CN101165224A - 一种具有内吸杂功能的掺锗硅片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有内吸杂功能的掺锗硅片及其制备方法，硅片的氧浓度为5～15×10¹⁷cm^－3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^－3，洁净区宽度为10～100μm，体微缺陷密度为1×10⁵～1×10¹⁰cm^－3。经过基于快速热处理过程的内吸杂工艺处理制备，由于直拉硅片中的微量锗原子可以在硅片中与快速热处理过程中注入的空位形成一定的复合体促进氧沉淀生成，硅片中在近表面形成具有一定宽度无缺陷的洁净区，并使得体内的体微缺陷(氧沉淀和二次缺陷)密度显著提高，因此，具有较高的内吸杂能力，对有害金属具有更好的吸杂效果，该硅片应用于制造集成电路，可以提高集成电路的成品率。

Description

一种具有内吸杂功能的掺锗硅片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有内吸杂功能的掺锗硅片，属于半导体领域。

背景技术

直拉单晶硅片广泛应用于集成电路芯片的制造。中国专利CN 1422988A公开了一种含有浓度为1×10¹³～1×10²¹cm^-3的磷或硼或砷或锑，浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3的锗的微量掺锗直拉硅单晶，由其制备的掺锗硅片由于掺杂的锗原子可以与点缺陷(自间隙硅原子、空位)相互作用，具有抑制硅单晶中原生微缺陷(特别是空洞缺陷)的作用，能有效提高硅单晶的质量和成品率，有利于降低直拉单晶硅片的生产成本。

随着半导体器件技术的不断发展，集成电路技术只要求在硅片近表面层形成2～5μm的高纯无缺陷区域，称为清洁区或洁净区(DZ)。要达到这样的目的，通常采用外吸杂或内吸杂的技术。直拉硅片中一般含有10¹⁷～10¹⁸cm^-3数量级的氧杂质，它一方面可以增强直拉硅片的机械强度，减少由于器件工艺热循环中导致的翘曲，从而不影响光刻工艺的套刻精度；另一方面通过适当的热处理过程氧杂质会在硅片体内沉淀并形成二次缺陷(BMD)，而在硅片近表面区域由于氧的外扩散形成无缺陷区域，这就是所谓的内吸杂工艺(Tan，T.Y.，et al.，AppliedPhyscis Letter 30，175(1977))。

硅片内吸杂工艺形成的体内缺陷区可以吸除器件制造工艺中不可避免的金属沾污，而硅片近表面的洁净区可以作为集成电路的有源区，因而内吸杂工艺对集成电路成片率的提高具有重要的意义。直拉硅片的内吸杂现象在1976年被首次报道(Rozgonyi，G.A.，et al.，Journal of the Electrochemistry Society 123，1910(1976))，后逐渐发展出所谓的“高-低-高”三步退火的标准内吸杂工艺(Nagasawa，et al.，Applied Physcis Letter，37，622(1980)；Peibt，H.，et al.，Physica Status Solidi，A 68，253(1981)；Peibt，H.，et al.，Physica Status Solidi，A 68，253(1981))。即：第一步在高于1100℃的温度下退火，使硅片近表面区域的氧杂质外扩散以形成洁净区，这一步通常在惰性气氛下进行；第二步在低温600～750℃下退火，以在硅片体内形成氧沉淀的核心；第三步在中高温1000～1100℃下退火使得在第二步退火中形成的氧沉淀核心长大并形成二次缺陷。因而，在硅片的近表面形成无缺陷的洁净区，在体内形成具有高密度的微缺陷(氧沉淀和二次缺陷)。以上各热处理步骤一般均在扩散热处理炉中完成。通常，内吸杂的能力的强弱，可以用洁净区的宽度和体微缺陷的密度表示。

三步内吸杂工艺的热预算较大，且与集成电路的工艺兼容性较差。随着器件工艺的不断进步，浅结器件和超浅结器件的广泛应用要求降低器件制作工艺过程中的热处理温度(K.Sueoko，et al.，Solid State Phenomena，82-84，49(2002))，传统的“高-低-高”三步退火的标准内吸杂工艺产生的内吸杂效果也将被降低。而且，随着直拉硅片直径的进一步增大，磁控拉晶技术被广泛应用于直径8英寸以上的直拉单晶硅片的制备(H.Yu，et al.，Journal ofInorganic Materials，20，453(2005))，硅片中的氧浓度由于在拉晶过程中硅融体对流被抑制而不可避免地发生下降。而单晶硅片中氧杂质浓度的下降，将削弱硅片中氧沉淀产生体微缺陷的能力，从而降低硅片的内吸杂效果。因此，大直径的直拉硅片体内的微缺陷密度较低，对有害金属的吸杂效果还有待于进一步提高。

