专利名称：用于将具有平坦掺杂物深度状况的半导体晶片退火的方法
技术领域：
本发明的领域涉及半导体晶片的处理，更具体地，涉及半导体晶片的退火。
背景技术：
半导体晶片，例如硅晶片，通常含有掺杂物。这些掺杂物，例如硼和磷，可能污染晶片。例如，如果硼和磷存在于晶片的组件区域(active device region)中，可能出现无法接受的电阻率偏移。退火可以驱使硼和磷进入晶片的顶层中的组件区域中。出于本发明的目的，所述晶片的顶层是该晶片顶部的10微米。在一些情况下，电阻率偏移甚至可能导致所述晶片从P-型晶片转变成N-型晶片。现有技术对此问题的解决方法不能可靠或令人满意地将硼和磷污染物二者从晶片中去除。发明概沭在一个方面，公开了一种用于退火单晶硅晶片的方法，该单晶硅晶片具有前表面和后表面，以及置于晶片的前表面上基本在全部径向宽度(radial width)上延伸的氧化物层。该方法包含在具有包含氧气的气氛的退火室中将晶片退火。该过程还包括将水的分压维持高于预定值，使得晶片在退火过程中维持该氧化物层。该氧化物层具有约5纳米的最大厚度，以及约0.5纳米的最小厚度，使得该退火的前表面基本没有硼和磷。在另一方面，公开了用于制备单晶娃晶片的方法，该单晶娃晶片具有如表面和后表面，以及置于晶片的前表 面上基本在全部径向宽度上延伸的氧化物层。该方法包括在具有含有氧气、氢气和惰性气体的气氛的退火室中将晶片退火。该方法还包括经由控制氧气和氢气的量将水的分压维持高于预定值，使得晶片在退火过程中维持该氧化物层，使得该退火的前表面基本没有硼和磷。关于本发明上文提及的方面所指出的特征存在多种改进。进一步的特征也可以整合到本发明上文提及的方面中。这些改进以及额外特征可单独地存在或以任意组合存在。例如，下文关于本发明的任意显示的实施方案而讨论的多种特征可单独或者以任意组合结合到本发明上文描述的任意方面中。
附图简介
图1是显示水的分压、温度、氧气以及氧化物层之间的关系的图。发明详细描述在该实施方案中，晶片是单晶硅晶片，其从根据Czochralski晶体生长方法生长的单晶淀(single crystal ignot)切片得到。例如在 F.Shimura, SemiconductorSilicon Crystal Technology, Academic Press, 1989 中公开了这样的方法以及标准娃切片(slicing)、研磨(lapping)、蚀亥Ij (etching)和抛光(polishing)技术。为了赋予晶片各种期望的性质，每个晶片通常包含一种或多种掺杂物。具体而言，每个晶片通常是P-型晶片(即，已经采用来自元素周期表的第3族的元素(例如硼、铝、镓以及铟，最典型的为硼)掺杂的晶片)。注意，其他类型的晶片也在本发明范围内。掺杂可经由在该晶体被拉晶(PUll)且该晶片被切片之前将掺杂物添加到硅熔体中进行。晶片通常将具有大于约10hm-cm的电阻率,且在一些实施方案中，具有大于约100hm-cm的电阻率。每个晶片通常具有至少200毫米或至少300mm、或者至少400mm的直径，或在一些实施方案中具有至少450mm的直径。每个晶片包含预定厚度的氧化物层。在一些实施方案中，该氧化物层是约6埃至约10埃厚，且以化学方式形成。“干净”的化学氧化物可使用已知的方法而生长，例如作为实例，经由使用H2S04/H202、SC1、SC2、臭氧或hf/h2o2。在其他实施方案中，该氧化物层可热生长，且小于约10埃厚。在分批过程中在多个晶片的标准退火期间，每个晶片上的氧化物层将从该晶片边缘比从该晶片中间更快的蒸发。在蒸发期间，污染物可在该晶片的边缘处扩散到晶片中，而在该晶片中间处的污染物并不扩散，而是在该中间与该氧化物层一起蒸发。