專利名稱：熱處理硅晶片的方法及用該方法制造的硅晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱處理硅晶片的方法，并且涉及用該方法制造的實(shí)質(zhì)上無空位集塊(COP)的硅晶片。
一種重要類型的缺陷是公知的COP(晶體起因微粒(crystaloriginated particles))，其是可結(jié)合成通常50至150納米大小孔隙的空位組。這些缺陷可用許多方法測(cè)量。借助于SC1溶液(NH3/H2O2/H2O)，在約85℃溫度下對(duì)缺陷進(jìn)行部分蝕刻20分鐘，隨后實(shí)施光散射測(cè)量，此為測(cè)試晶片表面上的COP的一項(xiàng)可能的選擇。借助于Secco蝕刻對(duì)缺陷進(jìn)行部分蝕刻30分鐘，除去約30微米的硅，隨后計(jì)數(shù)，也可能顯現(xiàn)這些缺陷。若所計(jì)數(shù)的缺陷具有已知的旗標(biāo)(標(biāo)記)，則稱它們?yōu)镕PD(流體圖案缺陷(flow pattern defect))。所得到的結(jié)果為每單位面積的FPD密度，如果考慮預(yù)備蝕刻過程中除去的材料，該每單位面積密度可轉(zhuǎn)換成每單位體積密度。此相同缺陷也可借助于IR-LST(紅外線—光散射斷層x射線照相法)測(cè)量，其中在硅晶片缺陷處散射Nd-YAG激光束，在與激光束成90°角的方向檢測(cè)散射光。因采用測(cè)量方法而得名，該缺陷稱作LSTD缺陷。
將電子元件制作在半導(dǎo)體晶片上時(shí)，COP對(duì)許多電子元件參數(shù)具有不良影響。所以，必須至少將硅晶片電子元件有源層的這些缺陷除去。依照現(xiàn)有技術(shù)，為達(dá)成此目的有三種可能方式在拉晶過程中，通過保持一個(gè)精密限定的加工窗口，可能制造無空位及因此也無空位集塊(COP)的單晶。然而，由于低拉晶速率在＜0.5毫米/分鐘的范圍內(nèi)，拉晶需要大量成本。再者，緊密的加工窗口導(dǎo)致低合格率，同樣地對(duì)該方法的經(jīng)濟(jì)可行性具有不良影響。由于無空位存在，如此所制硅晶片的另一缺點(diǎn)是無吸氣容量。Kissinger等人在Electrochem.Soc.Proc.8-1(1998)，1095中曾更詳細(xì)地描述了空位、間隙氧及硅晶片吸氣容量間的關(guān)系。
作為制作無COP單晶的替代方法，在包含COP的硅晶片表面上以外延方式沉積另一硅層是可能的。由于沉積過程中的生長(zhǎng)速率低，與利用Czochralski法所制常規(guī)單晶不同，外延層具有實(shí)質(zhì)上完美的晶體結(jié)構(gòu)且通常無COP。外延層的沉積工作是繁復(fù)的加工步驟且大幅提高產(chǎn)品的價(jià)格。再者，許多電子元件加工要求硅晶片的表面向下至少10微米的深度無缺陷。沉積如此厚的外延層非常耗時(shí)且因此不經(jīng)濟(jì)。
例如，如EP 829 559 A1中所述，第三個(gè)替代方法包括在氬或氫氣氛下，將由常規(guī)單晶所制的硅晶片暴露在1200℃以上的溫度下1至2小時(shí)。許多試驗(yàn)顯示了晶片表面的COP經(jīng)退火，形成接近表面的無COP層。但退火加工非常耗時(shí)且因此昂貴。
在超過1200℃的高溫下實(shí)施退火加工過程中需用碳化硅栓以固定晶片。這總是引起金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。由于過程是在氬或氫內(nèi)1200℃溫度下實(shí)施，結(jié)合在碳化硅內(nèi)的金屬可容易地分布在加工室內(nèi)，因而可到達(dá)硅晶片內(nèi)。
