧沉淀的双重性质和金属扩散速度快的性质，通过热处理工艺在硅片体内形成足够密度的氧沉淀，作为金属杂质的俘获中心；而在器件工作区域内通过抑制氧沉淀成核长大，使得器件工作区内形成没有氧沉淀的洁净区。在器件工艺完成后，通过高温退火(1000℃左右的退火)处理晶圆，使的金属沾污会迅速向硅片体内扩散，在氧沉淀附近被俘获。 常规的内吸除工艺是三步退火法：
第一步.高温退火，使得表面区域内自间隙氧原子发生外扩散。退火温度约为(1100～1150℃)。
第二步.氧沉淀形核热处理。通过低温(600～800℃)下的热处理，使得过饱和间隙氧发生氧沉淀形核。
第三步.氧沉淀长大。通过在高温(1000～1150℃)下的热处理，氧沉淀形核开始长大形成吸除陷阱。并在硅片表面区域形成洁净区。
这种传统的退火方法有着严重的缺陷，主要表现在洁净区厚度对初始氧依赖程度大。由于单晶拉制条件的限制，获得的单晶沿轴向的氧含量分布不均匀，一般在单晶的头部氧含量比较高，在中部比较低，尾部又开始升高，加上热场的影响，使得同一单晶上获得的硅片的氧含量有差异，氧沉淀形核也不一致。而传统的退火方法一般会大批次(如100片/批)进行热处理，这样带来一个严重的问题就是，由于氧含量，和氧沉淀初始成核状态的不同，将导致单批硅
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片的氧外扩散的深度不一致。最终结净区的厚度不一样。其次该工艺强烈依赖硅片中的初始氧浓度，对于氧浓度较低的硅片很难形成足够的吸杂中心。 美国专利文献(US6.191,010，B1)公开了一种生成魔幻洁净区的方法(Magic Denuded Zone)，是一种用快速热处理(RTP)处理硅片获得洁净区的工艺。工艺通过对硅片快速加热、快速冷却，来控制氧沉淀成核中心，使得硅片表层的氧沉淀成核、长大受到抑制，进而形成洁净区。而洁净区以下的区域，氧沉淀成核、长大受到增强。该专利有一些缺点：首先要求在快速退火过程中严格控制氧气的分压，要求及其严格的气体比例控制；其次，实际获得的洁净区太厚，且不能达到10μm以下；第三。不能降低表面的COP密度。 发明内容
本发明的目的是提供一种获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法。通过该工艺方法处理硅片，可以在5～40μm范围内自由控制的洁净区厚度，提高吸杂区域的氧沉淀密度，同时降低表面区域的COP密度。本发明的优点在于提出一项稳定的获取洁净区的工艺并且降低COP密度的快速退火方法。 本发明的另一个目的是提供一种采用获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法所制成的产品。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法，该方法包括下述步骤： (1)、在Ar/NH3/H2或N2/NH3/H2混合气的气氛中，将硅片加热到1150～1250℃，再将硅片在1150～1250℃条件下保温30～50秒后，在降温时，高温阶段1250～800℃的降温速率保持在20～100℃/S。 (2)、按照常规方法进行退火工艺；
(3)、按照常规方法进行热处理工艺，即获得洁净区的硅片。 在本发明的工艺方法的步骤(1)中，降温速率为20～100℃/S，降温速度是决定洁净区厚度和氧沉淀密度的一重要因素。提高降温速度可以增加氧沉淀密度，降低洁净区厚度。为了满足降低COP密度的目的，步骤(1)中的快速退火的保温时间不得低于30s，实验证明COP密度的降低与保温时间密切相关，开始时COP密度随着保温时间的延长迅速降低。随着保温时间的延长，COP密度会达到一个恒定值，不再改变，继续延长保温时间不会对COP降低有任何作用。这是因为使用含H2气氛的退火只能消除体积一般的COP，异常长大的COP不能通过氢气退火来消除。
在本发明的工艺方法的步骤(1)中，通过使用Ar/NH3/H2的混合气体作为
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快速热处理的保护气氛，可以获得更理想的洁净区厚度和很高的氧沉淀密度；同时降低表面的COP密度，最终生产出更符合器件工艺要求的硅衬底材料。在所述的步骤(1)中所用的Ar/NH3/H2，其中氩气对于混合气的体积百分比为0～40％，且≠0，NH3和H2的体积比例为3∶1～1∶1。在该步骤(1)中，Ar对于混合气的体积百分比为0～40％，并且可以通过调整H2和NH3的体积比例以调整洁净区的厚度和氧沉淀的密度。
