CN1035917A - Cmos器件用硅片的缺陷控制和利用工艺 - Google Patents

Abstract

一种半导体材料的处理方法，特别是CMOS器件用硅片缺陷控制和利用工艺，其工序是先将自然直拉硅单晶进行中子辐照，然后进行切、磨、抛等硅片加工，合格的硅抛光片清洗处理后，直接进行CMOS集成电路工艺制造的第一道热工序。该工艺稳定、重复性好，可大大节约工时和能耗。用该工艺处理的硅片制造CMOS器件成品率及电参数均得到大大提高。因此，可广泛用于CMOS器件的制造。

Description

本发明涉及一种半导体材料的处理方法，特别是对经过中子嬗变掺杂后的直拉硅抛光片进行热处理的方法。

在1986年10月北京香山饭店国际半导体学术会议的论文集中，美国贝尔实验室MurrdyHlLL等人公开了一种CMOS器件用硅片的内吸除工艺。其方法是，在电路工艺以前对直拉硅硅片进行内吸除热退火，详细步骤是，将直拉硅硅片放入扩散炉，在1100℃恒温2-8小时，再降温至700℃恒温24小时，再升温至1050℃恒温24小时，才能在硅片正表面形成一定厚度的低氧无缺陷剥光区，同时在硅片体内促使氧沉淀并锈生缺陷，形成缺陷吸除源，以吸除电路制造工艺过程中沾污到有源区的重金属杂质和微缺陷，保证电路有源区对硅片纯度与完整性的要求。这种工艺方法不足之处是：

1、硅片在高温下进行长达几十个小时的热处理，必然造成工时和能源的大量消耗，并且很难避免沾污。

2、退火过程中极易在硅片中引入热应力，造成硅片

曲，甚至产生滑移位错，且硅片直径愈大，问题愈严重。

3、一般直拉硅的内吸除热退火处理，因受硅单晶生长的热历史的制约，效果重复性、稳定性差。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，使中子嬗变掺杂技术（NTD）和内吸除技术（IG）相结合，提供一种对CMOS器件用硅片的缺陷控制和利用新工艺。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

1、将自然硅单晶（不掺杂的直拉硅单晶）在原子反应堆中按一定的目标电阻率进行大剂量中子辐照，中子辐照的积分通量根据原始单晶电阻率和目标电阻率确定。

2、将符合目标电阻率的硅棒进行切、磨、抛等硅片加工。

3、将合格的硅抛光片清洗处理后，直接进行CMOS集成电路制造工艺的第一道热氧化工序，即：

①在干氧保护气氛下，1000℃-1180℃的扩散炉内恒温1-2小时;

②硅片移动到炉内温度为850℃-950℃时停留1-2分钟;

③出炉后自然冷却。

这时硅片正表面形成稳定的无缺陷剥光区，厚度为15-100微米，并在硅片体内形成缺陷吸除源，从而实现了对CMOS器件用硅片的缺陷控制和利用。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、对直拉硅进行大剂量中子辐照，利用核嬗变掺杂，获得集成电路级N型低阻硅单晶，硅片电阻率的径向不均匀度可以达到≤3%，微区不均匀度可达到≤3%，从而可以满足超大规模（VLSI）、超超大规模（ULSI）集成电路对硅片高均匀性、完整性、高纯度的要求。

2、在核嬗变掺杂的同时，伴随引入辐照缺陷，在电路工艺热过程中，辐照缺陷与硅中杂质（特别是氧）相互作用，实现氧的可控沉淀，从而使其具有如下特点：

①辐照硅片在1000℃-1100℃时退火，辐照引入缺陷加快了硅片正表面氧的外扩散，促进了硅片正表面无缺陷剥光区的形成，并且剥光区宽度只与热处理温度有关。

②促进了硅片体内吸除源的形成，使其具有内吸除能力，免除了长时间予热退火带来的各种不良影响，且工艺稳定，重复性好。

③可有效地抑制硅片表面热氧化层错（OSF）的产生，且硅片强度较高，极不易产生热应力滑移位错。

3、本发明使中子嬗变掺杂技术（NTD）与内吸除技术（IG）相结合。中子嬗变掺杂的热退火（NTD退火）和形成硅片表面剥光区、体内缺陷吸除源的热退火（IG退火）均可在CMOS电路的第一道热氧化工序中完成，完全省去了现有技术中长达几十小时的予热退火处理，大大的节省了工时和能源的消耗。