在外延的情況下及在退火的情況下，在拉晶過程中形成的氧沉淀的成核中心，是以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^高溫予以減少，以便在隨后的電子元件加工中可用的成核中心不足，所以，吸氣中心不可能以足夠數(shù)目生長(zhǎng)。
例如，如WO 98/38675或DE 19924 649 A1中所述，借助于RTA(快速加熱退火)處理可解決該問題。在高溫下，形成許多空位，在隨后的快速冷卻過程中它們僅能擴(kuò)散至接近表面諸區(qū)的表面，但仍在它們所占用的硅晶片體積內(nèi)。所以，在隨后電子元件加工中可發(fā)生不規(guī)則氧沉淀，該不規(guī)則氧沉淀與吸氣中心有關(guān)。但此額外RTA處理又增加了硅晶片的生產(chǎn)成本。
US 6,245,311描述了一種借助于多步驟RTA加工以減低硅晶片表面COP密度的方法?？紤]時(shí)間及產(chǎn)量，RTA處理最好采用分批方式。為消除利用含氫氣氛所造成的晶片表面粗化現(xiàn)象，需要在不同溫度下及不同氣氛中實(shí)施的各種步驟。
EP 1 087 042 A1描述了摻雜氮的單晶，其中COP具有特別形狀。由于表面積/體積比大，借助于RTA步驟，可將接近由該晶體所制硅晶片表面薄層的COP消除至約0.5微米深處，因此表面薄層內(nèi)的COP密度得以減至約為晶片總COP密度的50％或更低。
為溶解接近表面的COP，EP 926 718 A2描述了在還原氣氛如含氫氣氛中于1200℃溫度下實(shí)施的常規(guī)RTA加工法。但所用起始原料是由單晶制造的硅晶片，該單晶是利用Czochralski法在特殊情況下抽拉而成的。該單晶的抽拉速率為至少0.6毫米/分鐘且其氧密度至多為16ppma(對(duì)應(yīng)于6.4×1017個(gè)原子/立方厘米)。由于所選加工參數(shù)所致，拉晶過程中所形成的COP較小，所以在快速加熱退火過程中可容易地溶解。
迄今公開的有關(guān)消除COP的所有熱處理方法均是基于氧擴(kuò)散至硅晶片表層以外。COP氧化物表層的氧原子是與混入晶格內(nèi)的間隙氧原子達(dá)到平衡狀態(tài)，且這些原子再與硅晶片表面自然氧化物層達(dá)到平衡狀態(tài)。如COP退火例子中常見的，若晶片暴露于高溫下的還原氣氛，表面氧化物層通過還原作用被除去。由于上述平衡狀態(tài)，間隙氧原子自晶體向表面擴(kuò)散，同時(shí)氧原子自COP氧化物表層擴(kuò)散出至晶格內(nèi)，結(jié)果COP的氧化物表層溶解。除去氧化物表層的COP再與晶格的空位達(dá)到平衡，該空位同樣地朝晶片表面擴(kuò)散。結(jié)果，這導(dǎo)致了COP的溶解。
因所述擴(kuò)散過程進(jìn)行得非常緩慢，COP僅可在合理的時(shí)間內(nèi)自表層除去。尤其在表面需要特別深無COP層的電子元件如當(dāng)采用深溝渠技術(shù)的電子元件時(shí)，此種情形極為不利。迄今，電子元件的最大厚度已限制在無COP層的厚度。
再者，如以上所述，氧的向外擴(kuò)散作用僅可在還原氣氛中達(dá)成，但這些還原氣氛可粗化表面并導(dǎo)致污染問題。
通過硅晶片的熱處理方法可達(dá)成本發(fā)明的目的，其中熱處理是在高于間隙溶解氧濃度等于其飽和濃度時(shí)的溫度下進(jìn)行，該飽和濃度是間隙溶解氧與COP氧化物表層達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)所形成的氧濃度。
