CN104762656B

CN104762656B - 大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺

Info

Publication number: CN104762656B
Application number: CN201410004363.2A
Authority: CN
Inventors: 马向阳; 王剑; 高超; 董鹏; 赵剑; 杨德仁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN104762656A

Abstract

本发明提供大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺。本发明中的工艺包括如下依次的步骤：1）将硅片在惰性气氛下进行高温预处理，包括相继进行的较短时间（0.25～1小时）的高温（1150～1250℃）普通热处理和高温（1200～1250℃）快速热处理；2）在惰性气氛下进行低温普通热处理；3）在惰性气氛下进行高温普通热处理。大直径直拉硅片由于晶体生长的热历史很长，因此往往存在较多的原生氧沉淀（即：在晶体生长过程中必然形成的氧沉淀），若内吸杂工艺中的第一步仅仅是高温快速热处理，则在硅片体内形成的氧沉淀及其诱生缺陷的密度较低，导致硅片的吸杂能力不理想。利用本发明的工艺，可以在硅片体内形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷，并在硅片近表面区域形成洁净区。与内吸杂工艺中的第一步仅仅是高温快速热处理的情形相比，本工艺可以提高硅片的内吸杂能力并有效减少热预算。

Description

大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺。

背景技术

现代集成电路的制造往往需要经历数百道工艺，在很多工艺中，硅片难免会遭受金属沾污。若在芯片的有源区域存在金属沾污，将引起芯片性能的显著下降甚至导致失效。为了消除金属沾污的不利影响，目前工业界通常采用内吸杂工艺，即：通过控制直拉硅片的氧沉淀行为，一方面使硅片近表面区域（一般在几十微米以内）不形成氧沉淀，而集成电路的有源区就制作在这一区域；另一方面在硅片体内形成足够高密度的氧沉淀及其诱生缺陷，它们可以把金属沾污从集成电路的有源区吸收到硅片体内并将其固定住，从而有效避免金属沾污对集成电路芯片的危害性。一般而言，硅片体内的氧沉淀及其诱生缺陷的密度越高，内吸杂的能力越强。在过去的三四十年间，工业界总是在追求以更短的热处理时间或更低的热处理温度使直拉硅片具有同样甚至更好的内吸杂能力。

较早普遍使用的内吸杂工艺涉及到“高温-低温-高温”三步退火工艺，包括：1) 高温（1100℃及以上）热处理8小时左右，使硅片近表面区域的间隙氧杂质外扩散，形成低氧浓度区域，使得后续处理过程中在此区域氧沉淀无法形核，从而形成无氧沉淀的洁净区；2)低温650～800℃左右处理8～16小时，使硅片体内发生氧沉淀形核；3) 高温1000℃左右处理16～32小时，使硅片体内的氧沉淀核心长大，形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷。上述三步热处理的保护气氛通常为氩气或氮气。

上述“高温-低温-高温”三步退火工艺中的高温普通热处理时间长，造成工艺的热预算较大；而且，经该工艺处理后的硅片的内吸杂能力强烈依赖于氧浓度及热历史。针对上述问题，美国MEMC公司于20世纪90年代末，将快速热处理（Rapid Thermal Process，即RTP）应用于硅片内吸杂工艺，发明了所谓的“魔幻洁净区（magice denuded zone，即MDZ）”工艺（以下简称MDZ工艺）【参见：1）US patent 5994761， 2) R. Falster and V.V. Voronkov,“The Engineering of Intrinsic Point Defects in Silicon Wafers and Crystals”,Mater. Sci. Eng., B 73 (2000) p. 69】，其典型的步骤包括：1) 在氩气氛下，将硅片以100℃/s的速率升温至1250℃并维持60秒左右，以10～50℃/s左右的速率迅速降温，通过这一步骤，在硅片中形成从表面到体内浓度逐渐升高的空位分布；2) 在氩气氛下800℃处理4～8小时，这一过程中硅片体内高浓度的空位促进了氧沉淀的形核，而在硅片近表面区域因空位浓度较低而不发生氧沉淀的形核；3) 在氩气氛下1000℃处理16～32小时，使硅片体内氧沉淀核心长大，形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷。

