热退火后的低缺陷密度单晶硅制造技术

一种具有中心轴、通常垂直于中心轴的正面和反面、正面与反面之间的中心平面、外围边沿、以及从中心轴延伸到外围边沿的半径的单晶硅晶片。此晶片包含第一和第二轴对称区。第一轴对称区从外围边沿向内径向延伸，含有硅自填隙作为占优势的本征点缺陷，且基本上无聚集的填隙缺陷。第二轴对称区以空位为占优势的本征点缺陷，它包含从正面向中心平面延伸的表面层和从表面层向中心平面延伸的本体层，其中存在于表面层中的聚集空位缺陷的数量密度低于本体层中的浓度。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利技术的背景本专利技术一般涉及到电子元件制造中使用的半导体级单晶硅的制备。更确切地说，本专利技术涉及到具有第一轴对称区域和第二轴对称区域的单晶硅锭和晶片及其制备工艺，其中的第一轴对称区域由基本上无聚集的本征点缺陷的硅自填隙占主导的材料组成，第二轴对称区域即核心由也基本上无聚集的空位缺陷的空位占主导的材料组成。通常用所谓切克劳斯基(“Cz”)方法来制备作为大多数半导体电子元件制造工艺的原材料的单晶硅。在此方法中，多晶硅被装载到坩埚中并被熔化，使籽晶与熔融的硅接触，再缓慢提拉而生长单晶。在形成颈部之后，借助于降低提拉速度和/或熔体温度，晶体的直径被加大，直至达到所需的直径即目标直径。然后借助于控制提拉速度和熔体温度同时补偿不断降低的熔体液面而生长直径几乎恒定的晶体圆柱形主体。快要结束生长过程但坩埚中还有熔融的硅时，必须逐渐减小晶体的直径以形成尾锥。通常，借助于提高晶体提拉速率和馈送到坩埚的热量来形成尾锥。当直径变得足够小时，就使晶体与熔体分离。近年已经认识到晶体在生长室中固化之后冷却时，在单晶硅中形成大量缺陷。这些缺陷部分是由于存在过量(亦即浓度高于溶解限度)的称为空位和自填隙的本征点缺陷而产生的。从熔体生长的硅晶体通常生长有过量的某种本征点缺陷，不是晶格空位(“V”)就是硅自填隙(“I”)。已经提出硅中的这些点缺陷的类型和起始浓度是在固化时确定的，且若这些浓度达到系统的临界过饱和水平而且点缺陷的迁移率足够高，则可能出现反应即聚集过程。硅中聚集的本征点缺陷能够严重地影响复杂而密度高的集成电路生产中的材料成品率。空位型缺陷被认为是诸如D缺陷、流型缺陷(FPD)、栅氧化物完整性(GOI)缺陷、晶体原生颗粒(COP)缺陷、晶体原生轻微点缺陷(LPD)之类的可观察到的晶体缺陷以及用诸如扫描红外显微术和激光扫描形貌术之类的红外光散射技术观察到的某些种类的体缺陷的根源。在过量空位区域中还有起环状氧化引入的堆垛层错(OISF)的成核中心作用的缺陷。据推测，这种特殊的缺陷是一种由过量空位的存在所促成的高温成核的氧聚集。对与自填隙有关的缺陷的研究比较不充分。通常把它们认为是低密度的填隙型位错环或网络。这种缺陷不是作为晶片重要性能判据的栅氧化物完整性失效的原因，但它们被广泛地认为是通常与漏电问题有关的其它类型的器件失效的原因。切克劳斯基硅中的这种空位和自填隙聚集缺陷的密度范围通常约为1×103/cm3-1×107/cm3。虽然这些数值比较小，但聚集的本征点缺陷对于器件制造的重要性正迅速增大，实际上，目前被视为器件制造工艺中限制成品率的因素。迄今，通常有三种主要方法来处置聚集的本征点缺陷问题。第一种方法包括集中于晶体提拉技术以降低硅锭中的聚集本征点缺陷的数量密度的各种方法。此方法可以进一步分成晶体提拉条件导致形成空位占主导的材料的方法以及晶体提拉条件导致形成自填隙占主导的材料的方法。例如，已经提出能够借助于(ⅰ)控制v/G0以生长晶格空位是主导本征点缺陷的晶体，以及(ⅱ)借助于在晶体提拉过程中改变(通常是降低)硅锭从大约1100℃到大约1050℃的冷却速率而影响聚集缺陷的成核速率。虽然此方法降低了聚集缺陷的数量密度，但防止不了它们的形成。随着器件制造的要求越来越严格，这些缺陷的存在将越来越成为问题。其他人曾经建议在晶体主体生长过程中将提拉速率降低到低于大约每分钟0.4mm。然而，由于这种低的提拉速率导致各个晶体提拉装置的产率降低，故这一建议也不能令人满意。更重要的是，这种提拉速率导致形成自填隙浓度高的单晶硅。这一高浓度又导致形成聚集的自填隙缺陷以及所有与这种缺陷相关的问题。处置聚集本征点缺陷问题的第二方法包括集中于聚集的本征点缺陷形成之后的溶解或湮没的各种方法。通常，利用对晶片状态的硅进行高温热处理，达到了这一点。