依照本發(fā)明，實(shí)施熱處理時(shí)的溫度是依據(jù)下式選得[Oi]<[Oi]eq(T)exp(2σSinO2ΩrkT)]]>在此不等式內(nèi)[Oi]代表硅晶片內(nèi)的氧濃度，或更精確地講是間隙溶解氧濃度，其通常是由FTIR光譜測(cè)定。[Oi]eq(T)是在已知溫度T下硅內(nèi)氧的溶解度極限。例如，在Hull所編“晶體硅的性能”，TheInstitution of Electriczal engineers，倫敦，1999，第489頁(yè)描述了此種函數(shù)。σsio2是二氧化硅(SiO2)的表面能，在Huff，H.R.，F(xiàn)abry L.，KishinoS合編的“半導(dǎo)體硅2002”，Volume 2，The Electrochemical Society，Pennington，2002，第545頁(yè)所述該表面能為310爾格/平方厘米。Ω是沉淀氧原子的體積，該體積可利用Ω＝Msio2/(2ρsio2NR)的關(guān)系式，由摩爾質(zhì)量Msio2、二氧化硅密度ρsio2及阿佛加德羅常數(shù)NR計(jì)算得來。r代表平均COP半徑，k代表波耳茲曼常數(shù)及T代表K。
為使本發(fā)明方法達(dá)到成功，重要的是待選的溫度足夠高，以便與COP表面的氧化物表層達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的氧濃度(即不等式的右側(cè))超過間隙溶解氧原子的濃度[Oi]。所以，間隙氧的濃度低于其飽和濃度，因此COP的氧化物表層可以經(jīng)由氧原子的擴(kuò)散至晶格內(nèi)而溶解。凡能滿足上述溫度條件之處，COP的氧化物表層經(jīng)由氧原子擴(kuò)散入晶格內(nèi)溶解。失去氧化物表層之后，經(jīng)由空位或間隙硅原子的擴(kuò)散作用，COP開始收縮，因此COP得以溶解。
在對(duì)比情況下，依照現(xiàn)有技術(shù)的退火加工是基于硅晶片表面氧的向外擴(kuò)散作用。在表面，間隙溶解的氧向外擴(kuò)散。由于Le Chatelier原理，覆以厚度約2納米的薄氧化物表層的COP失去其氧化物表層。就熱力學(xué)觀點(diǎn)而言，因硅晶片代表開放系統(tǒng)，隨后COP繼續(xù)收縮，結(jié)果與COP達(dá)到平衡狀態(tài)的空位可在表面處向外擴(kuò)散。就該晶片整體而言，氧不能擴(kuò)散出去。相反，在此區(qū)域COP開始填充氧化物且隨后變得更大。
與依照現(xiàn)有技術(shù)的退火方法不同，在本發(fā)明的方法中，由于依照本發(fā)明所選的溫度高且導(dǎo)致氧亞飽和，因無需氧向外擴(kuò)散，整體的COP也溶解。
所以，本發(fā)明可制造不僅接近表面層而且晶片厚度的重要部分(即至少50％晶片厚度)均無COP的硅晶片，就是說COP密度低于10000/立方厘米。如同已依照現(xiàn)有技術(shù)施以熱處理的晶片，此類型硅晶片經(jīng)熱處理之后，無需除去無COP層的主要部分即可毫無問題地拋光。再者，依照本發(fā)明處理過的硅晶片也適于制作特別“深”的元件，例如利用深溝渠技術(shù)。
然而，若加工參數(shù)選擇適當(dāng)，本發(fā)明也可以僅用于減低硅晶片的總體COP密度，結(jié)果熱處理之后仍保持超過10000/立方厘米的COP密度。這可借助于適當(dāng)短的加工時(shí)間，同時(shí)結(jié)合非對(duì)稱點(diǎn)缺陷達(dá)成，該缺陷剖面可借助于不同加工氣氛在晶片正面及晶片背面上形成。此替代方法可用以進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，因而提升本方法的經(jīng)濟(jì)可行性。
與現(xiàn)有技術(shù)的另一重大區(qū)別是依照本發(fā)明，在接近表面處，硅層不必除氧，因?yàn)镃OP的溶解作用并非如現(xiàn)有技術(shù)中基于氧的向外擴(kuò)散作用，而是由于本發(fā)明所選溫度高而基于氧的亞飽和。所以，本發(fā)明的方法可在任何含有氧的氣氛內(nèi)實(shí)施，至少時(shí)常或偶爾。在對(duì)比之下，依照現(xiàn)有技術(shù)的方法是僅限于含有氫或氬的氣氛。因此，使用本發(fā)明的方法，可避免使用含氫或氬氣氛而發(fā)生的晶片表面的粗化。