MDZ工艺通过改变第一步RTP的温度和冷却速度，可以控制空位在硅片中的浓度分布，进而控制硅片体内氧沉淀密度和近表面区的洁净区宽度。与基于高温-低温-高温三步退火的内吸杂工艺相比，MDZ工艺大大缩短了第一步高温退火的时间，并且使得硅片的内吸杂能力几乎不依赖于硅片中的氧浓度，是目前技术上被业内所认可、工业化应用较广泛的一种内吸杂工艺。

然而，对于晶体生长热历史较长的大直径（直径为150mm以上）直拉硅片，我们发现采用MDZ工艺制得的这类硅片体内氧沉淀密度较低而导致硅片吸杂能力较弱，因此，需要发明新的内吸杂工艺解决这一问题，这对大直径硅片应用于集成电路的制造来说是非常重要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供大直径（直径为150mm以上）直拉硅片的一种内吸杂工艺，该工艺可以解决已有的MDZ工艺应用于大直径直拉硅片时所出现的体内氧沉淀密度较低而导致硅片吸杂能力较弱的问题，并且可以有效减少内吸杂工艺的热预算。

本发明采用如下的技术方案：

大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺，包括如下步骤：

1)将硅片于惰性气氛下进行高温预处理，所述的高温预处理为首先进行高温普通热处理，然后进行高温快速热处理；

2)将经步骤1)处理的硅片进行惰性气氛下的低温普通热处理，以发生氧沉淀形核；

3)将经步骤2)处理的硅片进行惰性气氛下的中高温普通热处理，使氧沉淀核心长大，形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷；

所述的惰性气氛为氩气或氮气。

所述步骤1）中的高温普通热处理的升降温速率不超过20℃/分, 一般在石英炉管中进行，可以采用电阻加热方式；高温快速热处理的升降温速率通常在10～100℃/秒之间，一般采用卤钨灯加热。

作为优选，上述直拉硅片内吸杂工艺中，步骤1)中所述的高温普通热处理的温度为1150～1250℃，热处理时间为0.25～1小时；所述的高温快速热处理的温度为1200～1250℃，升温速率为50～100℃/秒， 1200～1250℃温度的维持时间为30～120秒，冷却速率为10～100℃/秒；更优选的，步骤1)中所述的高温普通热处理的温度为1200～1250℃，热处理时间为0.5～0.75小时；所述的高温快速热处理的温度为1200～1250℃，升温速率为50～100℃/秒， 1200～1250℃温度的维持时间为30～60秒，冷却速率为50～100℃/秒。

作为优选，上述直拉硅片内吸杂工艺中，步骤2)中所述的低温普通热处理温度为650～850℃，热处理时间为4～8小时。

作为优选，上述直拉硅片内吸杂工艺中，步骤3)中所述的中高温普通热处理温度为900～1050℃，热处理时间为4～10小时；更优选的，步骤3)中所述的中高温普通热处理温度为1000～1050℃，热处理时间为6～8小时。

作为优选，所述硅片的直径大于150mm，更优选的，所述硅片的直径为200mm以上；进一步优选的，所述硅片的直径为200mm～300mm。

本发明的技术方案基于从充分消融原生氧沉淀（Grown-in oxygen precipitate,即：晶体生长过程中必然形成的氧沉淀）入手来增强后续热处理过程的氧沉淀的机理，不同于常规的MDZ内吸杂工艺，本发明的内吸杂工艺中创造性地引入充分消融原生氧沉淀并注入空位的高温预处理步骤，从而大大缩短了后续热处理的时间，大幅度提高了制得的大直径直拉硅片的内吸杂能力。

大直径直拉硅片由于晶体生长的热历史很长，因此往往存在较多的原生氧沉淀（即：在晶体生长过程中必然形成的氧沉淀），若内吸杂工艺中的第一步仅仅是高温快速热处理，则在硅片体内形成的氧沉淀及其诱生缺陷的密度较低，导致硅片的吸杂能力不理想。利用本发明的工艺，可以在硅片体内形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷，并在硅片近表面区域形成洁净区。与内吸杂工艺中的第一步仅仅是高温快速热处理的情形相比，本工艺可以提高硅片的内吸杂能力并有效减少热预算。