在本发明的工艺方法的步骤(1)中，通过使用Ar/NH3/H2的混合气体作为快速热处理的保护气氛，也可以采用N2/NH3/H2混合气体作为快速退火的保护气氛。如果在所述的步骤(1)中所用的混合气为N2/NH3/H2混合气氛时，组成混合气各个气氛的比例不同于N2/NH3/H2混合气氛的比例。在N2/NH3/H2混合气中，NH3对于混合气的体积百分比保持在20％～50％之间，而N2和H2的体积比例为1∶3～1∶6之间。并且通过调整N2和NH3总量在混合气体中的体积比例可以调整洁净区的厚度和氧沉淀的密度。
总之，在所述的步骤(1)中，通过调整Ar/NH3/H2混合气或N2/NH3/H2混合气体的体积比例，用以得到不同的洁净区厚度。
在本发明的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法中，在所述的步骤(1)中，是采用Steag 2800 SHS快速热处理系统进行加热。本发明实用于市场上出售的任何同类型设备。在所述的步骤(1)可以在任何的商用快速热处理装置内实施，是采用单片退火工艺。
在本发明的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法中，在所述的步骤(2)中，是将硅片在700℃保温4小时，保温气氛为氢气、氩气或氮气条件下进行退火工艺。步骤(2)的退火工艺是常规的内吸除工艺的第二步的退火工艺，即氧沉淀成核工艺，在低温阶段(700℃)氧沉淀开始形成氧沉淀核心。步骤(2)即第二步的退火工艺可以在生产硅片的厂家实施，也可以由器件厂家实施。 在本发明的获得洁净区的硅片快速热处理工艺方法中，在所述的步骤(3)中，是将硅片在900℃，氮气为保护气氛条件下进行热处理，热处理时间为16小时。步骤(3)工艺是常规的内吸除工艺的第三步工艺，即氧沉淀长大工艺。通过在高温(900℃)下的热处理，氧沉淀成核开始长大形成吸杂陷阱。并在硅片表面区域形成洁净区。该退火工艺一般由器件厂家在器件制造工艺中实施。
只有经过第三步退火处理后，才能在硅片的断面看到洁净区。观察洁净区的工艺的步骤有以下几步：首先把硅片沿(110)或(111)晶面解理。然后由
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Wright腐蚀液腐蚀5分钟，用纯水漂洗后吹干。然后在金相显微镜下观察。根据显微镜内的标尺，可以测出洁净区的厚度。通过目测视场内氧沉淀的数量，可以获得氧沉淀密度。
第三步工艺一般在器件制造工艺完成后进行。这样可以使得在器件制造中引入的金属沾污被全部扩散进入硅片中心区域，在氧沉淀附近稳定下来。 采用本发明的硅片快速热处理工艺方法制成的硅片，将硅片在所述的(1)、(2)、(3)三个步骤的处理后，硅片内部可以形成图4所示的洁净区，洁净区的厚度在5～40μm范围内，同时洁净区下面的氧沉淀密度在1×10～9×10个/cm的范围内。
采用本发明的硅片快速热处理工艺方法制成的硅片，将硅片在所述的步骤(1)处理后，可以将硅片表面的COP降低到20～30个/片。
确定本发明的工艺性能好坏的主要因素有：洁净区的厚度，吸杂区氧沉淀的密度，以及COP密度降低的多少。现代器件工艺希望获得较薄的洁净区，足够的氧沉淀，以满足金属吸杂的要求；同时也希望硅片表面COP的密度较低且尺寸较小，以满足COP导致的GOI(栅氧化物完整性)降低的可能性，影响器件收率的矛盾。本发明经过对比不同工艺条件下获得的数据发现：快速退火保温温度、保温时间、降温速率、退火气氛将是影响工艺的主要参数。提高退火温度、保温时间、降温速率会导致氧沉淀密度升高，洁净区厚度变窄。提高快速退火温度和保温时间，增加氢气浓度都会导致COP密度的降低，适当提高氨气比例也可以加快COP的消除。本发明的快速退火的工艺可以说是决定氧沉淀密度、洁净区厚度、COP密度的决定性工艺。基于上述研究基础完成本发明。 现代硅片生产工艺一般要经历以下步骤：单晶拉制-单晶滚磨-切片-导角-磨片-腐蚀-热施主消除退火-抛光-清洗-封装。本发明的方法对硅片制造工艺非常实用，使用本发明的方法可以替代热施主消除退火，即在抛光工艺过后实施快速退火处理。使用本发明的方法后硅片制造工艺改为单晶拉制-滚磨-切片-导角-磨片-腐蚀-抛光-RTA[即本发明的方法中的步骤(1)]-第二步退火[即本发明的方法中的步骤(2)](根据客户要求可以不作)-清洗-封装。
