形成具有洁净区的硅片的方法和装置制造方法及图纸

提供了一种在制造电子元件所用的半导体晶片上形成外延层和洁净区的装置和方法。该洁净区和外延层在一个装置中形成。装置包括一个Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ杆，该Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ杆用来将晶片支承在冷却位置中，以便实施快速冷却晶片和形成洁净区。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术一般涉及用于制备在制造电子元件中使用的半导体材料衬底，特别是硅片，的方法和装置。更具体地说，本专利技术涉及一种单晶硅片及用于制备它的方法。这种晶片具有一个在实质上任何电子器件制造工艺的热处理周期(循环)中形成的理想的氧析出物非均匀深度分布的洁净区(denuded zone)。此外，该晶片可包括至少一个主表面，该主表面具有一个淀积于其上的外延层。作为用来制造半导体电子元件的大多数工艺的原材料，单晶硅通常用直拉法(Czochralski法)制备。在该方法中，将多晶硅(“聚硅”)装入坩埚并熔化，使籽晶与熔融硅接触，并通过缓慢提拉生长单晶。在提拉工艺过程中要形成的晶体第一部分是一个细的晶颈。在晶颈的形成完成之后，通过降低拉晶速度和/或熔体温度使晶体直径扩大，直至达到所希望的或目标直径。然后通过控制拉晶速度和熔体温度生长具有近似恒定直径的圆柱形晶体主体，同时补充下降的熔体液位。在生长过程接近结束，但在坩埚排空熔体硅之前，逐渐缩小晶体直径，以便形成一个端锥(尾锥)。通常，端锥是通过增加晶体拉速和向坩埚供给热量形成的。当直径变得足够小时，则使晶体与熔体分离。随着晶体在固化之后冷却，在晶体生长室中单晶硅中形成许多缺陷。这些缺陷的出现部分是由于存在过量(亦即，高于溶度限的浓度)的本征点缺陷，这些本征点缺陷通称为晶格空位和硅自填隙。从熔体中生长的硅晶体，通常生长带有过量的一种类型或另一种类型本征点缺陷。已经提出，硅中这些点缺陷的类型和初始浓度决定于固化之时，并且，如果这些浓度达到系统中临界过饱和的水平并且点缺陷的迁移率(淌度)足够高，则反应(或附聚现象)将易于发生。在直拉硅中附聚的本征点缺陷密度通常是在约1×103/cm3-约1×107/cm3范围内。尽管这些数值比较低，但附聚的本征点缺陷对器件制造者来说，具有快速增加的重要性，并且事实上，现在看作是在器件制造过程中限制产量的因素；及可能严重影响在生产复杂和高集成度电路中的材料的产量潜力。一种特别成问题的缺陷类型是存在晶体原生凹坑(“COPs”)。这种类型缺陷的来源是硅晶格空位的附聚。更具体地说，当硅晶格空位在硅锭内附聚时，它们形成空隙。随后，当晶锭被切片成晶片时，这些空隙在晶片表面上作为凹坑暴露并显现出来。这些凹坑称作COPs。迄今为止，一般有三个主要途径来处理附聚的本征点缺陷问题。第一个途径包括一些关注拉单晶技术(工艺)的方法，以减少晶锭中附聚的本征点缺陷数量密度。这个途径可以进一步细分成具有导致形成空位为主的材料的拉晶条件的那些方法，和具有导致形成自填隙为主的材料的拉晶条件的那些方法。例如，已提出，附聚的缺陷数量密度可通过下述方法减少(i)控制v/G0(此处v是生长速度，G0是平均轴向温度梯度)，以生长一种其中晶格空位是主要本征点缺陷的晶体，和(ii)在拉单晶工艺过程中通过改变(一般，通过缓慢降低)从约1100℃到约1050℃的硅锭的冷却速率来影响附聚的缺陷成核速率。尽管这种途径减少了附聚的缺陷数量密度，但是不能防止它们的形成。随着器件制造者所提的要求变得越来越严格，这些缺陷的存在将继续成为更多问题。另外的建议是在晶体主体生长过程中将拉晶速度降低到一个小于约0.4mm/min的值。然而，这种建议也不能令人满意，因为这种缓慢的拉晶速度导致降低了每台拉晶机的生产率。更重要的是，这种拉晶速度导致形成具有高浓度自填隙的单晶硅。这种高浓度本身又导致形成附聚的自填隙缺陷以及所有与这种缺陷有关的问题。处理附聚的本征点缺陷问题的第二个途径包括一些关注在附聚的本征点缺陷形成之后溶解或湮没(消除)它们的方法。一般，这是通过用高温热处理晶片形式的硅来达到的。例如，在欧洲专利申请NO.503816A1中，Fusegawa等提出在超过0.8mm/分的生长速率下生长硅锭，并在温度范围为1150℃-1280℃的温度范围内热处理从硅锭切片的晶片，以便减少晶片表面附近一个薄区域中的缺陷密度。所需的特殊处理将根据晶片中附聚的本征点缺陷浓度和位置而改变。从这种缺陷的轴向浓度不均匀的晶体上切成的不同晶体，可能需要不同的后生长处理条件。另外，这类晶片热处理费用比较高，存在将金属杂质引入硅片的可能性，并且不是对所有类型的与晶体有关的缺陷都普遍有效。处理附聚的本征点缺陷的第三个途径是将一个薄的结晶硅层外延淀积到单晶硅片表面上。这种方法提供一种单晶硅片，该单晶硅片具有一个基本上没有附聚的本征点缺陷的表面。然而，用传统的外延淀积技术大大增加了晶片的成本。除了含有上述附聚的点缺陷之外，用直拉法制备的单晶硅通常还含有各种杂质，其中主要是氧。这种玷污例如是在熔融硅装在石英坩埚中时发生。在硅熔融体的温度下，氧进入硅晶格，直至达到一个浓度，该浓度由在熔融体温度下氧在硅中的溶解度和氧在固化硅中的实际偏析系数决定。这种浓度大于制造电子器件工艺的典型温度下氧在固体硅中的溶解度。这样，随着晶体从熔融体中生长并冷却时，其中氧的溶解度迅速下降。这最终造成晶片含有过饱和浓度的氧。在电子器件制造中通常应用的热处理周期(循环)，可以引起其中氧过饱和的硅片中的氧析出。视析出物在晶片中的位置而定，析出物可以是有害的或是有益的。位于晶片有源器件区域的氧析出物可能损害器件的工作。然而，位于晶片体部中的氧析出物能够捕获可能与晶片接触的不希望有的金属杂质。利用位于晶片体部中的氧析出物来捕获金属通常称做内部或本征吸杂(“IG”)。历史上，电子器件制造工艺包括一系列步骤，这些步骤用来生产这样一种硅，该硅在晶片表面附近具有一个无氧析出物的区域(通常叫做“洁净区”或“无析出物区域”)，同时晶片的其余部分(亦即，晶片体部)含有足够量的氧析出物，用于IG目的。例如，洁净区在高-低-高的热顺序中形成，如(a)在惰性气体中于高温(＞1100℃)下氧外扩散热处理至少约4小时的时间，(b)在低温(600-750℃)下氧析出物核形成，和(c)在高温(1000-1150℃)下生长氧析出物(SiO2)。见，比如，F.Shimura，半导体硅晶体工艺学，PP.361-367(Academic Press，Inc.，San Diego CA，1989)(及其中所列举的参考文献)。然而，新近，一些先进的电子器件制造工艺，如DRAM(动态随机存取存储器)制造工艺已开始将高温工艺步骤的使用减至最少。尽管这些工艺中某一些工艺保留足够的高温工艺步骤，来产生洁净区和足够的体部析出物密度，但对材料的容限要求太严，以致不能得到商业上可行的产品。另一些目前十分先进的电子器件制造工艺根本不包含外扩散步骤。由于存在与源器件区域中氧析出物有关的问题，因此，这些电子器件的制造者必需使用这样的硅片，这些硅片在它们的工艺条件下，在晶片中的任何地方都不能形成氧析出物。结果，所有IG潜力都丧失了。因此，简言之，本专利技术针对一种单晶硅片，该单晶硅片包括(a)两个一般是平行的主要表面(亦即，前表面和后表面)；(b)一个在前表面和后表面之间的中央平面；(c)一个接合前表面和后表面的周边；(d)一个表面层，它包括一个在前表面和一个从前表面朝中央平面深入至少约10μm的距离D1之间的晶片区域；和(e)一个体部层，该体部层包括晶片在中央平面和第一区域之间的第二区域。这种晶片的特征在于，晶片具有非均匀的晶格本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在一个外壳内生产半导体晶片中洁净区的方法，上述外壳具有一个热源、一个衬托器、一个晶片支承件和一个Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ杆，上述方法包括：在一外壳内用热源将具有相对主表面的半导体晶片加热到至少约１１７５℃的高温，上述半导体晶片在上述加热期 间由一支承件支承在外壳内；停止上述加热，并用Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ杆移动上述半导体使其脱离与支承件的传导热传递关系；和在保持上述晶片与支承件脱离传导热传递关系时，以一至少约１０℃／秒的速率冷却在外壳中的上述热晶片，直到晶片达到低于约８５ ０℃的温度，从而在晶片中形成一个洁净区。

