大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，具体涉及大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺。
【背景技术】
[0002]现代集成电路的制造往往需要经历数百道工艺，在很多工艺中，硅片难免会遭受金属沾污。若在芯片的有源区域存在金属沾污，将引起芯片性能的显著下降甚至导致失效。为了消除金属沾污的不利影响，目前工业界通常采用内吸杂工艺，即:通过控制直拉硅片的氧沉淀行为，一方面使硅片近表面区域(一般在几十微米以内)不形成氧沉淀，而集成电路的有源区就制作在这一区域；另一方面在硅片体内形成足够高密度的氧沉淀及其诱生缺陷，它们可以把金属沾污从集成电路的有源区吸收到硅片体内并将其固定住，从而有效避免金属沾污对集成电路芯片的危害性。一般而言，硅片体内的氧沉淀及其诱生缺陷的密度越高，内吸杂的能力越强。在过去的三四十年间，工业界总是在追求以更短的热处理时间或更低的热处理温度使直拉硅片具有同样甚至更好的内吸杂能力。
[0003]较早普遍使用的内吸杂工艺涉及到“高温-低温-高温”三步退火工艺，包括:1)高温(1100°c及以上)热处理8小时左右，使硅片近表面区域的间隙氧杂质外扩散，形成低氧浓度区域，使得后续处理过程中在此区域氧沉淀无法形核，从而形成无氧沉淀的洁净区；2)低温650?800°C左右处理8?16小时，使硅片体内发生氧沉淀形核；3)高温1000°C左右处理16?32小时，使硅片体内的氧沉淀核心长大，形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷。上述三步热处理的保护气氛通常为氩气或氮气。
[0004]上述“高温-低温-高温”三步退火工艺中的高温普通热处理时间长，造成工艺的热预算较大；而且，经该工艺处理后的硅片的内吸杂能力强烈依赖于氧浓度及热历史。针对上述问题，美国MEMC公司于20世纪90年代末，将快速热处理(Rapid Thermal Process,即RTP)应用于娃片内吸杂工艺，发明了所谓的“魔幻洁净区(magice denuded zone,即MDZ)”工艺(以下简称 MDZ 工艺)【参见:1)US patent 5994761，2) R.Falster and V.V.Voronkov, “The Engineering of Intrinsic Point Defects in Silicon Wafers andCrystals”, Mater.Sc1.Eng., B 73 (2000) p.69】，其典型的步骤包括:1)在氩气氛下，将硅片以100°C /s的速率升温至1250°C并维持60秒左右，以10?50°C /s左右的速率迅速降温，通过这一步骤，在硅片中形成从表面到体内浓度逐渐升高的空位分布；2)在氩气氛下800°C处理4?8小时，这一过程中硅片体内高浓度的空位促进了氧沉淀的形核，而在硅片近表面区域因空位浓度较低而不发生氧沉淀的形核；3)在氩气氛下1000°C处理16?32小时，使硅片体内氧沉淀核心长大，形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷。
[0005]MDZ工艺通过改变第一步RTP的温度和冷却速度，可以控制空位在硅片中的浓度分布，进而控制硅片体内氧沉淀密度和近表面区的洁净区宽度。与基于高温-低温-高温三步退火的内吸杂工艺相比，MDZ工艺大大缩短了第一步高温退火的时间，并且使得硅片的内吸杂能力几乎不依赖于硅片中的氧浓度，是目前技术上被业内所认可、工业化应用较广泛的一种内吸杂工艺。