本发明的方法中的步骤(1)以下简称为RTA。 附图说明
图1为硅片中心区域和表面区域的定义的示意图。 图2为快速退火前后空位分布示意图。
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图3为退火时间对COP密度的影响曲线图。
图4为在Ar/H2/NH3气氛中对硅片进行RTA处理(RTA处理温度1225℃，保温30s降温速度为90℃/S)；然后经过700℃保温4小时，900℃保温16小时处理后获得的洁净区的在电子显微镜下的照片。 具体实施方式 实施例
在H2/NH3/Ar气氛下，使用不同的降温速率，对硅片进行RTA处理工艺。在实验过程中，除保温时间不同以外，其他工艺条件都相同。RTA处理后，测量COP的密度。采用700℃保温4小时，900℃保温16小时的热处理工艺生成氧沉淀并获得的洁净区。具体工艺参数和实验结果如表1所示。
从表1中可以看到洁净区厚度随着保温时间增加而变薄，氧沉淀密度随着保温时间的增加而降低。COP密度随着保温时间的增加而降低，但是不会一直降低。30s的保温时间足够消除COP，图4为保温15S获得的洁净区，如图4所示，图4中的符号分别表示为：硅片背面1；吸杂中心2；洁净区3；硅片的抛光面4。 表1
无
RTA工艺
Ar/H/NH为保
23
护气氛气氛1200℃保温15s
降温速度：70℃/s
COP密度(个/片)氧沉淀形核长大工艺间隙氧含量(ppma)
18.6
16.4
18.6
18.6
700℃保温4小时，氢气为保护气氛900℃保温16小时
246
203
Ar/H/NH为
23
保护气氛气氛1200℃，保温30s
降温速度：70℃/s20
Ar/H/NH为
23
保护气氛气氛1200℃，保温50s
降温速度：70℃/s20
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氧沉淀密度(个3/cm)洁净区厚度(μm)
None
20
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9.3×10
9
2×10
9
6×10
9
1.6×10
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采用本发明的工艺方法的步骤(1)，使用快速退火处理的硅片可以具有以下两个优点：
首先是形成特殊的空位分布，使得在硅片表层区域5(这里我们规定硅片表层区域5是指有硅片表面5～100μm；硅片中心区域6是指夹在两个表层区域5的中间区域。其示意图见图1)空位浓度低，而在中心区域6以下空位浓度较高。其次，获得高浓度的过饱和空位。由于氨气在高温下能够分解，会生成部分的游离氮原子。游离态的氮原子能够和硅片反应在硅片表面发生氮化。使得硅片表面会生成氮硅化合物(SixNy)。氮硅化合物的生成使得在氮硅化合物和硅单晶界面处形成大量空位。在1200℃时空位可以迅速扩散到达硅片内部。同时根据Schottky和Frenkel机制，硅片中形成大量的自间隙原子和空位。在这个过程中，空位不断的向内部扩散，同时还和自间隙原子复合，在最终形成了图2所示的空位分布。
空位分布将会影响后序处理时氧沉淀的分布，空位浓度高的地方氧沉淀密度高。在表层区域空位浓度极低将不会有氧沉淀的生成。
其次，能够降低COP的密度。COP的测量是通过ADE Optiacal SystemsCorporation生产的Constellation-AWIS进行测量，快速退火处理之前的每片COP密度大约为210多个，处理后COP的密度明显降低。处理后COP密度明显降低，大约变为20～30个。在氩气比例一定的情况下，增加氨气比例可以加快COP降低速度。
图3为退火时间对COP密度的影响曲线图，其中，图3(a)为NH3/H2＝1∶1，Ar为总体积的20％时COP密度随保温时间的变化；图3(b)为NH3/H2＝2∶1，Ar为总体积的20％时COP密度随保温时间的变化。如图3所示，在图3(a)条件下保温时间可以控制在50秒；在图3(b)条件下保温时间可以控制在30秒。
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图3
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图4
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