这个问题随着晶片间距(Pitch)增加而增加，注意，该退火过程可为单晶片或分批/多晶片过程。图1显示水的分压、温度、氧气与该氧化物层之间的关系。在图1的图中，Y轴是分压Po(以托为单位)，上面的X轴是以摄氏度为单位的温度，且下面的X轴是以开尔文为单位的温度。氧化线从该图的左上方对角地延伸至该图的右下方，且指示该氧化物层是否保留在晶片上。某些氧气含量(lppm、5ppm和IOppm)也绘制在该图上。在高于该氧化线的条件下，该氧化物层维持在该晶片上。在低于该线的条件下，该氧化物层被移除，使得该晶片不含氧化物。该图可以用于获得分压Ptl的临界值或者预定值，以及将该氧化物层维持在该晶片上。根据本发明的一个实施方案，该晶片在常规退火炉例如从ASMAmerica，Inc.购买的A412立式熔炉的退火室中适宜地退火。用于退火该晶片的适宜过程包括第一退火以及第二退火。该第一退火包括将该晶片插入预加热的退火室内。注意，在该退火步骤期间该晶片可具有例如至少5_、或者至少7_、或者甚至至少约10_的间距。该腔室适宜地预加热·至约400° C与约750° C之间的温度，例如约450° C。在插入该晶片后，允许温度稳定10-30分钟，且随后将温度增加至约585° C与1050° C之间。温度斜线上升速率可在I度/分钟到15度/分钟之间，且该速率通常在较高温度处较低。在一实施方案中，在该第一退火期间将该温度增加至约1000° C，且使该温度保持稳定在此温度。该第一退火可进行至少约10分钟、至少约20分钟、介于约20至40分钟之间的时间段，或者在一个实施方案中，进行约30分钟。不受任何特定理论的束缚，据信在主要为氩气的气氛中，该晶片上的氧化物层将在大于约1050° C的温度时被完全移除。在约585° C以下，氢气以及氧气并不自发地反应形成水。因此，该退火温度适宜地在约585° C与1050° C之间，约800° C与1050° C之间，约900° C与1050° C之间，或者在一个实施方案中约1000° C。当将晶片插入该室中时，该气氛最初仅包括惰性气体，例如100%的氩气或者氦气。在斜线上升期间，将氢气引入到该气氛中，以控制水的分压，且由此维持该氧化物层。将氧气也引入到该气氛中，以控制水的分压，以控制水的分压，且由此维持该氧化物层。在一个实施方案中，当该温度达到约600° C时引入氢气，且当该温度达到约800° C时引入氧气。该氢气以及氧气在该第一退火的整个时间段期间内流入该室内。氢气和氧气的量足够维持该氧化物层的厚度，但是不足以生长更厚的氧化物层。图1的图可用于获得分压Po的临界或者预定值，以将氧化物层维持在该晶片上。从该值可以决定氢气以及氧气的适当量。氢气可使用过量，但氧气含量必须足够以形成所指示的水蒸气的量。在一个实施方案中，引入足够的氢气，使得该气氛是至少约0.5%氢气，或者至少约1%，或者在一个实施例中约3%氢气。氧气以足够量引入，使得在该退火室内气氛中具有至少约lppm、或约Ippm至5ppm、或约5ppm的氧气。在一个实施例中进入反应器中的总气体流速为约每分钟20标准升，且该氧气流速是约0.1毫升/分钟，以达成作为该腔室内气氛中的水的5ppm的氧气的氧气含量。在完成该第一退火之后，可使温度斜线上升以实施第二退火。在一个实施方案中，该温度可以高达每分钟15度的速率斜线上升，但更通常以小于每分钟10度的速率斜线上升，或者以低至约每分钟I度的速率斜线上升。在斜线上升至第二退火期间，停止氢气和氧气的流动，使得在该第二退火期间，该气氛是约100%惰性气体。在该第二退火中，该温度到达大于约1050° C的温度，例如在1150° C和1250° C之间，或者在另一个实施方案中约1200° C或更高。