[发明专利]快速热退火、由其制造的硅晶片以及直拉法拉晶设备

说明书

                        技术领域

本发明涉及微电子制造方法和装置，具体地涉及硅锭的制造方法，以及籍此制造的硅锭和晶片。

                        背景技术

作为制造半导体器件起始材料的单晶硅通过被称之为Czochralski(CZ)技术(直拉技术)的晶体生长技术生长成圆柱锭。单晶硅锭通过诸如切片、刻蚀、清洗、抛光等的一系列晶圆加工工艺而被加工成晶圆。根据CZ技术，单晶硅的籽晶被浸入熔融硅中，并向上拉，于是熔融硅通过缓慢的提拉而生长成单晶锭。熔融硅装在石英坩埚内，并被多种杂质污染，其中一种是氧。在硅的熔融温度下，氧渗入晶格，直到其达到一预定浓度，该浓度一般由硅熔融温度下硅中氧的溶解度和凝固硅中氧的实际偏析系数确定。晶体生长过程中渗入硅锭中的氧的浓度大于半导体器件制造中所用的典型温度下凝固硅中氧的溶解度。随着晶体从熔融硅中生长并冷却，其中的氧溶解度迅速降低，籍此，氧在冷却的硅锭中饱和。

硅锭被切割成晶片。晶片中残留的间隙氧在后续热过程中生长成氧淀析。器件有源区中氧淀析的出现可以降低栅极氧化物的完整性，并且/或者导致不必要的衬底漏电流。然而，如果它们在器件有源区外(即体区)出现，则它们可以吸除器件加工中出现的金属杂质。这个所需作用被称为吸除作用。

图1是传统金属氧化物半导体(MOS)晶体管的剖视图。参照图1，当晶片表面上的氧淀析存在于沟道区中时，用于将栅电极18与硅衬底10电绝缘的栅极绝缘层16可能被击穿，该沟道区位于半导体器件的形成在硅衬底10的表面附近的源极区12和漏极区14之间的有源区上。此外，使用MOSFET的存储器件的刷新特性可能降低。

另外，形成在晶片体区10a中的氧淀析可以充当漏电源，并可作为内部吸除位，氧淀析通过后续热处理产生，内部吸除位能在后续半导体器件制造过程中俘获不利的金属污染物。于是，当硅锭中的氧浓度高时，充当内部吸除位的氧淀析浓度能增加，使得吸除能力提高。然而，如果氧浓度不足，则氧淀析可能不在体区中产生，使得吸除能力可能降低或可能根本不存在。于是，需要适当控制分布在晶片体区中的氧淀析量。

在通过传统晶体生长和制片工艺获得的晶片中，氧淀析分布在整个晶片中，从顶(前侧)表面到底(背侧)表面。通常，脊区(Denuded Zone)(DZ)10b应当制备为从顶面到预定深度，该区没有D-缺陷(空位团)、位错、堆垛层错和氧淀析。然而，通过传统方法制造的晶片可以在晶片表面附近产生氧淀析，该氧淀析可以充当漏电流的源。

于是，为了形成晶片体区中的内部吸除位和晶片表面附近的足够DZ区，具有高氧浓度的晶片可以通过在高和低水平之间改变温度而得以长时间热处理，使得氧淀析可以在晶片的体区内产生，该浓度例如是每百万原子(ppma)13份或更大的起始氧浓度。然而，难以获得足够的DZ，这是因为DZ可以强烈地依赖于间隙氧的外扩散。在通过这种传统技术热处理的半导体晶片中，在从晶片顶面到底面的整个晶片中的氧淀析浓度分布可以示于图2。

具体地，长时间进行额外高温热处理的传统技术会降低器件的特性。例如，在晶片中可能出现滑移或翘曲。此外，制造成本会增加。此外，在此情形下，在体区中被氧淀析捕获的金属污染物，具体地是铁(Fe)，可以通过后续工艺而释放到DZ内，使得释放的污染物可以作为漏电源。

图3是说明通过另一传统方法制造的晶片的重新绘制的氧淀析浓度分布的曲线图，该曲线在美国专利第5,401,669号的图1A中得以公布。具体地，图3是晶片的相对于晶片深度的氧淀析浓度分布，这来自氮气氛中对晶片的快速热退火工艺，并使晶片经受后续的热处理。然而，如在图3中可以看到的那样，晶片表面附近的DZ或体区中足够的氧淀析都不能通过此传统方法获得。

                        发明内容

本发明的实施例制备了一种硅晶片，该晶片具有可用作内吸除位的氧淀析的受控垂直分布。具体地，从可以形成半导体器件的有源区的顶面到硅晶片的底面的氧淀析浓度分布包括分别在距晶片的顶面和底面第一和第二预定深度处的第一和第二峰。此外，脊区(DZ)包括在晶片的顶面和第一峰之间以及晶片的底面和第二峰之间。氧淀析浓度分布还在第一和第二峰之间具有凹陷区，该区对应于晶片的体区。