本发明的内吸杂工艺步骤1)的高温预处理，作用在于：利用高温普通热处理首先充分消融硅片中存在的原生氧沉淀，释放原生氧沉淀在硅晶格中引入的压应力，显著降低自间隙硅原子的浓度；然后利用高温快速热处理注入空位。上述高温预处理所产生的两方面效应为下一步的氧沉淀形核创造了有利条件。本发明中的高温预处理可带来两方面的显著效果是：一是显著提高硅片体内的氧沉淀及其诱生缺陷的密度，从而提高硅片的内吸杂能力；二是可以把已有的“高温-低温-高温”三步热处理内吸杂工艺和MDZ内吸杂工艺中的第三步用于氧沉淀长大的高温（一般为1000℃）热处理时间从16～32小时显著减少至4～10小时，甚至更短的6～8小时，从而显著降低了热预算。

需要特别指出：对于原生氧沉淀显著的大直径直拉硅片而言，本发明的内吸杂工艺中的步骤1)涉及的高温预处理所包含的高温普通热处理和高温快速热处理缺一不可，且先后次序不可改变。其理由如下：1）若未经过高温普通热处理而直接进行高温快速热处理，则原生氧沉淀的消融不够充分。残余的原生氧沉淀会在后续低温普通热处理中进一步长大，消耗快速热处理注入的空位，使得空位没有参与新的氧沉淀核心的形成。在这种情况下，后续的低温-中高温两步热处理工艺中的氧沉淀主要是基于残余的原生氧沉淀，因而最终形成的氧沉淀的密度较低，导致硅片的内吸杂能力较低。2）若只经过高温普通热处理而不进行后续的高温快速热处理，这样相当于硅片经历了第一步高温普通热处理时间大幅度缩短的“高温-低温-高温”三步退火工艺，尽管原生氧沉淀可以在第一步高温普通热处理中得到充分的消除，但是由于热处理时间只有0.25～1小时，硅片近表面区域的间隙氧外扩散不够充分，无法形成明显的低氧区域。因此，经后续低温-中高温两步热处理后，在硅片近表面区域不能形成明显的洁净区。3）若首先进行高温快速热处理然后经过高温普通热处理，虽然原生氧沉淀可以被充分地消融，但高温快速热处理注入的空位在后续的高温普通热处理过程中被消耗掉了，这相当于高温快速热处理的作用被后续的高温普通热处理消除。这种情形也就相当于第一步高温普通热处理时间大幅度缩短的“高温-低温-高温”三步退火工艺，所产生的效果如2）所述。上述三方面的理由将在实施例中得到充分的体现。

本发明的内吸杂工艺的有益效果在于：通过创造性地引入充分消融原生氧沉淀并注入空位的高温预处理步骤，本发明的内吸杂工艺可有效解决MDZ工艺应用于大直径直拉硅片时所出现的体内氧沉淀密度较低而导致硅片吸杂能力较弱的问题，在硅片体内形成大量氧沉淀，大幅度提高了制得的大直径直拉硅片的内吸杂能力，并且显著缩短了后续热处理的时间。

附图说明

图1为实施例1和对比实施例1中硅片的间隙氧原子浓度的下降量（△[Oi]）随1000℃热处理时间的变化曲线；注：△[Oi]的值越大，表明氧沉淀越显著。

图2为实施例2中硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片；注：洁净区中无氧沉淀，体微缺陷区中含有氧沉淀及其诱生缺陷。

图3为对比实施例2-1中硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片；注：洁净区中无氧沉淀，体微缺陷区中含有氧沉淀及其诱生缺陷。

图4为对比实施例2-2中硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片；注：硅片近表面没有洁净区，体微缺陷区中含有氧沉淀及其诱生缺陷。

图5为对比实施例2-3中硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片；注：硅片近表面没有洁净区，体微缺陷区中含有氧沉淀及其诱生缺陷。

图6为实施例3中硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片；注：洁净区中无氧沉淀，体微缺陷区中含有氧沉淀及其诱生缺陷。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明，但本发明不仅限于此。

实施例1

1) 将晶向为<100>、电阻率为10Ω·cm、间隙氧浓度为9.5×10¹⁷cm^-3、直径为150mm的掺磷直拉硅片在氩气氛下1250℃热处理15分钟，降温至800℃出炉，然后把硅片移至快速热处理炉中，在氩气氛下进行如下快速热处理：以50℃/秒的速率升温至1250℃并维持60秒，然后以10℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氩气氛下650℃热处理8小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氩气氛下1000℃热处理0～10小时。