例如，Fusegawa等人在欧洲专利申请503816 A1中提出在超过每分钟0.8mm的生长速率下生长硅锭，并在1150-1280℃的温度范围内对切自此硅锭的晶片进行热处理，以便降低靠近晶片表面的薄的区域中的缺陷密度。但随着硅锭直径的增大，这一工艺可能有问题；亦即，生长速率可能不足以确保材料完全由空位型本征点缺陷占主导。如果形成聚集的自填隙缺陷，则热处理通常不能清除或溶解它们。处置聚集本征点缺陷问题的第三方法是在单晶硅晶片表面上外延淀积硅的薄结晶层。此工艺提供了表面基本上无聚集的本征点缺陷的单晶硅晶片。但外延淀积明显地提高了晶片的成本。考虑到这些情况，对于借助于抑制产生聚集自填隙本征点缺陷的聚集反应而防止形成聚集的自填隙本征点缺陷，同时提供用以随后清除存在的聚集空位缺陷的手段的单晶硅制备方法，一直有所需求。就每个晶片得到的集成电路的数目而言，这种方法也可以提供具有类似外延层成品率的单晶硅晶片，而没有与外延工艺有关的高的成本。专利技术的概述因此，本专利技术的目的是提供单晶硅锭或从中得到的晶片，它们具有大致径向宽度的基本上没有来自晶格空位或硅自填隙聚集的缺陷的轴对称区域；提供这样的晶片，其中填隙占主导的材料组成的基本上无缺陷的轴对称区域围绕着空位占主导的材料组成的核心区；提供这样的晶片，其中空位材料组成的核心区具有不均匀的聚集空位缺陷分布；提供一种用来制备单晶硅锭或从中得到的晶片的工艺，其中对自填隙的浓度进行控制，以便防止硅锭从固化温度冷却时这些缺陷在硅锭的直径恒定部分的轴对称区段中聚集；以及提供这样的工艺，其中聚集的空位缺陷如果存在的话，则用对晶片状态的硅进行热处理的方法来加以溶解。因此，概括地说，本专利技术的目的在于一种具有中心轴、通常垂直于中心轴的正面和反面、正面与反面之间的中心平面、外围边沿、以及从中心轴延伸到外围边沿的半径的单晶硅晶片。此晶片包含第一轴对称区和第二轴对称区，第一轴对称区从外围边沿向内径向延伸，其中硅自填隙是占优势的本征点缺陷，且基本上无聚集的填隙缺陷，第二轴对称区中空位是占优势的本征点缺陷，第二轴对称区包含从正面向中心平面延伸的表面层和从表面层向中心平面延伸的本体层，存在于表面层中的聚集空位缺陷的浓度低于本体层中的浓度。本专利技术的进一步目的是一种制备基本上无聚集的本征点缺陷的单晶硅晶片的工艺。此工艺包含在温度超过大约1000℃的氢、氩或它们的混合物的气氛中，对单晶硅晶片进行热退火，所述晶片具有中心轴、通常垂直于中心轴的正面和反面、正面与反面之间的中心平面、外围边沿、从中心轴延伸到外围边沿的半径、第一轴对称区以及第二轴对称区，第一轴对称区从外围边沿向内径向延伸，其中硅自填隙是占优势的本征点缺陷，且基本上无聚集的填隙缺陷，第二轴对称区位于第一轴对称区径向内侧，其中空位是占优势的本征点缺陷。热退火对存在于从正面向中心平面延伸的层中的第二轴对称区中的聚集空位缺陷进行溶解。本专利技术的另一目的是一种制备基本上没有聚集的本征点缺陷的硅晶片的工艺，此晶片切自具有中心轴、籽晶锥体、尾锥、以及延伸于籽晶锥体和尾锥之间的直径恒定部分的单晶硅锭，直径恒定部分具有外围边沿和从外围边沿向中心轴延伸的半径，硅锭根据切克劳斯基方法从硅熔体生长然后从固化温度冷却。此工艺包含(ⅰ)生长单晶硅锭，其中在从固化到不低于大约1325℃的温度范围内生长硅锭的直径恒定部分的过程中，生长速度v和平均轴向温度梯度G0被控制，以便形成直径恒定部分区段，此区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有中心轴、通常垂直于中心轴的正面和反面、正面与反面之间的中心平面、外围边沿、以及从中心轴延伸到外围边沿的半径的单晶硅晶片，此晶片包含：从外围边沿向内径向延伸的第一轴对称区，其中硅自填隙是占优势的本征点缺陷，且基本上无聚集的填隙缺陷 ；以及第二轴对称区，其中空位是占优势的本征点缺陷，第二轴对称区包含从正面向中心平面延伸的表面层和从表面层向中心平面延伸的本体层，存在于表面层中的聚集空位缺陷的数量密度低于本体层中的浓度。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特J法尔斯特，马丁J比恩斯，艾伦王，
申请(专利权)人：MEMC电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]