适宜地，该第二退火时间段是至少约半个小时，或者约I个小时。此第二退火通常在于该第一退火相同的室内进行，但可替代地在不同的室内进行。在该第二退火之后，该温度以约等于或小于该斜线上升速率的速率斜线下降。该斜线下降持续直到该熔炉到达约300° C至500° C范围内的温度，例如约450° C。在该斜线下降期间该腔室内气氛适宜地为约100%惰性气体，例如氩气。控制该分压导致控制该氧化物层的厚度。在一个实施方案中，该晶片在该第一退火中维持该氧化物层，使得该氧化物层具有约5纳米的最大厚度，以及约0.5纳米的最小厚度，使得该退火的前表面基本没有硼和磷。在另一实施方案中，该晶片在该第一退火中维持该氧化物层，使得氧化物层具有相差不多于100%的最大厚度和最小厚度。这导致在退火后该晶片的前表面基本没有硼和磷。该第一退火的公差·为约+/-25° C,或者在一些实施方案中小于+/_5° C。处于该第一退火温度的时间将取决于必须去除的表面掺杂物浓度的量，但通常将不少于5分钟，且不大于I小时。该第一退火的温度可为至少900° C，且不大于1075° C。该第一退火的氢气含量可大于50ppm，且甚至可大于99%。氧气含量将超过图1中展示的量，以维持氧化硅层，但应控制使得在该第一退火步骤期间生长的氧化物不超过50埃，或者在一些实施方案中甚至不超过20埃。由此退火过程中产生的每个晶片在晶片的顶层中的组件区域(电活性层(electric active layer))中基本没有硼和磷。所述晶片也在该晶片的顶层中具有平坦的掺杂状况。如上所述，小心地控制氧气或者氢气的量，以将该退火熔炉气氛中的水维持于略高于这样的分压，即其使得维持晶片上的氧化物层，但在该第一退火完成且所有硼和磷已经从表面移除之前，没有该氧化物层的实质生长。该第二、较高温度的步骤完全不使用氧气或者水，且将完全移除此氧化物层，留下光滑的、没有氧化物的硅表面。
实施例现将描述该退火方法的一个实施例。注意，此仅为一实例，且在本发明的范围内可设想许多其他实例。晶片在约450° C的熔炉插入温度下插入该退火熔炉中，当插入晶片时，该熔炉气氛是100%氩气。该熔炉的温度以10° C/分钟的斜线上升速率(在斜线上升期间)增加至约600° C。氢气在斜线上升期间引入该腔室内，使得该熔炉内的气氛是97%氩气和3%氮气。温度持续增加，当温度达到800° C时,氧气以约5ppm维持于该熔炉气氛中。将该温度增加至约1000° C，且接着使该温度在第一退火期间保持固定或在1000° C保持约30分钟。在第一退火时，氧气维持于约5ppm，且分压是0.002托。在完成该第第一退火后，温度进一步增加。随着该温度增加，氧气流在约1025° C关闭，接着氢气流在约1050° C关闭。温度持续增加，直到其到达约1200° C，此时保持该温度在第二保持期间或者退火期间达约60分钟。在该第二退火期间没有引入氢气或氧气，使得该气氛是约100%的氩气。在完成该第二退火之后，温度在超过约300分钟的时间段斜线下降至约450° C。当介绍本发明或其优选的实施例的要素时，冠词“a”、“an”、“该”和“所述”意欲指具有一个或多个该要素。术语“包含”、“包括”和“具有”意欲为包含性的，且指可具有除所列出的要素之外额外的要 素。因为在未脱离本发明的范围的情况下可在上文的装置以及方法中做出做种改变，上文描述含有的以及附图中展示的所有材料意欲应解释为示例性的，且不以限制性意思解释。
权利要求
1.一种用于退火单晶硅晶片的方法，该单晶硅晶片具有前表面和后表面，以及置于该晶片的前表面上基本在全部径向宽度上延伸的氧化物层，该方法包括: 在具有包含氧气的气氛的退火室中将该晶片退火； 将水的分压维持高于预定值，使得该晶片在退火过程中维持该氧化物层。该氧化物层具有约5纳米的最大厚度，以及约0.5纳米的最小厚度，使得退火的前表面基本不含硼和磷。
