具有受控缺陷分布的硅晶片及其制法制造技术

提供了具有受控缺陷分布的硅晶片，其中具有离晶片表面向内足够深度的贫化区与晶片主体区内的高捕获效应相结合。在硅晶片中，充当本征捕获位的氧淀析物表现出垂直分布。从晶片顶面至底面的氧淀析物浓度分布包括：分别位于离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值；在晶片的顶面和底面和每一个第一峰值与第二峰值之间的贫化区；以及在第一和第二峰值之间，对应于晶片的主体区的下凹区。对这样的氧淀析物浓度分布，在晶片加工过程的施主去除步骤中，该晶片经历了在包含氮（Ｎ↓［２］）和氩（Ａｒ）或氮（Ｎ↓［２］）和氢（Ｈ↓［２］）的气体混合物环境中的快速热退火处理。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子制造方法和装置，更具体地，涉及硅锭的制造方法和由此方法制造的硅锭和晶片。
技术介绍
作为制造半导体装置的原材料的单晶硅通过晶体生长技术生长成柱状晶锭，该技术被称为丘克拉斯基(Czochralski)(CZ)技术。单晶硅的晶锭经过诸如切片、刻蚀、清洁、抛光等一系列晶片加工工艺加工成晶片。根据CZ技术，单晶硅的籽晶浸入熔融硅并向上提拉，然后熔融硅通过慢速分离生长成单晶锭。熔融硅盛放在石英坩埚内，受到各种杂质的污染，其中一种是氧。在硅的熔融温度下，氧渗入晶格直到达到预定浓度，该浓度通常由硅熔融温度下氧在硅中的溶解度以及氧在固化硅中的实际偏析系数所确定的。在晶体生长期间渗入硅锭的氧浓度高于在半导体装置制造所使用的典型温度下固化硅中的氧溶解度。当晶体从熔融硅中生长并冷却时，其中的氧溶解度迅速降低，从而氧在冷却的晶锭中饱和。该晶锭被切割成晶片。每个晶片中残存的间隙氧在后续热处理中成长为氧淀析物。装置激活区中氧淀析物的存在降低栅氧化物的完整性并部分导致基板漏电流。然而，当它们出现在装置的激活区(主体)以外时，它们可以捕获来自装置加工中的金属杂质；这被称为捕获效应。图1是常规金属氧化物半导体(MOS)晶体管的截面图。参照图1，当晶片表面上的氧淀析物存在于位于形成在接近硅基板10的表面的源极区12和漏极区14之间的半导体装置的激活区中的沟道区时，用于将栅电极18和硅基板10电绝缘的栅绝缘层16可能击穿。此外，采用MOSFET的存储装置的刷新特性可能降低。此外，形成于晶片主体区10a中通过后续热处理产生的的氧淀析物可以充当泄漏源(leakage source)，也可以充当本征捕获位，它们能够在后续半导体装置制造过程中捕获有害金属杂质。于是，如果晶锭中的氧浓度高，充当本征捕获位的氧淀析物的浓度增加，所以捕获能力提高。但是，如果氧浓度不够，那么氧淀析物不会在主体区产生，所以捕获能力会降低或者根本不存在。因而，希望适当控制分布在晶片主体区中的氧淀析物的量。在通过传统晶体生长和晶片加工工艺获得的晶片中，氧淀析物分布在从顶(前侧)面到底(后侧)面的整个晶片中。一般而言，应当提供一个从顶面至预定深度的贫化区(Denuded Zone)(DZ)10b，它不含D-缺陷(空位聚集)、位错、层错和氧淀析物等。但是，由传统方法制造的晶片可以在晶片表面附近产生氧淀析物，它可以充当泄漏电流的源。因而，为了在接近晶片表面有充足DZ的晶片的主体区中形成本征捕获位，具有高氧浓度的晶片，例如，每百万个原子(ppma)含13份或更多的初始氧浓度的晶片，可以通过改变低限和高限之间的温度而进行长时间的热处理，于是氧淀析物可以在晶片的主体区中生成，然而，很难获得足够的DZ，是因为DZ强烈地依赖于间隙氧的向外扩散。在通过传统技术热处理过的半导体晶片中，氧淀析物浓度在从晶片的顶面到底面的整个晶片中的分布如图2所示。具体地，采用较长时间的额外高温热处理的传统技术会降低装置特性。例如，在晶片中可能发生滑移或变形。此外，制造成本将增加。此外，在这种情况下，由被主体区中氧淀析物捕获的金属杂质，尤其是铁(Fe)，可以通过后续处理而释放到DZ中，因而所释放的杂质可以充当泄漏源。图3是显示由另一传统方法制造的晶片的回火氧淀析物浓度分布的图，该方法公开于美国专利No.5,401,669的图1A中。具体地，图3是晶片中氧淀析物浓度相对于晶片深度的分布，这来自于氮气环境中实施的晶片快速热退火工艺，并且使该晶片经受后续热处理。但是，如从图3所看到的那样，通过这种传统方法既不可以获得接近晶片表面的DZ，也不可以获得充足的氧淀析物。