[发明专利]具有改进的内部收气的热退火晶片

说明书

本发明一般地涉及在电子元件制造中使用的半导体材料衬底尤其是硅晶片的制备，更详细地涉及一种用于热处理硅晶片以溶解聚集的空位缺陷与改进内部收气能力，使这种晶片能基本上在任何独立的电子器件制造过程的热处理周期内形成一个理想的不均匀的氧淀析物深度分布的处理。

制造半导体电子元件的大部分处理使用的初始材料单晶硅，通常使用称为切氏(Czochralski)方法来制备，其中将一块单籽晶浸入熔化的硅中然后通过缓慢的拔出而生成，由于熔化的硅装在石英坩埚内，它受到各种杂质的污染，其中主要是氧。在硅熔化物的温度下，氧进入晶格空位直至达到一个由在此熔化物质温度下氧在硅中的溶解度与氧在固化硅中的实际分凝系数确定的浓度。这种浓度大于在电子器件制造过程中通常使用的温度下氧在固体硅中的溶解度。因此，随着晶体从熔化物质生成与冷却，硅中氧的溶解度迅速降低，从而造成氧在得到的切片或晶片中以过饱和浓度而存在。

除氧以外，当晶体形成时内部还可能存在固有的点缺陷例如硅晶格空位。如同氧，固体硅中的空位的溶解度部分地与温度有关。当硅晶体冷却时，在某一点晶体可能成为空位的临界过饱和状态，导致形成聚集的空位缺陷。聚集的空位缺陷被认为是这些可探测的晶体缺陷的起源，如D缺陷，流动图形缺陷(FPDs)，栅氧化物完整性(GOI)缺陷，晶体起源粒子(COP)缺陷，与晶体起源光点缺陷(LPDs)，以及通过红外光散射技术例如红外扫描显微镜与激光扫描层析摄影机探测到的某些级别的体缺陷。聚集的空位缺陷被看作是对由含有这些缺陷的晶片制成的电子器件性能的障碍。

在电子器件制造中典型使用的热处理周期能引起含有过饱和氧的晶片中氧的淀析。如同空位缺陷的聚集，氧的淀析也可能起阻碍器件性能的作用，作用的大小与晶片内淀析出现的位置有关。例如，位于晶片的有效器件区域的淀析，能损害该器件的运行。相反，位于晶片主体内的氧的淀析是有利的，因为它们能捕获不希望有的可能同晶片接触的金属杂质。使用位于晶片主体内的氧的淀析以捕获金属通常称为内部的或内在的吸气(“IG”)。

关于如何防止聚集的缺陷的形成或一旦形成后如何加以消除，已提出了许多方法。例如，通常可使用高温处理具有晶片形式的硅以溶解或湮灭聚集的固有点缺陷。(参看例如Fusegawa et al.的欧洲专利申请503816 A1与S.Nadahara et al.的“氢退火硅晶片”，Solid StatePhenomena 57-58卷19-26页(1997)。)然而，虽然这些方法可能具有希望的溶解晶片的接近表面区域内的聚集的缺陷的效果，但它们也可能导致溶解晶片主体内氧的淀析，从而造成内部收气能力的丧失。

因此，需要继续探索一种既可溶解或湮灭硅晶片内聚集的固有点缺陷，又能提供有利的内部吸气(收气)特性的晶片处理。

因此，本发明的目的是提供这样一种单晶硅片，它基本上在任何电子器件制造过程的热处理周期内将形成一个理想的不均匀的氧淀析物的深度分布；提供这样一种晶片，它将最佳地与可重复地形成一个有足够深度的裸露区(denuded zone)与晶片主体层内足够密度的氧淀析物；提供这样一种晶片，此晶片内裸露区的形成与晶片主体层内氧淀析物的形成同晶片的这些区域内的氧浓度的差别无关；提供这样一种晶片，此晶片内得到的裸露区的厚度基本上与IC制造处理程序的细节无关；提供这样一种晶片，此晶片内裸露区的形成与晶片主体内氧淀析物的形成不受切割此晶片的由切氏法生成的单晶硅棒的热历史与氧浓度的影响；提供这样一种处理，此处理中裸露区的形成与氧的向外扩散无关；及提供这样一种处理，此处理中晶体表面层内聚集的空位缺陷的浓度明显减小。

简言之，本发明涉及一种单晶硅片，它有两个通常平行的主表面，其中一个是晶片的前表面而另一个是晶片的后表面，一个在前表面与后表面之间的中心平面，一个连接前表面与后表面的周围边缘，一个包括在前表面与一个从前表面向中心平面测量的距离D_s之间晶体区域的薄层，一个至少部分地与薄层共同延伸并包括在前表面与一个从前表面向中心平面测量的至少为约10μm的距离D₁之间晶片区域的表面层，及一个包括中心平面与表面层之间晶体区域的主体层。此晶片的特征在于薄层内基本上没有聚集的空位缺陷。此外，晶片具有不均匀的晶格空位分布，主体层内的空位浓度大于表面层内的空位浓度，空位浓度分布为空位峰值密度在中心平面处或其附近且空位浓度通常从峰值密度位置朝晶片的前表面方向减小。