[0006]然而，对于晶体生长热历史较长的大直径(直径为150mm以上)直拉硅片，我们发现采用MDZ工艺制得的这类硅片体内氧沉淀密度较低而导致硅片吸杂能力较弱，因此，需要发明新的内吸杂工艺解决这一问题，这对大直径硅片应用于集成电路的制造来说是非常重要的。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供大直径(直径为150mm以上)直拉硅片的一种内吸杂工艺，该工艺可以解决已有的MDZ工艺应用于大直径直拉硅片时所出现的体内氧沉淀密度较低而导致硅片吸杂能力较弱的问题，并且可以有效减少内吸杂工艺的热预算。
[0008]本发明采用如下的技术方案:
大直径直拉硅片的一种内吸杂工艺，包括如下步骤:
1)将硅片于惰性气氛下进行高温预处理，所述的高温预处理为首先进行高温普通热处理，然后进行高温快速热处理；
2)将经步骤I)处理的硅片进行惰性气氛下的低温普通热处理，以发生氧沉淀形核；
3)将经步骤2)处理的硅片进行惰性气氛下的中高温普通热处理，使氧沉淀核心长大，形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷；
所述的惰性气氛为氩气或氮气。
[0009]所述步骤I)中的高温普通热处理的升降温速率不超过20°C /分，一般在石英炉管中进行，可以采用电阻加热方式；高温快速热处理的升降温速率通常在10?100°C /秒之间，一般采用卤钨灯加热。
[0010]作为优选，上述直拉硅片内吸杂工艺中，步骤I)中所述的高温普通热处理的温度为1150?1250°C，热处理时间为0.25?I小时；所述的高温快速热处理的温度为1200?1250°C，升温速率为50?100°C /秒，1200?1250°C温度的维持时间为30?120秒，冷却速率为10?100°C /秒；更优选的，步骤I)中所述的高温普通热处理的温度为1200?1250°C，热处理时间为0.5?0.75小时；所述的高温快速热处理的温度为1200?1250°C，升温速率为50?100°C /秒，1200?1250°C温度的维持时间为30?60秒，冷却速率为50 ?100C / 秒。
[0011]作为优选，上述直拉硅片内吸杂工艺中，步骤2)中所述的低温普通热处理温度为650?850°C，热处理时间为4?8小时。
[0012]作为优选，上述直拉硅片内吸杂工艺中，步骤3)中所述的中高温普通热处理温度为900?1050°C，热处理时间为4?10小时；更优选的，步骤3)中所述的中高温普通热处理温度为1000?1050°C，热处理时间为6?8小时。
[0013]作为优选，所述娃片的直径大于150mm,更优选的,所述娃片的直径为200mm以上；进一步优选的，所述娃片的直径为200mm?300mm。
[0014]本发明的技术方案基于从充分消融原生氧沉淀(Grown-1n oxygen precipitate,即:晶体生长过程中必然形成的氧沉淀)入手来增强后续热处理过程的氧沉淀的机理，不同于常规的MDZ内吸杂工艺，本发明的内吸杂工艺中创造性地引入充分消融原生氧沉淀并注入空位的高温预处理步骤，从而大大缩短了后续热处理的时间，大幅度提高了制得的大直径直拉硅片的内吸杂能力。
[0015]大直径直拉硅片由于晶体生长的热历史很长，因此往往存在较多的原生氧沉淀(即:在晶体生长过程中必然形成的氧沉淀)，若内吸杂工艺中的第一步仅仅是高温快速热处理，则在硅片体内形成的氧沉淀及其诱生缺陷的密度较低，导致硅片的吸杂能力不理想。利用本发明的工艺，可以在硅片体内形成高密度的氧沉淀及其诱生缺陷，并在硅片近表面区域形成洁净区。与内吸杂工艺中的第一步仅仅是高温快速热处理的情形相比，本工艺可以提高硅片的内吸杂能力并有效减少热预算。
[0016]本发明的内吸杂工艺步骤I)的高温预处理，作用在于:利用高温普通热处理首先充分消融硅片中存在的原生氧沉淀，释放原生氧沉淀在硅晶格中引入的压应力，显著降低自间隙硅原子的浓度；然后利用高温快速热处理注入空位。上述高温预处理所产生的两方面效应为下一步的氧沉淀形核创造了有利条件。本发明中的高温预处理可带来两方面的显著效果是:一是显著