2.如权利要求1的方法，其中所述气氛进一步包含氢气以及惰性气体。
3.如权利要求2的方法，其中所述气氛包括至少约0.5%的氢气。
4.如权利要求2的方法，其中所述惰性气体是氩气。
5.如权利要求1的方法,其中所述气氛包括从约Ippm至约5ppm的氧气。
6.如权利要求1的方法，其中在该退火步骤期间该硅晶片间距是10mm。
7.如权利要求1的方法，其中所述硅晶片在约900°C与约1050° C之间的温度下退火。
8.如权利要求1的方法，其中所述硅晶片在约1000°C的温度下退火。
9.如权利要求1的方法，其中硅晶片退火至少约10分钟的时间。
10.如权利要求1的方法,其中硅晶片退火至少约30分钟的时间。
11.如权利要求1的方法，其进一步包含在基本上由惰性气体组成的气氛中的与该第一所指的退火不同的第二退火。
12.如权利要求11的方法，其中所述第二退火在约1150°C与约1250° C之间的温度下进行。
13.如权利要求12的方法，其中使所述温度保持在1200°C下1小时。
14.如权利要求13的方法，其中所述温度在基本上由惰性气体组成的气氛中斜线下降至 450° Co
15.如权利要求1的方法，其中所述退火室中气体的流速是约每分钟20标准升。
16.如权利要求1的方法，其中所述晶片是P-型晶片。
17.如权利要求1的方法，其中所述晶片的直径是至少400mm。
18.一种用于制备单晶硅晶片的方法，该单晶硅晶片具有前表面和后表面，以及置于该晶片的前表面上基本在全部径向宽度上延伸的氧化物层，该方法包括: 在具有包含氧气、氢气以及惰性气体的气氛的退火室中将该晶片退火； 通过控制氧气和氢气的量将水的分压维持高于预定值，使得该晶片在退火过程中维持该氧化物层，使得退火的前表面基本不含硼和磷。
19.如权利要求18的方法，其中所述气氛包括至少约0.5%的氢气。
20.如权利要求18的方法，其中所述气氛包括从约Ippm至约6ppm的氧气。
21.如权利要求18的方法，其中在退火步骤期间该硅晶片间距是10mm。
22.如权利要求18的方法，其中所述硅晶片在约900°C与约1050° C之间的温度下退火。
23.如权利要求18的方法，其中所述硅晶片在约1000°C的温度下退火。
24.如权利要求18的方法，其中硅晶片退火至少约20分钟的时间。
25.如权利要求18的方法，其进一步包含在基本上由惰性气体组成的气氛中的与该第一所指的退火不同的第二退火。
26.如权利要求25的方法，其中所述第二退火在约1150°C与约1250° C之间的温度下进行。
27.如权利要求26的方法，其中使所述温度保持在1200°C下I小时。
28.如权利要求27的方法，其中所述温度在基本上由惰性气体组成的气氛中斜线下降至 450° Co
29.如权利要求18的方法，其中所述晶片是P-型晶片。
30.如权利要 求18的方法，其中所述晶片的直径是至少400mm。
全文摘要
本发明公开了一种用于退火单晶硅晶片的方法，该单晶硅晶片具有前表面和后表面，以及置于该晶片的前表面上基本在所有径向宽度上延伸的氧化物层。该方法包括在具有包含氧气的气氛的退火室中将该晶片退火。该方法还包含将水的分压维持高于预定值，使得该晶片在退火过程中维持该氧化物层。该退火的前表面基本没有硼和磷。
文档编号H01L21/322GK103250234SQ201180058948
公开日2013年8月14日 申请日期2011年12月8日 优先权日2010年12月9日
发明者L·W·夏夫, B·L·吉尔摩 申请人:Memc电子材料有限公司