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供一种具有氧淀析物受控垂直分布的硅晶片，该氧淀析物可充当本征捕获位。具体地，从可以形成半导体装置激活区的顶面到硅晶片的底面的氧淀析物浓度分布，分别在从晶片的顶面和底面起的第一和第二预定深度处包括第一和第二峰值。在晶片的顶面和第一峰值之间以及晶片的底面和第二峰值之间还包括一贫化区(DZ)。该氧淀析物浓度分布还在第一和第二峰值之间有一凹入区，它可以对应于晶片的主体区。在本专利技术的实施例中，氧淀析物浓度分布关于居中位于顶部和底部间的硅晶片中央面对称。因而，例如，第一和第二预定深度是相同的。但是，在其它实施例中，该分布不必对称，因此，例如，对于第一和第二峰值可以有不同的深度。同样，在本专利技术的一些实施例中，贫化区的深度为离硅晶片的两表面大约10μm至40μm的范围，使得半导体装置的激活区形成为足够的深度。在其它实施例中，与氧有关的晶体缺陷不存在于DZ中，而具有预定尺寸以空穴形式存在的D缺陷，以及氧淀析物，可进一步以预定浓度存在于晶片的主体区内。在本专利技术的另一实施例中，第一和第二峰值处的氧淀析物浓度至少约为1×109cm-3，而第一和第二峰值间的主体区中的氧淀析物浓度至少约为1×108cm-3。根据本专利技术其它实施例的硅晶片包括诸如空位等氧淀析物形核中心的受控分布，这些空位可以通过后续热处理产生如上所述的氧淀析物浓度分布。空位浓度分布包括分别处于距晶片的顶面和底面第一和第二预定深度的第一和第二峰值。而且，该空位浓度保持在比临界浓度低的预定浓度上以在晶片的顶面和第一峰值之间以及晶片的底面和第二峰值之间形成DZ区。最后，该空位浓度分布在第一和第二峰值之间具有凹入区。可以提供对称或非对称分布。根据本专利技术的方法实施例，在包括具有空位注入效应的气体和在硅晶片的顶面和底面上具有间隙硅注入效应的气体的气体混合物的环境中，对硅晶片实施快速热退火(RTA)，以产生形核中心，该中心在后续热处理中充当氧淀析物生长位，因而，从晶片顶面到底面的形核中心的浓度分布在距晶片的顶面和底面第一和第二预定深度处分别包括第一和第二峰值。而且，该形核中心的浓度保持在比临界浓度低的预定浓度上以在晶片的顶面和第一峰值之间以及晶片的底面和第二峰值之间形成DZ区。最后，该形核中心的浓度分布在第一和第二峰值之间具有凹入区，该区对应于晶片的主体区。可以提供对称或非对称分布。根据其它方法实施例，在RTA之后实施热处理，以生成从晶片顶面到底面的氧淀析物浓度分布，此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值、在晶片的顶面和第一峰值之间以及晶片的底面和第二峰值之间的DZ、以及位于第一和第二峰值之间的凹入区。可以提供对称或非对称分布。在本专利技术的其它实施例中，气体混合物包括氮(N2)气和氩(Ar)气，或者氮(N2)气和氢(H2)气。此外，在本专利技术的实施例中，在第一和第二峰处和主体区中的氧淀析物浓度和/或贫化区深度可以通过调整RTA过程中混合比、混合气体流速、升温速率(ramp-up rate)、退火温度、退火时间和降温速率(ramp-down rate)中至少一项进行控制。在本专利技术的实施例中，经受了根据本专利技术实施例的RTA过程的硅晶片可以用晶锭来制造，该晶锭按照晶锭提拉速率分布从热区熔炉(hot zonefurnace)中的熔融硅中拉出，在此，晶锭提拉速率足够高以防止间隙聚集的形成，但又要足够低以将空位聚集的形成限制在晶锭中心轴周围的富空位区中。在本专利技术的其他实施例中，经受了根据本专利技术实施例的RTA过程的硅晶片可以用晶锭来制造，该晶锭按照晶锭提拉速率分布从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有顶面、底面以及在顶面和底面之间其内的氧淀析物浓度分布的硅晶片，氧淀析物浓度分布包括： 分别位于离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值； 在晶片的顶面和第一峰值之间以及晶片的底面和第二峰值之间的贫化区（ＤＺ）；以及 在第一和第二峰值之间的下凹区。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：朴在勤，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]