硅晶片的熱處理方法和硅晶片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及從通過提拉法生長的硅錠切出的硅晶片的熱處理方法及其硅晶片。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,伴隨著半導(dǎo)體器件的高集成化,對于被用作其基板的硅晶片(以下,稱為 晶片),晶片表層的器件活性區(qū)域(從表面至7ym左右的深度區(qū)域)的晶體完整性的提高、 晶片表層和晶片內(nèi)部(指除了晶片表層以外的部分,以下,稱為主體)的充分的機(jī)械強(qiáng)度的 確保、在晶片面內(nèi)整體的品質(zhì)均勻性等品質(zhì)要求變得更加嚴(yán)格。
[0003] 為了提高晶體完整性,例如如專利文獻(xiàn)1所示,進(jìn)行保持在高溫下的間歇式熱處 理爐內(nèi)的熱處理。該熱處理例如在含有氫的氣氛中,在低于1300°C的保持溫度時保持1分 鐘~48小時的條件下進(jìn)行。如果進(jìn)行該熱處理,則晶片表層的間隙氧向外側(cè)擴(kuò)散而低氧 濃度化。于是,在該晶片表層附近(從表面至lOum左右的深度區(qū)域),晶體生長時導(dǎo)入 的作為空孔凝聚體的空洞缺陷(晶體原生粒子,CrystalOriginatedParticle,以下,稱 為COP)的內(nèi)壁氧化膜溶解,進(jìn)而在該COP內(nèi)部注入間隙硅原子而填埋空洞,能夠使COP湮 沒(消滅),并且,能夠?qū)⒆鳛殚g隙氧和間隙硅原子的結(jié)合體的氧析出物(體微缺陷,Bulk MicroDefect,以下,稱為BMD)溶解。由此,能夠在晶片表層形成沒有C0P、BMD的無缺陷區(qū) 域(DenudedZone,以下,稱為DZ層)。
[0004] 另外,在器件制造工序中,依次使用多個掩模進(jìn)行曝光,但這時有時產(chǎn)生曝光位置 偏離的套刻(overlay)、因制造工序中的熱應(yīng)力而引起的晶片彎曲等問題。已知這些問題與 導(dǎo)入到晶片內(nèi)部的位錯的舉動有密切的關(guān)系。如果通過上述熱處理預(yù)先在主體中形成規(guī)定 以上的密度的BMD,則滑移等位錯在該主體內(nèi)移動時,該位錯卡在BMD中,有時抑制其移動。 這樣,通過抑制位錯的移動,能夠?qū)崿F(xiàn)晶片強(qiáng)度的提高,能夠避免在器件制造工序中的套刻 等的問題。
[0005] 此外,主體中形成的BMD在器件制造工序中也作為捕獲附著在晶片表面的重金屬 的吸氣源起作用。這樣,通過在主體中預(yù)先形成作為吸氣源的BMD,從而能夠?qū)⑵骷膲勖?等電氣特性保持在良好的狀態(tài),并且能夠?qū)崿F(xiàn)白色傷痕的問題的減少。
[0006] 應(yīng)予說明,如果BMD尺寸變得過大,則可知如非專利文獻(xiàn)1所示,BMD本身成為位 錯的產(chǎn)生源,為了發(fā)揮上述抑制的效果而必須使BMD密度為規(guī)定密度以上,在考慮該點(diǎn)的 基礎(chǔ)上,調(diào)整用于形成BMD的熱處理的條件。
[0007] 作為在晶片面內(nèi)產(chǎn)生不均勻性的主要因素,可以舉出在晶片的徑向包含氧化感生 堆垛層錯(Oxidation-inducedStackingFault,以下,稱為0SF)區(qū)域。該0SF區(qū)域在晶 體生長時,在從硅熔液被獲取到晶體中的空孔和間隙硅原子的濃度剛好達(dá)到平衡的區(qū)域附 近,以拉晶軸為中心而呈現(xiàn)環(huán)狀(以下,稱為0SF環(huán))。該0SF環(huán)區(qū)域附近,在晶體生長時導(dǎo) 入到晶體內(nèi)的BMD核非常少。因此,即便對從該晶體切出的晶片進(jìn)行熱處理,也幾乎不形成 BMD,產(chǎn)生如下問題:在0SF環(huán)區(qū)域附近和除其以外的區(qū)域之間,BMD密度產(chǎn)生差異,無法確 保晶片的面內(nèi)均勻性。