再者，避免用氫則大幅減低潛在危險(xiǎn)。此外，與氫氣氛相較，利用容易氧化的氣氛可大幅減低金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。
因溶解COP氧化物表層所需時(shí)間也視氧化物表層厚度而定(參閱附表)，就本發(fā)明方法的觀點(diǎn)而言，所用起始原料以其COP具有可能最薄氧化物表層為佳。該氧化物表層的厚度以低于4納米為佳，尤以低于2納米更佳。借助于低氧濃度及在1200℃至600℃溫度范圍內(nèi)拉晶過程中的快速冷卻速率可達(dá)成此目的。
溶解氧化物表層已被除去的COP所需要的時(shí)間主要視COP的大小而定(參閱附表)。所以，本發(fā)明熱處理所用起始原料硅晶片，最好是由單晶制得，該單晶的拉晶過程適當(dāng)?shù)丶右钥刂埔灾滦纬筛邼舛鹊臉O小COP。若硅晶片的直徑為300毫米，COP的平均直徑應(yīng)低于160納米，但以低于150納米較佳，尤以低于120納米最佳。若硅晶片的直徑為200毫米，所選COP大小以＜100納米為佳，但以＜80納米較佳，尤以＜60納米最佳。在拉晶過程中，這可通過在1200℃至900℃溫度范圍內(nèi)盡快冷卻晶體而達(dá)到。為達(dá)成此目的，在該溫度范圍內(nèi)冷卻速率以設(shè)定在1至20K/分鐘為佳，但以2至15K/分鐘更佳，尤以5至15K/分鐘最佳。除所形成的COP細(xì)微尺寸外，該拉晶法的優(yōu)點(diǎn)是拉晶速率相對(duì)較高，因而縮短加工時(shí)間。再者，原則上此類拉晶法的合格率高，因而更加提高其經(jīng)濟(jì)可行性。
為進(jìn)一步減低COP的平均大小，在拉晶過程中最好添加氮。單晶內(nèi)或由其制得的硅晶片內(nèi)的氮濃度以在1×1013至7×1015個(gè)原子/立方厘米范圍內(nèi)最佳。文獻(xiàn)US 6,228,164 B1及DE 199 41 902 A1中描述了該背景技術(shù)。
下表概括了氧濃度[Oi]、COP直徑2r及COP氧化物表層厚度d對(duì)本發(fā)明方法所需溫度T及溶解COP所需時(shí)間t的影響。

為進(jìn)一步減少溶解COP所需的時(shí)間，本發(fā)明方法所用起始原料硅晶片，最好其COP具有大的面積/體積比的形態(tài)。經(jīng)平整或伸長(zhǎng)的COP可滿足該要求。舉例而言，EP 1 087 042 A1中描述了制造此類型起始原料的方法。
就本發(fā)明方法的觀點(diǎn)而言，待處理的硅晶片是首先依照現(xiàn)有技術(shù)在RTA反應(yīng)器內(nèi)在預(yù)定速率下加熱直至達(dá)到不等式(1)所決定的溫度范圍內(nèi)。然后，將該硅晶片保持在該溫度范圍內(nèi)一段預(yù)定時(shí)間，隨后以預(yù)定速率將其再次冷卻。整個(gè)加工是在熱處理后硅晶片預(yù)期性能所決定的氣氛中進(jìn)行。
為了不容許加熱過程中COP氧化物表層生長(zhǎng)，最好選擇盡可能高的加熱速率，即所選加熱速率以超過2K/秒為佳，以加熱速率超過10K/秒較佳，尤以加熱速率為50K/秒或更高最佳。
硅晶片溫度保持在不等式(1)預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)間的長(zhǎng)短視所用起始原料而定。如附表內(nèi)所示，若所用起始原料具有小的COP及薄COP氧化物表層，可縮短退火時(shí)間。通常該退火時(shí)間為10秒至15分鐘，以30秒至5分鐘較佳，尤以30秒至4分鐘最佳。
