CN1271463A - 氧沉积成核中心的分布受控的硅晶片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备氧沉积成核中心不均匀分布的硅晶片的方法。通过以在一定时间周期内在晶片的厚度方向产生温度梯度的方式加热晶片,制备氧沉积成核中心的分布受控的硅晶片。随后的氧沉积热处理后,晶片的将被快速加热到高于约900℃的区域将形成解吸区,而晶片的在快速加热期间不达到高于900℃的区域将形成氧沉积。
Description
本发明一般涉及一种氧沉积成核中心的分布受控的硅晶片的制造方法。具体说，本发明涉及氧沉积成核中心不均匀分布的晶片的制造，其中这种分布可以使随后的氧沉积热处理后，在晶片的表面附近区域形成解吸区，并在解吸区外的区域形成氧沉积。
作为制造半导体电子元件的多数工艺中的起始材料的单晶硅一般利用所谓的直拉工艺制造，该方法中单个籽晶浸入熔融的硅中，然后慢速提拉生长。在硅熔融体的温度，氧会从石英坩埚进入晶格，并保留于其中直到其达到由熔融体的温度下硅中氧的溶解度和固化硅中氧的实际分凝系数确定的浓度。这种浓度大于制造集成电路的工艺所用温度下固态硅中氧的溶解度。由于晶体从熔融体生长并冷却，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，氧以过饱和浓度存在。
一般用于电子器件制造的热处理循环会引起氧过饱和的硅晶片中氧的沉积。根据它们在晶片中的位置，这些沉积或者有害或者有利。位于晶片本体中的氧沉积能够俘获可能与晶片接触的不希望的金属杂质。利用位于晶片本体中的氧沉积俘获金属一般称为内部或本征吸杂(“IG”)。然而，位于晶片有源器件区中的氧沉积(晶片抛光表面的几微米内)会使器件性能严重退化。因此，希望这种沉积高度不均匀分布。硅晶片正面(抛光的)附近的区域应含有最小密度的这种氧沉积。然后，在从表面算起的某距离处(约20-200微米)，沉积密度应急剧增大。表面附近的无沉积区一般称作“解吸区”。该区是制造集成电路(IC)中的重要参数。
在历史上，曾通过确保大量氧外扩散到晶片表面，并在大量沉积开始发生于晶片内之前去除之，控制氧沉积的深度分布。这种外扩散工艺需要在很高温度下热处理很长时间，例如1100℃下约16小时。这种外扩散步骤后通常是热处理(例如，在700℃下约4小时)，以加速氧在这些区域中的随后沉积，直到含有足够量的氧。
许多电子器件制造商的关键要求是进行了这种热程序的所有晶片都具有均匀且可再生产的解吸区，使该解吸区外具有均匀且可再生产密度的氧沉积。然而，在合理的成本下，很难实现均匀性和可再生产性。影响给定IC制造工艺中给定硅晶片中产生的氧化物沉积的密度的几种参数包括：(1)固态溶液中原始存在的填隙氧的浓度，[Oi]i，(2)预先存在的(对于IC制造工艺来说)作为过饱和氧沉积的成核点的氧簇的密度，(3)高温下这些预先存在的簇的稳定性，及(4)用于生产电子器件的热循环的细节。每个晶片的这些参数会明显不同。
试图控制IC制造工艺期间形成的氧沉积的浓度范围的一种方法是使晶片的氧浓度范围变窄。例如，许多IC制造商需要氧浓度的范围在1ppma的目标范围内或更小。然而，这种方法会限制技术能力，降低晶体生长者控制其它参数的灵活性，增加成本。最坏的情况下，固定氧浓度不能保证成功，硅晶片的热史会显著影响氧沉积性质。所以，具有相同氧浓度但不同热史的晶片会表现出完全不同的沉积密度。
从由其自身固定氧浓度规格将不导致氧沉积密度范围变窄的事实看，利用氧浓度或可以表示氧沉积值的其它标记，可以试着将晶片分类。例如，参见Miller的美国专利4809196。利用这种方法可以提高晶片间氧沉积的一致性，但会严重影响灵活性，导致成本增加。
Bischoff等人在美国专利4437922中建议了一种形成具有高沉积密度(＞1012/cm3)的宽解吸区(≥15微米)的晶片的方法。按他们的方法，首先，通过在1100℃用四小时退火晶片，形成解吸区。形成解吸区后，Bischoff等人建议在400-500℃的温度下退火晶片，以便形成高密度的很小沉积的核，并将它们生长到允许在随后的例如925℃下的热处理仍保留下来的尺寸。此后，Bischoff等建议以低于每分钟2℃的速率将晶片加热到750℃到1000℃的温度，并在足以确保沉积在随后的处理中保留下来的周期内在该温度下退火该晶片。这些步骤显著增大了劳动量，提高了晶片的成本。