采用基于快速热处理过程的内吸杂技术可以显著降低内吸杂工艺的热预算，而且可以向硅片中注入一定量的空位，促进氧沉淀及其二次缺陷的生成。同时采用在硅片中进行微量元素掺杂技术，将使得硅片体内形成与掺杂原子和空位相关的复合体，增强氧沉淀的形核能力，显著提高硅片体内氧沉淀及其二次缺陷的密度，从而提高器件制造过程中对有害金属的吸杂效果，提高器件成品率。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有较高内吸杂功能的掺锗硅片及其内吸杂形成工艺。

本发明的具有内吸杂功能的掺锗硅片，硅片的氧浓度为5～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3，其特征是洁净区宽度为10～100μm，体微缺陷密度为1×10⁵～1×10¹⁰cm^-3。

本发明的具有内吸杂功能的掺锗硅片的制备方法，有以下两种方案。

方案1：

具有内吸杂功能的掺锗硅片的制备方法，其特征是步骤如下，以下各步骤均在氩气或氮气的保护下进行：

1)将氧浓度为5～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3的掺锗直拉硅单晶片，于快速热处理炉中在1100～1300℃保温5～100秒，然后以10～100℃/秒的降温速率将硅片冷却到室温；

2)将经步骤1)处理的硅片置于扩散热处理炉中，在600～900℃保温4～50小时，然后以1～10℃/分钟升温速率将硅片升温到1000～1200℃；

3)将经步骤2)处理的硅片置于扩散热处理炉中，在1000～1200℃保温4～30小时，以50～200℃/分钟降温速率将硅片冷却到室温。

方案2：

具有内吸杂功能的掺锗硅片的制备方法，其特征是步骤如下，以下各步骤均在氩气或氮气的保护下进行：

1)将氧浓度为5～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3的掺锗直拉硅单晶片，于快速热处理炉中在1100～1300℃保温5～100秒，然后以10～100℃/秒的降温速率将硅片冷却到室温；

2)将经步骤1)处理的硅片置于扩散热处理炉中，在1000～1200℃保温4～30小时后，再以50～200℃/分钟降温速率将硅片冷却到室温。

本发明的有益效果在于：

发明的直拉硅片中含有微量的锗原子，经过基于快速热处理过程的内吸杂工艺处理后，由于锗原子可以在硅片中与快速热处理过程中注入的空位形成一定的复合体促进氧沉淀生成，硅片中在近表面形成具有一定宽度无缺陷的洁净区，并使得体内的体微缺陷(氧沉淀和二次缺陷)密度显著提高，因此，具有较高的内吸杂能力，对有害金属具有更好的吸杂效果，该硅片应用于制造集成电路，可以提高集成电路的成品率。

附图说明

图1是实施例1普通直拉硅片(CZ-Si)和掺锗直拉硅片(GCZ-Si)的解理面缺陷分布显微照片，其中，(a)是CZ-Si放大200倍的显微照片，(b)是GCZ-Si放大200倍的显微照片。

图2是实施例3普通直拉硅片(CZ-Si)和掺锗直拉硅片(GCZ-Si)的解理面缺陷分布显微照片，其中，(a)是CZ-Si放大200倍的显微照片，(b)是GCZ-Si放大200倍的显微照片。

具体实施方式

实施例1

选取氩气保护生长的6英寸掺锗直拉硅片(GCZ-Si)，锗浓度为1×10¹⁸cm^-3，氧浓度为9×10¹⁷cm^-3，电阻率为10欧姆·厘米。为了在硅片中形成洁净区和体缺陷区，将硅片在快速热处理炉中于1260℃保温60秒，然后以50℃/秒的降温速率降到室温，接着在扩散热处理炉中于750℃下保温4小时，然后以2℃/分钟的升温速率升温到1000℃并在1000℃保温16小时。所有的热处理都在氩气气氛下进行。热处理后的硅片经解理并在Sirtl择优腐蚀液中腐蚀3分钟，然后用OLYMPUS MX50型显微镜对解理面的缺陷分布情况进行观察拍照。

为了做对比，氧浓度和电阻率都相同，没有掺杂锗原子的普通直拉硅单晶(CZ-Si)也经历相同的处理。图1给出了经过如上所述的热处理后，普通直拉硅片(CZ-Si)和掺锗直拉硅片(GCZ-Si)的解理面缺陷分布的照片，其中，(a)是CZ-Si放大200倍的显微照片(洁净区宽度为25μm，体微缺陷密度为9×10⁸cm^-3)，(b)是GCZ-Si放大200倍的显微照片(洁净区宽度为18μm，体微缺陷密度为2×10⁹cm^-3)。从图(a)和(b)中可以看出，经过三步内吸杂热处理工艺后，在CZ-Si和GCZ-Si中都形成了洁净(DZ)区和体微缺陷(BMD)区，虽然GCZ-Si的洁净区宽度比CZ-Si略小，但仍然能达到集成电路制造要求的10μm以上。由此表明，本发明提出的掺锗硅片能够满足大规模集成电路对在硅片近表面形成高纯无缺陷薄层的要求。此外，经过基于快速热处理过程的三步内吸杂工艺后的GCZ-Si体内形成了比CZ-Si更为密集的氧沉淀，在体微缺陷区中形成更高密度的氧沉淀和二次缺陷将有利于内吸杂，可以提高硅片对器件制造过程中有害金属的吸杂效果。