冷卻速率的設(shè)定是由最終產(chǎn)品即熱處理后硅晶片的預(yù)期性能決定。若為了制造不具有吸氣性能且在隨后電子元件制作過程中不出現(xiàn)任何氧沉淀的硅晶片，以緩慢冷卻操作為佳。若冷卻速率慢，空位濃度可與現(xiàn)行溫度匹配，即由于空位的向外擴(kuò)散，在冷卻過程中高溫時(shí)的高空位濃度減低。所以，在冷卻操作之后，空位濃度變低，結(jié)果在隨后熱處理加工如在電子元件制作過程中可有不規(guī)則的氧沉淀成核。所以，氧沉淀作用不致發(fā)生或僅略微發(fā)生。以此方式處理的硅晶片具有與由緩慢拉晶、無空位的無COP單晶(“完美硅”)所制硅晶片相似的性能。
然而，如果制造具有優(yōu)良內(nèi)吸氣性能的硅晶片，例如WO 98/38675中所述，冷卻速率最好是以適當(dāng)方式加以設(shè)定，以便可產(chǎn)生RTA效果。若采用快速冷卻，因在冷卻操作過程中空位不能向外擴(kuò)散，在先前高溫下出現(xiàn)的高空位濃度將遭“凍結(jié)”。該高空位濃度在隨后熱處理過程中如在電子元件制作過程中導(dǎo)致不規(guī)則氧沉淀成核。所以，有足夠的氧沉淀成核中心(濃度至少為107/立方厘米)。同時(shí)，在晶片表面形成至少1微米厚的無空位層(無缺陷區(qū)，DZ)。所以該層無氧沉淀成核中心，即成核中心的濃度的值不超過107/立方厘米。在此情況下，待設(shè)定的冷卻速率范圍是10K/秒至120K/秒，以20K/秒至120K/秒較佳，尤以40K/秒至120K/秒更佳。
本發(fā)明因此還涉及一種硅晶片，其氧沉淀成核中心總體密度至少為107/立方厘米，且晶片正面上具有無成核中心且為至少1微米厚的區(qū)，以及在相當(dāng)于至少50％晶片厚度的深處具有低于10000/立方厘米的COP密度。
若上述類型的空位剖面是借助于快速冷卻法形成，繼此加工之后，最好對(duì)該硅晶片施加已知的成核退火；在此成核退火中將該空位剖面轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的氧沉淀成核中心剖面。將該硅晶片暴露在450℃至800℃溫度下1分鐘至5小時(shí)，以5分鐘至2小時(shí)較佳，尤以10分鐘至2小時(shí)更佳。
視最終產(chǎn)品的預(yù)期性能而定，就本發(fā)明方法的觀點(diǎn)而言，所用的氣氛最好是惰性氣體(以氬為佳)、氫、氮、氧及含有上述元素的化合物及由這些氣體(元素或化合物)所形成的所有混合物。但其組分在所需高溫下將無法控制地相互反應(yīng)的混合物除外，例如同時(shí)含有氫及氧的混合物。為提升晶片的防污染性，至少偶爾也可采用非還原性氣氛。在加工過程中，該硅晶片可在同一種氣氛中或改變的氣氛中加以熱處理。晶片的正面及背面可暴露在同一氣氛或不同的氣氛中。應(yīng)了解的是，正面是指隨后在上面制作電子元件的硅晶片表面。
在本發(fā)明熱處理過程中，所用氣氛最好含有氫、氬或氬與氫的混合物。然而，為減低污染風(fēng)險(xiǎn)，該晶片至少偶爾也暴露在非還原氣氛中。在此情況下，熱處理后，該晶片表面具有與傳統(tǒng)氫或氬退火后的同樣性能。然而，與傳統(tǒng)方式制造的晶片不同，依照該優(yōu)選實(shí)施方案制造的硅晶片不只具有薄無COP表層。本發(fā)明的無COP層(即COP密度低于10000/立方厘米的層)擴(kuò)展至超過至少50％晶片厚度，舉例而言，此種情形的優(yōu)點(diǎn)是依照本發(fā)明該實(shí)施方案處理的硅晶片可毫無問題地加以拋光以光滑表面，而得以免遭拋光除去整個(gè)無COP層的風(fēng)險(xiǎn)。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案中，該硅晶片在熱處理過程中所暴露的氣氛在整個(gè)熱處理期間可導(dǎo)致硅晶片表面覆以氧化物層。含有氧及氬的氣氛特別適合。因此可能減低金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。若本發(fā)明熱處理是在含氧氣氛內(nèi)實(shí)施，硅晶片整體無COP。然而，在此情況下，表面并非如此，因?yàn)檠踉诖藬U(kuò)散，結(jié)果是接近表面的COP沒有除去其氧化物表層，因而未能溶解。但該表面可由隨后的拋光予以除去，因此最終可再度制得無COP硅晶片。
