CN1050792A - 硅半导体器件用硅片的缺陷控制工艺 - Google Patents

Abstract

一种硅半导体器件用硅片的缺陷控制工艺。该 工艺是将达到器件目标电阻率的硅单晶先用快中子 流照射，然后进行硅片加工，合格的硅片直接送入硅 器件制造的第一道热工序，在高纯气氛的保护下，随 炉升温到该工序要求的温度进行第一道热工序，该工 序结束后，随即完成了对硅片缺陷的控制。该工艺可 大大节省工时和能耗，提高成品率，改善器件电参数， 对N型、P型和重掺硅都适用。

Description

本发明涉及一种半导体材料的处理方法，特别是对经过快中子流照射的硅半导体器件用硅片进行热处理的方法。

在Appl Phys Lett30《1977》175页上，美国T、Y、Tan等人发表了硅片内吸除技术（IG），其工艺是对硅片在器件工艺前进行不同温度的予热处理，有一步、两步、甚至多步退火。通过予热处理，使直拉硅（CZSI）中过饱和间隙氧在硅片正表面外扩散，形成一定厚度（10-50μm）的无缺陷剥光区，在此同时，硅片体内由于间隙氧沉淀及诱生缺陷而引入缺陷吸除源。器件有源区在剥光区内，吸除源能够吸除器件工艺过程中重金属杂质和微缺陷的沾污，因此可以大大改善器件电参数和提高成品率。但其不足之处在于：予热处理时间过长（十几个小时至几十个小时），能耗大、效率低;在长期高温予热处理过程中，硅片易沾污和产生翅曲（特别是大直径硅片）;由于硅片间隙氧（Oi）及替位碳（C_S）浓度及分布状况的不同，以及硅片受热历史和掺杂剂的差异，以致造成对N型、P型、重掺硅单晶片热处理效果的重复性、稳定性极差。

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种硅半导体器件用硅片的缺陷控制工艺。

本发明的目的是这样实现的：

将常规生产的已达到器件目标电阻率的硅单晶先用在硅中不能引起嬗变掺杂的，通量为5×10¹⁴-1×10¹⁸n/cm²的快中子流（快中子能量＞10MeV）照射2-15小时，然后将硅单晶进行切、磨、抛等硅片加工，合格的硅片进行清洗处理后，直接送入硅半导体器件制造的第一道热工序，在高纯气氛的保护下，随炉升温到该工序要求的温度进行第一道热工序，第一道热工序结束后，出炉后自然冷却，随即完成了对硅半导体器件用硅片的缺陷控制作用。

扩散炉内的保护气氛与器件制造工艺第一道热工序中所用保护气氛相同，可用高纯氧或氮气，其通入的流量为80-200ml/min。

硅单晶经过快中子流照射，由于快中子的撞击，人为的在硅片中引入一定浓度的缺陷，通过这些缺陷控制器件制造第一道热工序中产生二次缺陷的形态、浓度与分布，以吸除器件源区沾污的重金属杂质和微缺陷。在硅半导体器件制造的第一道热工序中，温度在870-1050℃范围内时，快中子照射引入的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，并在硅片体内引入了缺陷吸除源。温度再升高，不会再改变已经形成的无缺陷剥光区和缺陷吸除源的分布，只能使缺陷吸杂区内的缺陷形态有所变化。

实验证明，快中子照射通量低于5×10¹⁴n/Cm²，在上述热工序中硅片正表面不能产生无缺陷剥光区。

附图说明：

图1是处理后硅片解理面无缺陷剥光区和吸杂区分布状况金相图（放大100倍）;图中a为剥光区，b为吸杂区;

图2是N型<100>常规硅片热退火后表面热氧化层错密度金相图（放大100倍），缺陷密度2×10⁵个/Cm²;

图3是经快中子照射后的N型<100>硅片，再经本发明方法处理，硅片表面热氧化层错密度金相图（放大100倍），缺陷密度＜100个/Cm²;

图4是未经快中子照射的硅片进行外延生长后，外延层质量曲线图（扩展电阻法测试）。图中1是样品1的曲线图，2是样品2的曲线图（10小格为4μm）;

图5是经过快中子照射的硅片进行外延生长后，外延层质量曲线图（扩展电阻法测试），图中ρ为电阻率曲线，R为电阻曲线，N为杂质浓度曲线（10小格为5μm）。

下面对本发明实施例作进一步详述：

实施例1：

硅单晶快中子流照射通量1×10¹⁷n/Cm²，照射时间10.2小时;

硅片加工后样品规格：N<100>CZSI，电阻率3-6ΩCm;无位错，厚度350μm，直径φ76.2mm;