因此，本发明的目的是提供制备氧沉积成核中心的分布受控的硅晶片的方法，提供这样一种方法，其中所得晶片具有不均匀的氧沉积成核中心分布，以便在随后的处理后，在晶片表面附近的区域中形成解吸区并在解吸区外形成氧沉积区；提供一种不依赖于氧的外扩散的方法；提供一种不需要植入沉积成核点的方法；提供一种方法，其中从其上切下硅晶片的单晶硅碇的热史和氧浓度不影响晶片本体中解吸区和氧沉积的形成。
本发明旨在制备氧沉积成核中心不均匀分布的硅晶片的方法，从而在附加的热处理后，在硅晶片中形成清晰的氧沉积区。该方法包括将晶片正面加热到约950℃的温度，同时保持晶片背面在低于约900℃的温度，以便在晶片厚度方向上形成温度梯度。
本发明的其它目的和特征部分很明显，部分此后指出。
图1是表示不同温度下氧沉积成核中心的稳定性的曲线。
图2是硅晶片的剖面图，展示了其温度梯度和所形成的作为该梯度的结果的不同氧沉积特性的区域。
图3是表示可能的解吸区深度的曲线，作为在晶片正面的温度为1000℃时背侧所保持的温度的函数。
图4是展示如何在硅晶片上形成温度梯度的示意图。
图5是展示在硅晶片上形成温度梯度的另一方法的示图。
根据本发明，提出了一种制备氧沉积成核中心的分布受控的硅晶片的方法。按该方法，通过加热硅晶片的正面，并使晶片的背面与热沉接触，在数秒时间周期内，在晶片的厚度方向上产生温度梯度，从而形成两个清晰的氧沉积成核中心区。
本发明方法的初始材料为具有相当大氧浓度的单晶硅，以便在进行氧沉积热处理时其能够沉积。一般说，直拉生长的硅中氧浓度一般为约6×1017-约8.5×1017原子/cm3(ASTM标准F-121-83)，对于氧沉积来说已足够。
例如通过对硅进行热处理，包括在约650℃-约875℃，较好是800℃-875℃的温度下，对硅退火，稳定硅中存在的氧沉积成核中心，并在至少约1000℃的温度下对硅退火，在稳定的成核中心点沉积氧，从而可以从硅中沉积氧。稳定成核中心所需要的时间量取决于热处理温度，一般说，随着温度的升高，稳定成核中心需要的时间缩短。例如，在约650℃的温度下，稳定氧浓度为约7.8×1017原子/cm3的硅中的成核中心至少需要约6小时，而在约800℃温度下稳定成核中心只需要一半的时间。沉积氧的优选热处理包括将晶片加热到800℃保温四小时，然后，加热到1000℃保温十六小时。
一般说，氧沉积成核中心一般形成于在约350℃到约750℃温度下退火的硅中。所以，这些中心可以在晶碇生长后的冷却期间形成，或热处理晶碇中的硅形成，或在该温度范围内形成晶片。提出了不对它们进行稳定化热处理，通过快速加热硅到至少875℃，较好是温度连续升高到至少1000℃，退火从硅中去掉这些成核中心。此时，硅达到1000℃，由此基本上退火掉所有这些缺陷(例如，＞99％)。重要的是晶片被快速加热到这些温度，即，温度升高的速率至少为约每分钟10℃，更好是至少约每分钟约50℃。另外，利用热处理可以稳定某些或所有氧沉积成核中心。可以在相对短的时间周期内即1分钟内达到平衡。因此，通过在至少约875℃的温度下退火硅至少约30秒，较好是至少10分钟，可以消散单晶硅初始材料中的氧沉积成核中心。
图1是表示该特性的曲线图。在硅的温度接近约800℃时，氧沉积成核中心点的密度由于从硅中退火去掉而开始下降。在硅的温度达到约900℃时，氧沉积成核中心从硅中快速退火掉，达到约107个/cm3的近似探测极限。在温度连续升高时，氧沉积成核中心的点密度连续下降，直到在约1000℃从硅中退火掉大于99％的点。达到平衡所需要的时间很短，估计需要约1秒。然而，这些温度下处理时间再长一些也不能理想地改变图1所示的情况。
本发明利用了该性质，在硅晶片中形成两个明显的氧沉积成核中心区。一个区中没有可探测到的氧沉积成核中心(即，解吸区)，另一区含有氧沉积成核中心(即，沉积区)。
这两个区可以通过按以下方式加热硅晶片形成，即，在数秒的时间周期内，在晶片厚度方向上形成温度梯度。一般说，晶片的正面被加热到至少约950℃，较好是至少约1000℃。同时，晶片的背侧与热沉接触，使晶片背面保持低于约900℃较好是低于约850℃的温度。结果，在晶片的正面和背面间形成温度梯度，同时在几秒左右时间内达到稳定状态。