图1中的曲线1为实施例1中的硅片经步骤1)、2)后，在步骤3)的10小时热处理过程中，硅片的间隙氧原子浓度减少量（△[Oi]）随热处理时间的变化曲线。这里，△[Oi]由傅里叶红外光谱仪测得，△[Oi]的值越大，表明氧沉淀越显著。氧沉淀长大过程中不断消耗间隙氧原子，故间隙氧原子减少的速率和数量，反映了氧沉淀长大的速率和量。由曲线1可以看出，实施例1中的硅片在10小时内形成了大量氧沉淀。

对比实施例1 （采用常规MDZ工艺）

1) 采用与实施例1相同的直拉硅片，进行如实施1中所描述的快速热处理，即：在氩气氛下，以50℃/秒的速率升温至1250℃并维持60秒，然后以10℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氩气氛下650℃热处理8小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氩气氛下1000℃热处理0～32小时。

图1中的曲线2为对比实施例1中硅片经步骤1)和2)后，在步骤3)的32小时热处理过程中，硅片的间隙氧原子浓度减少量（△[Oi]）随热处理时间的变化。由图1可以看到，对比实施例1中硅片在热处理32小时后的△[Oi]和实施例1中热处理6小时后的△[Oi]相当，而且△[Oi]的数值小于实施例1中热处理10小时后的△[Oi]。也就是说，对比实施例1中硅片的氧沉淀速率和氧沉淀的量明显小于实施例1中的情形。这一结果说明：本发明的内吸杂工艺的第一步高温预处理对后续MDZ工艺中氧沉淀的影响很大。

实施例2

1) 将晶向为<100>、电阻率为8Ω·cm、间隙氧浓度为7.6×10¹⁷cm^-3、直径为200mm的掺硼直拉硅片在氩气氛下1200℃热处理45分钟，降温至800℃出炉，然后把硅片移至快速热处理炉中，在氩气氛下进行如下快速热处理：以100℃/秒的速率升温至1250℃并维持45秒，然后以50℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氩气氛下800℃热处理4小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氩气氛下1000℃热处理4小时。

实施例2处理后的硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片如图2所示。图2中可见，洁净区中无氧沉淀，硅片体微缺陷区中含有氧沉淀及其诱生缺陷，并且体微缺陷（包含氧沉淀及其诱生缺陷）密度相当高，而在硅片近表面区域有大约60μm宽的洁净区。

对比实施例2-1 （采用常规MDZ工艺）

1) 采用与实施例2相同的直拉拉硅片，将硅片进行如实施2中所描述的快速热处理，即：在氩气氛下，以100℃/秒的速率升温至1250℃并维持45秒，然后以50℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氩气氛下800℃热处理4小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氩气氛下1000℃热处理16小时。

对比实施例2-1处理后的硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片如图3所示。从图3中可知，虽然在硅片近表面区域存在洁净区，但在硅片体内的微缺陷密度较低。

对比实施例2-2 （第一步高温预处理中不包含高温快速热处理）

1) 采用与实施例2相同的直拉硅片，将硅片在氩气氛下1200℃热处理45分钟；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氩气氛下800℃ 热处理4小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氩气氛下1000℃热处理16小时。

对比实施例2-2处理后的硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片如图4所示。从图4中可知，虽然在硅片体内的微缺陷密度很高，但表面没有洁净区。

对比实施例2-3 （第一步高温预处理中，高温快速热处理先于高温普通热处理）

1) 采用与实施例2相同的直拉硅片，将硅片进行如实施2中所描述的快速热处理，即:在氩气氛下，以100℃/秒的速率升温至1250℃并维持45秒，然后以50℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却，然后将硅片移至普通热处理炉中，在氩气氛下1200℃热处理45分钟；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氩气氛下800℃热处理4小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氩气氛下1000℃热处理16小时。

对比实施例2-3处理后的硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片如图5所示。从图5中可知，虽然在硅片体内的微缺陷密度很高，但表面没有洁净区。

通过比较实施例2、对比实施例2-1、2-2和2-3的结果，证明了本发明的内吸杂工艺中的步骤1)涉及的高温预处理中的两项热处理缺一不可，且先后顺序不可改变。具体来说：1）实施例2是利用本发明的工艺，在硅片体内形成高密度的体微缺陷，同时又在硅片近表面区形成洁净区，使硅片具有很好的内吸杂能力；2）对比实施例2-1中的第一步高温预处理缺少了高温普通热处理（即与常规MDZ工艺相同），这时硅片中虽然有洁净区形成，但体微缺陷密度很低，这样的硅片吸杂能力很差；3）对比实施例2-2中的第一步高温预处理缺少了高温快速热处理，这时在硅片的近表面区域没有形成洁净区；4）对比实施例2-3中的第一步高温预处理将高温快速热处理置于高温普通热处理之前，这时在硅片近表面区域没有形成洁净区。