热工序条件：将上述规格的硅抛光片清洗处理后，送入器件制造的第一道热工序的扩散炉内，在高纯氧保护气氛下，随炉升温到1030℃，恒温7小时，即完成第一道热工序。然后出炉自然冷却。保护气氛高纯氧的通入流量为85ml/min。

IG处理结果检验：将经上述处理后样品用HF酸漂洗0.5-1分钟，除去表面氧化膜，然后纵向解理，用ωrght腐蚀剂腐蚀解理面3-5分钟，用金相显微镜观察腐蚀结果：样品表面层以下形成近20μm厚无缺陷剥光区（即清洁区），无缺陷剥光区下面是高密度缺陷区（即吸杂区）。本发明硅片与常规硅片金相图比较如图1、2所示。

实施例2：

硅单晶快中子照射通量及照射时间与实施例1同;

样品规格与实施例1同;

热工序条件：将上述规格的硅抛光片制成半导体级镜面，清洗处理后，送入器件制造的第一道热工序的扩散炉内，用水蒸汽作保护气氛，随炉升温到1100℃，恒温2小时，出炉自然冷却。

表面热氧化层错密度（OSFs）检验：用HF酸漂洗1分钟，除去样品表面氧化膜，用ωrght腐蚀剂腐蚀硅片表面1分钟，用金相显微镜观察OSFs密度≤100个/Cm²。金相图如图3所示。

实施例3：

硅单晶快中子流照射通量8×10¹⁵n/Cm²，照射时间4小时;

硅片加工后样品规格：P<111>CZSI，电阻率8-12ΩCm，无位错，厚度380μm，直径φ76.2mm;

热工序条件：将上述规格样品制成半导体级镜面，清洗处理后，送入器件制造的第一道热工序的扩散炉内，在高纯氧保护气氛下，随炉升温至1100℃，恒温30小时，即完成第一道热工序。然后出炉自然冷却。保护气氛高纯氧通入流量100ml/min。

表面雾缺陷观察：将经上述处理后样品用HF酸漂洗，除去表面氧化膜，用ωrght腐蚀剂腐蚀2-3分钟，用金相显微镜观察结果：没有发现表面雾缺陷生成。

实施例4：

硅单晶快中子流照射通量1×10¹⁶n/Cm²，照射时间3小时;

硅片加工后样品规格：N<111>CZSI（重掺Sb），电阻率6×10^-3ΩCm，无位错，厚度360μm，直径φ76.2mm。

热工序条件：将上述规格的硅抛光片制成半导体级镜面，清洗处理后，送入标准的外延生长炉中，用SiHCl₃法生长外延层，温度为1200℃，控制外延生长速率为1.0-1.5μm/min，生长时间为10分钟，出炉后自然冷却。

检验结果：外延层厚度、电阻率一致性、均匀性及外延层错缺陷均比同样工艺条件下非中照硅片好。

中照与非中照后硅片经外延生长的外延层质量对比曲线（扩展电阻法测试）如图4和图5所示。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、经过快中子流照射的硅单晶，其硅片在器件制造的第一道热工序中，中照引入的缺陷可以加快硅片正表面氧的外扩散，从而促进硅片正表面无缺陷剥光区的形成，并在硅片体内引入了缺陷吸除源。因此可以大大改善和提高硅半导体器件的电参数和成品率。

2、本发明工艺是硅片不经过予热退火，而直接送入硅半导体器件制造的第一道热工序中，随第一道热工序的进行而同时完成的。因而，大大节省了工时和能耗，提高了生产效率。

3、本发明工艺可抑制N型<100>硅片热氧化层错及P型<111>硅片表面雾缺陷的产生，改善重掺硅外延生长厚度、电阻率的一致性、均匀性，抑制外延层错缺陷等。因而对N型、P型、重掺硅单晶均适应。

4、快中子照射时间短，不引起嬗变反应，不存在残留放射性问题。

Claims (2)

1、一种硅半导体器件用硅片的缺陷控制工艺，工序是将达到器件目标电阻率的硅单晶进行硅片加工，再将合格的硅片清洗处理，然后进行热退火，其特征在于：将达到器件目标电阻率的硅单晶先用通量为5×10¹⁴-1×18¹⁸n/cm²的快中子流照射2-15小时，然后进行硅片加工和清洗处理，合格的硅片直接送入硅器件制造的第一道热工序，在高纯气氛的保护下，随炉升温到该工序要求的温度进行第一道热工序，第一道热工序结束后，出炉自然冷却，随即完成了对硅半导体器件用硅片的缺陷控制。

2、按照权利要求1所说的硅片的缺陷控制工艺，其特征在于：保护气氛所用的高纯气氛与器件制造工艺第一道热工序中所用保护气氛相同，如高纯氧、氮，其通入流量为80-200ml/min。

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