【技术特征摘要】
US 2000-6-30 09/608,3021.一种在一个外壳内生产半导体晶片中洁净区的方法，上述外壳具有一个热源、一个衬托器、一个晶片支承件和一个Bernoulli杆，上述方法包括在一外壳内用热源将具有相对主表面的半导体晶片加热到至少约1175℃的高温，上述半导体晶片在上述加热期间由一支承件支承在外壳内；停止上述加热，并用Bernoulli杆移动上述半导体使其脱离与支承件的传导热传递关系；和在保持上述晶片与支承件脱离传导热传递关系时，以一至少约10℃/秒的速率冷却在外壳中的上述热晶片，直到晶片达到低于约850℃的温度，从而在晶片中形成一个洁净区。2.根据权利要求1所述的方法，包括将晶片放置在一个室中和将一外延涂层施加到晶片的至少一个上述主表面上，在至少一部分涂层施加期间，上述晶片与支承件处于直接热传递关系。3.根据权利要求3所述的方法，其中在施加上述涂层后将上述晶片加热到至少约1250℃温度，并且晶片的冷却速率为至少约20℃/秒。4.根据权利要求2所述的方法，其中上述晶片以至少约15℃/秒的速率冷却。5.根据权利要求2所述的方法，其中上述晶片以至少约20℃/秒的速率冷却。6.根据权利要求2所述的方法，其中上述晶片以至少约50℃/秒的速率冷却。7.根据权利要求4所述的方法，其中上述冷却速率为至少约15℃/秒，直至晶片温度降低至少约325℃。8.根据权利要求5所述的方法，其中上述冷却速率为至少约20℃/秒，直至晶片温度降低至少约325℃。9.根据权利要求6所述的方法，其中上述冷却速率为至少约50℃/秒，直至晶片温度降低至少约325℃。10.根据权利要求4所述的方法，其中上述冷却速率为至少约15℃/秒，直至晶片温度降低至少约40...

【专利技术属性】
技术研发人员：GM威尔逊，MJ里斯，
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]