实施例2

选取氩气保护生长的8英寸掺锗直拉硅片，锗浓度为1×10¹⁵cm^-3，氧浓度为6×10¹⁷cm^-3，电阻率为15欧姆·厘米。将硅片在快速热处理炉中于1300℃下保温5秒，然后以30℃/秒的降温速率降到室温，接着在扩散热处理炉中于650℃下保温4小时，然后以3℃/分钟的升温速率升温到1050℃并在1050℃保温50小时。所有的热处理都在氩气气氛下进行。可以得到具有内吸杂能力的硅片，其在硅片近表面具有宽度为14μm的无缺陷的洁净区，而在硅片体内具有密度为5×10⁹cm^-3的体微缺陷(氧沉淀和二次缺陷)。

实施例3

选取氩气保护生长的5英寸掺锗直拉硅片(GCZ-Si)，锗浓度为8×10¹⁷cm^-3，氧浓度为11×10¹⁷cm^-3，电阻率为20欧姆·厘米。选取氧浓度和电阻率都相同，没有掺杂锗原子的普通直拉硅片(CZ-Si)作为对比片也经历以下的处理。将硅片在快速热处理炉中于1260℃下保温60秒，然后以40℃/秒的降温速率降到室温，接着在扩散热处理炉中于1050℃下保温20小时。所有的热处理都在氩气气氛下进行。热处理后的硅片经解理并在Sirtl择优腐蚀液中腐蚀3分钟，然后用OLYMPUS MX50型显微镜对解理面的缺陷分布情况进行观察拍照。

图2给出了经过如上所述的热处理后，普通直拉硅片(CZ-Si)和掺锗直拉硅片(GCZ-Si)的解理面缺陷分布的照片，其中，(a)是CZ-Si放大200倍的显微照片(洁净区宽度为30μm，体微缺陷密度为7×10⁷cm^-3)，(b)是GCZ-Si放大200倍的显微照片(洁净区宽度为45μm，体微缺陷密度为1×10⁸cm^-3)。由图可以看出，经过两步内吸杂热处理工艺后，在GCZ-Si和CZ-Si中都形成了明显的洁净(DZ)区和体微缺陷(BMD)区，DZ区的宽度都在20μm以上，而GCZ-Si硅片体内形成了比CZ-Si硅片更为密集的体微缺陷，由此说明GCZ-Si硅片比CZ-Si硅片具有更高的内吸杂能力。由此表明，本发明提出的掺锗硅片能够满足大规模集成电路对在硅片近表面形成高纯无缺陷薄层，在硅片体内形成高密度的吸杂点(体微缺陷)的要求。

实施例4

选取氩气保护生长的8英寸掺锗直拉硅片，锗浓度为1×10²⁰cm^-3，氧浓度为5×10¹⁷cm^-3，电阻率为1欧姆·厘米。将硅片在快速热处理炉中于1150℃下保温20秒，然后以10℃/秒的降温速率降到室温，接着在扩散热处理炉中于1000℃下保温20小时。所有的热处理都在氩气气氛下进行。也可以得到具有内吸杂能力的硅片，在硅片近表面得到具有宽度为25μm的无缺陷的洁净区，在硅片体内形成密度为5×10⁷cm^-3的体微缺陷(氧沉淀和二次缺陷)。

Claims (3)

1.一种具有内吸杂功能的掺锗硅片，硅片的氧浓度为5～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3，其特征是洁净区宽度为10～100μm，体微缺陷密度为1×10⁵～1×10¹⁰cm^-3。

2.权利要求1所述的具有内吸杂功能的掺锗硅片的制备方法，其特征是步骤如下，以下各步骤均在氩气或氮气的保护下进行：

1)将氧浓度为5～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3的掺锗直拉硅单晶片，于快速热处理炉中在1100～1300℃保温5～100秒，然后以10～100℃/秒的降温速率将硅片冷却到室温；

2)将经步骤1)处理的硅片置于扩散热处理炉中，在600～900℃保温4～50小时，然后以1～10℃/分钟升温速率将硅片升温到1000～1200℃；

3)将经步骤2)处理的硅片置于扩散热处理炉中，在1000～1200℃保温4～30小时，以50～200℃/分钟降温速率将硅片冷却到室温。

3.权利要求1所述的具有内吸杂功能的掺锗硅片的制备方法，其特征是步骤如下，以下各步骤均在氩气或氮气的保护下进行：

1)将氧浓度为5～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹³～1×10²⁰cm^-3的掺锗直拉硅单晶片，于快速热处理炉中在1100～1300℃保温5～100秒，然后以10～100℃/秒的降温速率将硅片冷却到室温；

2)将经步骤1)处理的硅片置于扩散热处理炉中，在1000～1200℃保温4～30小时后，再以50～200℃/分钟降温速率将硅片冷却到室温。

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