就本發(fā)明的觀點(diǎn)而言，在熱處理過程中，也適合的是硅晶片正面至少偶爾暴露于引發(fā)硅間隙的氣體[以氧或氧與惰性氣體(以氬為佳)的混合物為佳]，但背面是暴露于引發(fā)空位的氣體[以氮或氮與惰性氣體(以氬為佳)的混合物為佳]。如DE 199 25 044 A1中所述，這導(dǎo)致了非對(duì)稱空位剖面及因此隨后熱處理加工中的非對(duì)稱氧沉淀剖面。應(yīng)了解的是，非對(duì)稱空位剖面是指沿任何垂直于晶片表面的預(yù)期直線，空位濃度并非恒定且同時(shí)對(duì)晶片兩表面間中心處的虛擬中心平面不對(duì)稱。同樣情形適用于“非對(duì)稱氧沉淀剖面”。再次與DE 199 25044 A1中所述硅晶片的不同處在于經(jīng)本發(fā)明處理的硅晶片具有至少50％晶片厚度的無COP層。作為該硅晶片正面及背面氣氛所用的上述氣體也可用以制造具有COP密度非對(duì)稱剖面的晶片。在此情況下，整個(gè)晶片厚度形成COP大小的剖面，其中接近正面的COP，其直徑小于接近背面的COP。除了利用不同加工氣體之外，加工溫度也必須以適當(dāng)方式加以適應(yīng)以便形成此類型剖面。該效果可加以利用以縮短總加工時(shí)間，進(jìn)而提升本方法的經(jīng)濟(jì)可行性。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案中，硅晶片正面及背面所用的不同加工氣體，尤其正面所用的含氧氣氛及背面所用的含氮?dú)夥?，是僅用于冷卻階段的過程中。該優(yōu)選實(shí)施方案也導(dǎo)致形成上述剖面。
若用于處理的硅晶片是由摻雜氮的單晶制得(已更詳細(xì)地說明如上)，因此可能推廣本發(fā)明方法的應(yīng)用領(lǐng)域在熱處理過程中，空位不須擴(kuò)散至晶片表面，但可與晶片內(nèi)溶解的氮形成氮空位復(fù)合體。這縮短了溶解COP所需的時(shí)間。接近表面的氮繼續(xù)向外擴(kuò)散。晶片冷卻之后，COP已溶解，空位已與晶片整體內(nèi)的氮結(jié)合，而在晶片表面無結(jié)合的空位，因?yàn)榈言诒砻嫦蛲鈹U(kuò)散。所以，在本發(fā)明熱處理過程中形成氮濃度剖面，即沿預(yù)期垂直晶片表面的直線，氮濃度并非恒定。在隨后的熱處理加工如部分電子元件制作中，氮空位復(fù)合體也導(dǎo)致不規(guī)則的氧沉淀，結(jié)果利用本發(fā)明方法的此優(yōu)選實(shí)施方案處理過的諸晶片具有至少50％晶片厚度的無COP層、以及另外硅晶片整體內(nèi)至少107/立方厘米的氧沉淀成核中心密度及至少在晶片正面上至少1微米厚的無成核中心區(qū)。
本發(fā)明實(shí)施晶片熱處理的加工可在以下制造順序中的不同部位插入例如，熱處理可在拋光步驟之后實(shí)施。尤其若熱處理是在不粗化晶片表面或僅略微粗化的氣氛中實(shí)施，例如在含氧氣氛中，建議采用此種方式。
另一種可選擇方式是首先實(shí)施本發(fā)明的熱處理，隨后將該晶片拋光，任選在清洗步驟之后。若實(shí)施熱處理是在可增加硅晶片表面粗糙度的氣氛中，例如氫或氬氣氛并至少偶爾連帶部分使用含氧氣氛中，此優(yōu)選實(shí)施方案特別適合。因依本發(fā)明處理的硅晶片具有厚度對(duì)應(yīng)于至少50％晶片厚度的無COP層，即使熱處理后也可能實(shí)施拋光。對(duì)比之下，由于無COP層極小的厚度，為消除COP將依現(xiàn)有技術(shù)熱處理過的硅晶片施以拋光則產(chǎn)生問題。即使僅使用非還原氣氛，通常是含氧氣氛，此項(xiàng)處理為特別優(yōu)選的實(shí)施方案，可除去加工程序中所形成的接近表面的缺陷。
