减少硅晶片中的金属杂质的方法技术

一种从具有表面和内部的硅晶片除去选自铜、镍及其组合的杂质的方法。该方法包括在受控的气氛中从等于或高于氧化起始温度的温度冷却硅晶片，并在所述氧化起始温度下使含氧气氛开始流动以便围绕硅晶片表面形成氧化环境，从而在硅晶片表面上形成氧化层，并在该氧化层和硅晶片内部之间的界面处形成应变层。此外控制晶片的冷却以使杂质的原子从硅晶片内部扩散到该应变层。然后，清洗硅晶片以除去氧化层和应变层，从而除去已扩散到该应变层的所述杂质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及用于电子元件的制造的半导体材料衬底尤其是硅晶片的制备。更具体地，本专利技术涉及用于对一个或多个硅晶片热处理或退火以便从晶片内部或体中减少金属杂质例如铜的浓度的方法。另外，执行本专利技术的方法可以减少在一个或多个硅晶片的表面上以及体内的集聚的空位缺陷的浓度或尺寸。
技术介绍
硅器件性能由于金属杂质而下降。过渡金属-包括铜、铁和镍-可在与集成电路制造条件相关联的常规热循环期间溶解和扩散。当从与集成电路的制造相关联的温度冷却时，铜和其它金属可能在晶片表面以及界面、缺陷位置和掺杂例如硼的区域(例如p型晶片或区域)沉淀或聚集。这些沉淀通常被认为是杂质金属和硅的反应产品。在铜的情况下，它们被认为是一硅化二铜沉淀物。沉淀物通常导致形成位错和其它缺陷。沉淀物及其相关的位错和缺陷-如果在晶片的器件制造区域内存在的话-可能使用晶片制备的集成电路无效。另外，一硅化二铜沉淀物可能形成所谓雾缺陷，这是因为在受到普通的蚀刻处理和亮光检测时，沉淀物会在晶片表面上导致看上去像雾的缺陷。由于这些问题，集成电路制造者通常要求由本领域中的标准方法确定的硅晶片表面上的铜浓度不超过1×1010原子/cm2到1×1011原子/cm2。此外，可以预测这一要求将降低到5×109原子/cm2、1×109原子/cm2或更低的值，这是因为大部分随机的器件故障可以追溯到一硅化二铜沉淀物。单晶硅晶片通常通过这样的方法制造，该方法从用直拉(Czochralski)法或浮区(float-zone)法生产的单晶硅锭的生长开始。通常用线状锯将晶锭切片成晶片，通过研磨和化学蚀刻来平整晶片以除去机械损伤和杂质。在被蚀刻之后，晶片在一侧或两侧上被抛光。尽管晶片可进行附加的处理例如热退火以减少晶体原生粒子，但是处理通常以本领域的清洗方法作为结束。在这种清洗之后，由全反射荧光(TXRF)测量法确定的在抛光晶片的表面上的铜浓度通常小于1×1010原子/cm2。可参见例如C.Neumann etal.，Spectrochemica Acta，10(1991)，pp.1369-1377；以及Ingle&Crouch，Spectrochemical Analysis，Prentice Hall，1988。但是，即使在室温下，这些晶片的表面铜浓度仍趋向于随着时间流逝而增加，直到达到饱和。因此，就在清洗之后符合表面铜浓度的目标标准的晶片可能在5到10个月之后不符合该标准。迄今为止有三种处理硅晶片的铜杂质问题的主要方法。第一种方法包括减小在抛光操作期间被引入硅中的铜以及其它金属的量。特别地，工业上主要集中在识别这些杂质的源并将它们尽可能地减少。除了减少抛光混合物中的金属量，其它方法-例如Prigge et al.(DE 3939661 A1)公开的方法-包括通过将抛光剂与某些反应物混合来限制在抛光期间实际结合在晶片中的铜的量，该反应物与铜形成配位络合物。这种配位络合物用于将铜保持在特定的构象(conformation)，这会限制铜进入硅的能力。尽管改变抛光混合物将减小铜杂质在硅晶片内的程度，但是这通常不足以有效地排除对其它减少铜的方法的需要。另外，集成电路制造者对硅晶片内的金属杂质水平的更严格的限制使得对于控制硅晶片内的金属杂质来说，依赖于抛光混合物的改变是一种成本很高的选择。第二种处理抛光硅晶片的金属杂质的方法是内吸除，以捕获铜和其它金属并防止这些金属到达晶片的器件区域。内吸除技术包括在不会干扰用晶片制造的集成电路的功能的位置(即，经常被称为“体”、“晶片体”或“体区域”的位于器件区域下方的晶片内部的区域)将缺陷位置引入硅晶片。但是，已经表明吸除技术并不是控制金属杂质的完全可以接受的方案。