对比实施例2-1实际上是相当于实施了常规的MDZ工艺，在硅片中产生的体微缺陷密度远低于实施例2中采用本发明的工艺所产生的体微缺陷密度；而且实施例2中的第三步高温（1000℃）热处理只用了4小时，而对比实施例2-1中第三步高温（1000℃）热处理却用了16小时。由此可见，采用本发明的技术路线，可以显著减少内吸杂的热预算。

实施例3

1) 将晶向为<100>、电阻率为8Ω·cm、间隙氧浓度为7.0×10¹⁷cm^-3、直径为300mm的掺硼直拉硅片在氮气氛下1150℃热处理1小时，800℃出炉，然后将硅片移至快速热处理炉，在氮气氛下进行如下快速热处理：以75℃/秒的速率升温至1200℃并维持30秒，然后以100℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氮气氛下850℃热处理6小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氮气氛下900℃热处理8小时。

实施例3处理后的硅片经择优腐蚀后显现的洁净区和体微缺陷区的光学显微镜照片如图6所示。可以看到硅片体内微缺陷（包含氧沉淀及其诱生缺陷）密度相当高，而在硅片近表面区域有大约30μm宽的洁净区。

实施例4

1) 将晶向为<100>、电阻率为8Ω·cm、间隙氧浓度为7.0×10¹⁷cm^-3、直径为300mm的掺硼直拉硅片在氮气氛下1200℃热处理30分钟，800℃出炉，然后将硅片移至快速热处理炉，在氮气氛下进行如下快速热处理：以75℃/秒的速率升温至1200℃并维持120秒，然后以100℃/秒的速率冷却至1000℃，再让硅片自然冷却；

2) 将经步骤1)处理的硅片在氮气氛下850℃热处理6小时；

3) 将经步骤2)处理的硅片在氮气氛下1050℃热处理6小时，得到近表面为洁净区、体内为高密度的体缺陷区、具有良好吸杂能力的硅片。

Claims

1.大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺，其特征在于包括以下步骤：

1)将硅片于惰性气氛下进行高温预处理，所述的高温预处理为：首先进行高温普通热处理，然后进行高温快速热处理；所述的高温普通热处理的温度为1150～1250℃，热处理时间为0.25～1小时；

2)将经步骤1)处理的硅片进行惰性气氛下的低温普通热处理；

3)将经步骤2)处理的硅片进行惰性气氛下的中高温普通热处理；

所述的惰性气氛为氩气或氮气。

2.根据权利要求1所述的内吸杂工艺，其特征在于：步骤1)中所述的高温快速热处理的温度为1200～1250℃，升温速率为50～100℃/秒，1200～1250℃温度的维持时间为30～120秒，冷却速率为10～100℃/秒。

3.根据权利要求1所述的内吸杂工艺，其特征在于：步骤1)中所述的高温普通热处理的温度为1200～1250℃，热处理时间为0.5～0.75小时。

4.根据权利要求1所述的内吸杂工艺，其特征在于：步骤1)中所述的高温快速热处理的温度为1200～1250℃，升温速率为50～100℃/秒，1200～1250℃温度的维持时间为30～60秒，冷却速率为50～100℃/秒。

5.根据权利要求1所述的内吸杂工艺，其特征在于：步骤2)中所述的低温普通热处理温度为650～850℃，热处理时间为4～8小时。

6.根据权利要求1所述的内吸杂工艺，其特征在于：步骤3)中所述的中高温普通热处理温度为900～1050℃，热处理时间为4～10小时。

7.根据权利要求6所述的内吸杂工艺，其特征在于：步骤3)中所述的中高温普通热处理温度为1000～1050℃，热处理时间为6～8小时。

8.根据权利要求1-7任一项所述的内吸杂工艺，其特征在于：所述硅片的直径为150mm以上。

9.根据权利要求8所述的内吸杂工艺，其特征在于：所述硅片的直径为200mm以上。

10.根据权利要求9所述的内吸杂工艺，其特征在于：所述硅片的直径为200mm～300mm。