就此熱處理后拋光晶片的優(yōu)選實(shí)施方案而言，仍有許多可能選擇例如，拋光的晶片可經(jīng)本發(fā)明的熱處理，然后再實(shí)施最終拋光或鏡拋光步驟。再者，也可能將經(jīng)蝕刻的晶片經(jīng)本發(fā)明熱處理以及然后“最終拋光”或“鏡拋光”步驟。然而，在本發(fā)明熱處理之后，最好將該硅晶片施以雙面拋光[以及然后任選施加最終拋光或鏡拋光]，因?yàn)槿绱瞬粌H依照本發(fā)明無COP存在而且表面情況達(dá)到完美境地。
無論晶體直徑或晶片直徑為何，本發(fā)明可應(yīng)用于許多單晶型硅晶片。最好將本發(fā)明應(yīng)用于直徑15、20或30厘米或更大的晶片。因制作在大直徑硅晶片上的電子元件對(duì)硅內(nèi)無缺陷的要求特別高，特別優(yōu)選將本發(fā)明應(yīng)用在大直徑硅晶片上。
權(quán)利要求
1.一種熱處理硅晶片的方法，其中該硅晶片至少暫時(shí)暴露于含氧氣氛中，熱處理進(jìn)行時(shí)的溫度是經(jīng)適當(dāng)選擇以便滿足以下不等式[Oi]<[Oi]eq(T)exp(2σSiO2ΩrkT)---(1)]]>其中[Oi]是硅晶片內(nèi)的氧濃度，[Oi]eq(T)是在T溫度下硅內(nèi)氧的溶解度極限，σsio2是二氧化硅的表面能，Ω是沉淀氧原子的體積，r是平均COP半徑以及k是波耳茲曼常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述方法所用起始原料是氧濃度[Oi]＜7×1017個(gè)原子/立方厘米的硅晶片。
3.如權(quán)利要求1或2的方法，其中所述方法所用起始原料是平均COP直徑低于160納米的硅晶片。
4.如權(quán)利要求1-3之一的方法，其中所述硅晶片是以預(yù)定加熱速率加熱直至達(dá)到滿足不等式(1)的范圍內(nèi)的溫度，然后將該溫度保持在該范圍內(nèi)預(yù)定時(shí)間，然后以預(yù)定冷卻速率將該硅晶片冷卻。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中所述溫度保持在可滿足不等式(1)的范圍內(nèi)的時(shí)間是10秒鐘至15分鐘。
6.如權(quán)利要求4或5的方法，其中所述硅晶片是以10K/秒至120K/秒的冷卻速率冷卻。
7.如權(quán)利要求4-6之一的方法，其中至少在冷卻操作過程中，所述硅晶片的背面暴露在含氮?dú)夥罩小?br> 8.如權(quán)利要求1-7之一的方法，其中在熱處理后將所述硅晶片拋光。
9.一種硅晶片，其整體氧沉淀成核中心密度為至少107/立方厘米，且其正面上具有至少1微米厚的無成核中心區(qū)，以及在至少50％晶片厚度深處的COP密度低于10000/立方厘米。
10.如權(quán)利要求9的硅晶片，其具有不對(duì)稱空位濃度剖面。
11.如權(quán)利要求9的硅晶片，其含有氮，沿任何預(yù)期垂直于晶片表面的直線的氮濃度并非恒定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱處理硅晶片的方法，其中該硅晶片至少暫時(shí)暴露于含氧氣氛中，熱處理進(jìn)行時(shí)的溫度是經(jīng)適當(dāng)選擇以便滿足以下不等式其中[O
文檔編號(hào)H01L21/324GK1437229SQ0310426
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2003年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月7日
發(fā)明者羅伯特·赫茲爾, 克里斯托夫·佐伊林, 賴因霍爾德·瓦利什, 維爾弗雷德·馮·阿蒙 申請(qǐng)人:瓦克硅電子股份公司