4、经上述工艺处理的CMOS器件用硅片在器件制造工艺后，成品率及电参数均得到大大改善。

以4903CMOS电路、芯片面积5.0×5.0mm²、制作1000-1100个元件为例，经器件制造工艺后，测试结果对比如下表：

附图说明：

图1，为美国贝尔实验室普通CZSi三步退火产生内吸除效应工艺示意图。图中横坐标t（h）为退火时间，纵坐标T（℃）为退火温度。

图2，为本发明一步退火工艺示意图。它是在器件制造第一道热工序中完成的，图中横坐标t（h）为退火时间，纵坐标T（℃）为退火温度。

图3，（a）为热氧化后，硅片纵向缺陷分布的腐蚀观察;

（b）为热氧化后，氧沉淀及锈生缺陷密度的纵向分布;

（c）硅片热氧化后，间隙氧含量的纵向分布;

（d）有意沾污金后的吸除效果。

图中横坐标为距硅片表面距离，Ⅰ区为无缺陷剥光区，Ⅱ区为沉淀高密度区，Ⅲ区为沉淀低密度区。

本发明下面结合具体实施例作进一步详述：

1、原始硅单晶

N型（100）直拉硅，直径76.2毫米;

电阻率为100-200欧姆·厘米;

无位错;

氧含量1-2×10¹⁸/Cm³;

碳含量≤3×10¹⁶/Cm³。

2、辐照后的硅单晶及硅片

N型（100）    直径76.2毫米;

电阻率6.67欧姆·厘米;

氧含量1-2×10¹⁸/Cm³;

碳含量≤3×10¹⁶/Cm³;

电阻率径向不均匀度≤3%;

微区不均匀度≤3%。

3、硅抛光片厚度420微米，

氧化层错密度：5个/Cm²，

实施例1：

将上述硅抛光片清洗处理后，送入温度为1050℃的扩散炉内恒温1.5小时，炉内用干氧作保护气氛。在炉内温度为850℃时停留1-2分钟，然后出炉自然冷却，

氧化后硅片测试结果如下：

无缺陷剥光区厚度30微米;

吸除源缺陷密度10⁶/cm²，缺陷分布如图3中（a）;

其组成为：体层错，小位错迴线，无定形氧沉淀。

实施例2：

将上述硅抛光片清洗处理后，送入温度为1150℃的扩散炉内恒温2小时，炉内用干氧作保护气氛，在炉内温度为900℃时停留1-2分钟，出炉后自然冷却。

氧化后硅片测试结果如下：

无缺陷剥光区厚度50微米;

吸除源缺陷密度10⁵/cm²，缺陷分布与图3中（a）近似;

其组成：主要为体层错，小位错迴线。

对经上述2例处理的硅片进行金的有意沾污，并通过中子活化分析金在热过程后，在硅片的纵向分布，证明该硅片具有极好的吸除重金层杂质的能力，如图3（d）。

将上述硅片与其他硅片在国内厂家投入CMOS电路1-4K集成度生产线，器件成品率对比如下表：

Claims (1)

1、一种CMOS器件用硅片的缺陷控制和利用工艺，工序是将自然直拉硅单晶进行中子辐照，然后进行切、磨、抛等硅片加工，其特征在于合格的硅抛光片清洗处理后，直接进行CMOS集成电路工艺制造的第一道热工序，具体步骤是：

①将硅抛光片在干氧保护气氛下，1000℃-1180℃的扩散炉内恒温1-2小时；

②硅片移动到炉内温度为850℃-950℃时停留1-2分钟；

③出炉后自然冷却。