[0008] 因此,還有如下嘗試:對于存在0SF環(huán)區(qū)域的晶片,使用間歇式熱處理爐,如上述 那樣以低于1300°C的溫度進(jìn)行熱處理,從而在晶片表層形成高品質(zhì)的DZ層,并且在主體中 形成對強(qiáng)度提高有效的BMD,重置0SF環(huán)區(qū)域存在于面內(nèi)的晶片的晶體生長歷程,提高晶片 品質(zhì)的面內(nèi)均勻性。
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開平6-295912號公報
[0011] 非專利文獻(xiàn)
[0012] 非專利文獻(xiàn) 1 :T.Ono,etal:ECSTrans. 2(2006)N〇. 2,109
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013] 在使用了專利文獻(xiàn)1所示的間歇式熱處理的熱處理,只能夠一定程度地改善面內(nèi) 的不均勻,難以得到完全的面內(nèi)均勻性。認(rèn)為這是因?yàn)樵摕崽幚頊囟鹊陀?300°C,所以BMD 的溶解殘余(或者BMD核)殘存,對于重置晶體生長歷程是不充分的。也考慮延長該熱處 理的時間而防止BMD的溶解殘余,但伴隨著熱處理的長時間化,有滑移等晶體缺陷多發(fā)、或 者制造的生產(chǎn)量降低而制造成本上升的問題,因此不現(xiàn)實(shí)。
[0014] 另外,也有如下方法:并非通過熱處理而得到面內(nèi)均勻性,而是通過降低晶體生長 速度而使得在晶片面內(nèi)不形成0SF環(huán)的方法。然而,因?yàn)榫w生長速度的降低直接導(dǎo)致制 造成本的上升,所以在對成本減少要求高的狀況下,現(xiàn)狀是難以采用。
[0015] 另外,因?yàn)槭褂昧碎g歇式熱處理爐的熱處理一般進(jìn)行至少1小時,所以在該熱處 理期間晶片表層的間隙氧向晶片表面的外側(cè)擴(kuò)散而逸散,在晶片表層形成間隙氧濃度低的 區(qū)域。已知該間隙氧具有提高晶體強(qiáng)度的作用,由于晶片表層成為低氧濃度,導(dǎo)致容易在表 層導(dǎo)入缺陷,誘發(fā)器件的泄漏故障的可能性高。
[0016] 因此,本發(fā)明的課題在于確保硅晶片的表層和主體的強(qiáng)度,并且提高晶體品質(zhì)的 面內(nèi)均勻性。
[0017] 為了解決上述課題,本發(fā)明中構(gòu)成硅晶片的熱處理方法,該硅晶片的熱處理方法 具有如下工序:對于從通過提拉法生長的硅錠切出的硅晶片,在氧化氣氛中以1300 °C~ 1400°C的保持溫度進(jìn)行熱處理的第1工序;將在上述第1工序中熱處理的硅晶片在氧化氣 氛中以10°C/秒~150°C/秒的冷卻速度進(jìn)行冷卻的第2工序;以及將在上述第2工序中 冷卻的硅晶片在氧化氣氛中以800°C~1250°C的保持溫度熱處理1小時~100小時的第3 工序。
[0018] 這樣,通過使晶片的熱處理溫度為1300°C~1400°C的保持溫度,能夠防止晶體生 長中導(dǎo)入的氧析出物(BMD)的溶解殘余,并且能夠使空洞缺陷(C0P)迅速湮沒,制造重置了 晶體生長歷程的面內(nèi)均勻性高的晶片。而且,通過使熱處理溫度如上述保持溫度那樣超高 溫化,能夠縮短保持時間,能夠減少滑移等晶體缺陷,或者提高制造的生產(chǎn)量而實(shí)現(xiàn)低成本 化。另外,通過在氧化氣氛中進(jìn)行該熱處理,從而在晶片表面形成氧化膜(硅氧化膜),從該 氧化膜向晶片內(nèi)注入間隙硅原子。通過注入間隙硅原子,從而更迅速地進(jìn)行C0P的湮沒。