例如，金属-例如铜和镍-在硅中的高扩散性使得这些金属能够离开吸除位置并到达器件区域。另外，被引入硅作为吸除沉的缺陷可能通过例如减小少数载体的复合寿命而降低硅的品质。第三种处理抛光硅晶片的金属杂质问题的方法是使用一个或多个所谓的“低温退火”来将铜从硅晶片的体驱动到表面，在该表面可除去铜。例如，Falster et al.，U.S.Pat.No.6100167公开了一种方法，该方法大致包括对晶片进行较短的一段时间(例如，在5分钟和大约1.5小时之间)的低温退火(例如在大约225℃和大约300℃之间)，以增加铜扩散到晶片表面的速率。在扩散到表面之后，通过执行清洗操作从表面除去铜。可在抛光硅晶片被加热到超过500℃的温度以便避免形成一硅化二铜沉淀物之前执行一个或多个这些低温退火操作，包括清洗以除去铜。尽管这些低温退火操作可用于有效地从单个硅晶片除去铜，但是它们没有在典型的制造方法中完成，这是因为它们会大大降低产量和大大增加晶片的成本。因此，这些低温退火操作局限于实验室和试验应用场合。总之，硅晶片的制造包括可能引入金属杂质的许多步骤例如晶片抛光。并且，鉴于前述用于防止或除去金属杂质的方法的缺陷，仍需要一种简单的、低成本的有效的方法以用于从抛光硅晶片除去金属杂质，该方法可结合在传统的制造方法中而不会形成有害的沉淀物。
技术实现思路
因此，简单的说，本专利技术针对一种用于从具有硅晶片表面和硅晶片内部的硅晶片除去选自铜、镍及其组合的杂质的方法。该方法包括在受控的气氛中从等于或高于氧化起始温度的温度冷却硅晶片。在所述氧化起始温度下，含氧气氛开始流动以围绕硅晶片表面产生氧化环境以便在硅晶片表面上形成氧化层，并在该氧化层和硅晶片内部之间的界面处形成应变层。控制硅晶片的冷却以允许杂质的原子从硅晶片内部扩散到应变层。然后，清洗晶片以除去氧化层和应变层，从而除去已扩散到该应变层的所述杂质。本专利技术还针对另一种用于从具有硅晶片表面和硅晶片内部的硅晶片除去选自铜、镍的杂质的方法。此方法包括将硅晶片加热到至少大约1100℃的温度，并将硅晶片表面暴露在包括选自氢、氦、氖、氩、氪、氙以及它们的混合物的清洗环境中，以便从硅晶片表面除去硅氧化物从而获得脱氧硅晶片。将脱氧硅晶片暴露在氧化环境内以在硅晶片表面上形成氧化层，从而获得在氧化层和硅晶片内部之间的界面处具有应变层的被氧化的硅晶片。控制被氧化的硅晶片的温度以使杂质从硅晶片内部扩散到应变层。然后，清洗该硅晶片以便从硅晶片除去扩散到应变层的杂质，从而获得经过清洗的硅晶片。本专利技术还针对一种用于从具有硅晶片表面和硅晶片内部的多个硅晶片除去选自铜、镍及其组合的杂质的方法。该方法包括从等于或高于氧化起始温度的温度冷却硅晶片，其中该氧化起始温度小于大约800℃。在所述氧化起始温度下，使含氧气氛开始流动以围绕硅晶片表面形成氧化环境以便在硅晶片表面上形成氧化层，该氧化层的厚度为大约5至大约20，并在该氧化层和硅晶片内部之间的界面处形成应变层。控制晶片的冷却以允许杂质的原子从硅晶片内部扩散到应变层。然后，清洗硅晶片以除去氧化层和应变层，从而除去已扩散到应变层的所述杂质。此外，本专利技术针对一种用于从具有硅晶片表面和硅晶片内部的硅晶片除去选自铜、镍及其组合的杂质的方法。此方法包括在将硅晶片暴露在包含氩的加热-冷却环境中的同时将硅晶片的温度增加到至少大约1100℃的退火温度。通过在硅晶片处于退火温度时，使硅晶片暴露在选自氢、氦、氖、氩、氪、氙及其组合的退火环境中一段时间对硅晶片进行退本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从具有硅晶片表面和硅晶片内部的硅晶片除去选自铜、镍及其组合的杂质的方法，该方法包括：在受控的气氛中从等于或高于氧化起始温度的温度冷却硅晶片；在所述氧化起始温度下使含氧气氛开始流动以便围绕硅晶片表面形成氧化环境，从而在 硅晶片表面上形成氧化层并在该氧化层和硅晶片内部之间的界面处形成应变层；控制该冷却以使杂质的原子从硅晶片内部扩散到该应变层；以及清洗该硅晶片以除去氧化层和应变层，从而除去已扩散到该应变层的所述杂质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：LW夏夫，BL吉尔摩，
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]