现参见图2，根据本发明的方法，热处理具有正面12和背面14的晶片10。晶片10就氧沉积成核中心而言具有两个明显的区。区13不含有可探测到的氧沉积成核中心，而区15含有氧沉积成核中心。这些区是按如下方式形成的，将正面加热到高于约950℃的温度T0，同时使背面保持在低于约900℃的温度T1，在晶片的厚度方向产生温度梯度17。晶片中温度梯度跨越900℃阈值的位置定义为区13和15的边界。结果，在对晶片进行氧沉积热处理时，区13和15中的硅呈现显著不同的性质：解吸区形成区13中，而氧沉积形成在区15中。重要的是，在利用外扩散法的情况下，解吸区边界20发生在硅中达到900℃的位置，不受氧浓度或预先存在成核点密度的控制。所以不需要特殊控制氧浓度或晶体的热史，也可以得到受控且可靠的解吸区。在很大程度上依赖于外扩散表面解吸法的这些要求范围内，可以大幅度提高硅晶片的氧浓度规格。另外，由于不需要控制氧浓度，所以可以提高晶体生长的生产性。
再参见图2，另外，区15(沉积区)不受处理的影响，含有处理前晶片中预先存在的大量点。所以如果需要，该区中沉积点的密度可利用解吸区的要求深度等不同方法精确且独立地调节。
图3是表示可能的解吸区深度的曲线，作为在晶片正面的温度为1000℃时背侧所保持的温度的函数。在晶片正面保持在1000℃，背面在200℃时，解吸区(即，至少达到900℃的区)的深度约为100微米。在正面温度为1000℃，背面温度保持在600℃时，解吸区的深度加深到约200微米。在优选实施例中，在它们最厚的状态下，和晶片抛光之前对晶片实施该方法。因此，最终解吸区的深度较小，其量为等于抛光工艺从正面上去掉的材料量。
现参见图4，利用灯30产生的光脉冲，可以在薄硅晶片10中快速产生温度梯度。或者，可以使用抛光带。光被反射镜34反射到晶片10的正面，同时通过保持与固态热沉36的良好热接触，将晶片背面保持在一定温度(T1)。被照的表面将达到一个温度，该温度取决于(1)照明灯的波谱功率分布；(2)硅晶片的厚度；(3)温度，T1；(4)硅晶片与热沉体热接触的量。
在硅晶片中形成足够的温度梯度一般需要约1-约5KW/cm2的辐射功率。因此，为了实现在200mm晶片表面上的均匀温度分布，一般需要约300KW的峰值灯功率。这种灯目前例如可以从加拿大的Vortek Industries购得。
现参见图5，在本发明的另一实施例中，硅晶10的背侧14与液体热沉40接触。液体热沉40的优点在于具有保形的热接触，允许硅晶片10在被灯30快速加热时自由且弹性地弯曲。这种方法可以减小晶片上的剪切应力，减小弹性形变的可能性。合适的液体热沉有液态钠、锂、锡或汞等。
从以上的描述可知，可以实现本发明的几个目的。
由于在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述方法做出不同变化，所以上述说明中所包含的内容应解释为展示而非限制。
Claims (11)
1.一种制备氧沉积成核中心不均匀分布的硅晶片的方法，该晶片具有正面和背面，该方法包括把硅晶片的正面加热到至少约950℃的温度，同时使硅晶片背面的温度保持在低于900℃的温度，以便在晶片厚度方向上形成温度梯度。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过对晶片正面施加光脉冲，并使其背面与热沉接触而将晶片背面保持在恒定温度，以在硅晶片中产生温度梯度。
3.如权利要求2所述的方法，其中将硅晶片背面机械固定于固体热沉上，以保持该晶片表面处于恒定温度。
4.如权利要求2所述的方法，其中将硅晶片背面与液体热沉接触，以保持该晶片表面处于恒定温度。
5.如权利要求4所述的方法，其中液体热沉从液体钠、锂、铅、锡和汞构成的组中选择。
6.如权利要求2所述的方法，其中光脉冲的辐射功率为约1-5kW/cm2。
7.如权利要求2所述的方法，其中光脉冲的辐射功率为约1kW/cm2。
8.如权利要求2所述的方法，其中光脉冲的周期为约1-5秒。
9.如权利要求2所述的方法，其中光脉冲的周期为约1秒。
10.如权利要求1所述的方法，其中晶片正面被加热到约1000℃的温度。
11.如权利要求1所述的方法，其中晶片背面保持在低于约850℃的温度。
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