[0019] 另外,從該氧化膜向晶片中注入間隙氧,能夠防止在晶片表層形成低氧濃度區(qū)域。 因此,能夠防止晶片表層的強(qiáng)度降低而產(chǎn)生器件泄漏故障等問題。該1300°c以上的高溫?zé)?處理可以通過使用燈退火爐代替一直以來通常使用的間歇式熱處理爐來實(shí)現(xiàn)。
[0020] 另外,通過將在第1工序中進(jìn)行了熱處理的晶片在上述冷卻速度的范圍進(jìn)行冷 卻,能夠在主體中殘存適當(dāng)濃度的空孔。通過使空孔殘存,從而在繼續(xù)進(jìn)行的熱處理中,能 夠形成為了確保主體的強(qiáng)度所需的充分的尺寸和密度的BMD。如果該冷卻速度小于10°C/ 秒,則高溫下導(dǎo)入的空孔在冷卻中與間隙硅原子偶湮沒(対消滅),或者擴(kuò)散而逸失,因此 需要以至少l〇°C/秒以上的冷卻速度進(jìn)行冷卻。另一方面,如果該冷卻速度大于150°C/ 秒,則大的熱應(yīng)力作用于晶片而容易導(dǎo)入滑移等晶體缺陷,因此需要以150°C/秒以下的冷 卻速度進(jìn)行冷卻。
[0021] 此外,通過將在第2工序中冷卻的晶片以上述保持溫度進(jìn)行上述時間的熱處理, 能夠在主體中形成充分的尺寸和密度的BMD。此時,在氧化氛圍中進(jìn)行該熱處理,從而在晶 片表面形成氧化膜,從該氧化膜向晶片中注入間隙硅原子。該間隙硅原子發(fā)揮使在第2工 序中在晶片表層形成的氧析出核湮沒的作用。因此,能夠防止在晶片表層形成氧析出物,能 夠確保該晶片表層的DZ層的完整性。
[0022] 如上所述,通過在氧化氣氛中進(jìn)行從第1工序到第3工序的各處理,在晶片表面形 成氧化膜,從而即便在熱處理部件(基座等)、氣氛氣體中含有摻雜物、碳、金屬等雜質(zhì),也 能夠利用該氧化膜遮擋這些雜質(zhì)向晶片內(nèi)擴(kuò)散。
[0023] 上述構(gòu)成中,優(yōu)選為進(jìn)一步具有將在上述第3工序中熱處理的硅晶片在非氧化氣 氛中以800°C~1250°C的保持溫度熱處理1小時~100小時的第4工序的構(gòu)成。
[0024] 如上所述,BMD出于實(shí)現(xiàn)晶片的強(qiáng)度提高、并賦予吸雜能力的目的而形成,但如果 以氧化氣氛中進(jìn)行的第3工序結(jié)束熱處理,則有時BMD的尺寸和密度對于發(fā)揮吸雜能力而 言是不充分的。這是因?yàn)樵谘趸瘹夥罩?,從晶片表面注入間隙硅原子,該間隙硅原子發(fā)揮抑 制BMD的成核和生長的作用。因此,在第3工序之后,設(shè)置在非氧化氣氛中進(jìn)行的第4工序, 在該第4工序中抑制間隙硅原子的注入,從而能夠促進(jìn)BMD的成核和生長。由此,能夠?qū)?片賦予充分的吸雜能力。
[0025] 上述各構(gòu)成中,優(yōu)選為在上述第1工序前的階段,上述硅晶片中存在的空洞缺陷 的平均尺寸以同體積的球狀換算值計,為直徑80nm以下,并且上述空洞缺陷的密度為100 個/cm3以上的構(gòu)成。
[0026] 晶體生長時導(dǎo)入晶片(硅錠)中的C0P的尺寸和密度與晶體的生長條件(特別是 v/G值。這里v表示晶體生長速度(mm/分鐘),G表示熔點(diǎn)附近(熔點(diǎn)~1350°C)的晶體 內(nèi)的軸向溫度梯度(°C/mm))、向硅熔液中的添加物的濃度(特別是氮)密切相關(guān)。如果使 該v/G為適當(dāng)?shù)闹?,則從硅熔液向錠中導(dǎo)入的空孔和間隙硅原子的濃度達(dá)到平衡,能夠得 到C0P為非常低的密度的完整晶體。然而,此時的v值一般小,從制造生產(chǎn)量的觀點(diǎn)來看,是 不利的。與此相