〈311〉直拉硅片的一種熱處理方法技術

本發明專利技術公開了<311>直拉硅片的一種熱處理方法。所述熱處理方法包括以下步驟：(1)在氧氣氣氛下，將直拉硅片在1200～1250℃下熱處理5～10分鐘；(2)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(1)處理的直拉硅片以50～60℃/秒的升溫速度加熱到1200～1250℃并保持60秒，然后以50～80℃/秒的冷卻速度冷卻到600℃，再自然冷卻；(3)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(2)處理的直拉硅片在800℃下熱處理4小時；(4)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(3)處理的直拉硅片在1000℃下熱處理8小時。本發明專利技術方法能有效消除COP，降低<311>硅片近表面的缺陷數，降低表面平均微粗糙度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及半導體
，特別是涉及<311>直拉硅片的一種熱處理方法。
技術介紹
<311>硅片是一種可應用于集成電路芯片制造的材料。生長相同厚度的SiO2薄膜作為柵極氧化層時，<311>硅片的柵極氧化層的擊穿電壓約是<100>硅片的兩倍，這表明<311>硅片的柵極氧化層的抗擊穿特性好于<100>硅片的，這與前者的SiO2薄膜更為致密有關。與通常的直拉硅單晶一樣，<311>直拉硅單晶在晶體生長過程中會形成空洞型缺陷(COP)。當這種缺陷存在于器件的有源區時，將會嚴重影響柵極氧化層的完整性(GOI)，導致器件良品率降低，這在<311>硅柵極氧化層厚度非常小(5nm以下)的條件下是需要極力避免的。此外，在集成電路制造過程中，硅片表面難免會遭受有害金屬沾污。為此，人們通常利用硅片體內的氧沉淀及其誘生缺陷來吸除金屬沾污，以提高集成電路的制造成品率。因此，只有近表面的COP密度極低，體內氧沉淀及其誘生缺陷密度較高的硅片才適用于集成電路的制造。消除COP的方法為在惰性氣體或氫氣下高溫熱處理，其消除過程通常是先通過在高溫下氧的外擴散，使得COP內壁的氧化膜溶解，從而最終使得COP內部的自由可動的空位擴散到表面消失或者與晶體中自間隙硅原子復合而使COP消除。MOS器件的柵極氧化層完整性除了受空洞型缺陷影響以外，還與硅片表面的微粗糙度有關。微粗糙度的概念是1990年代提出來的，它是指拋光硅片表面在納米尺度范圍內的微起伏，一般用算數平均微粗糙度(Ra)來表征。微粗糙度會嚴重影響MOS器件柵極氧化層的電學性能，如：柵極氧化層介電擊穿場強(EBD，MV/cm)、擊穿電荷密度(QBD，C/cm2)、溝道載流子遷移率(μc)以及跨導(gm)。實驗證明，EBD，QBD隨微粗糙度的增加而很快減小，這將嚴重影響器件的性能。因此，對于一定特征寬的集成電路而言，對硅片的微粗糙度提出了明確要求，如：對直徑200mm，加工線寬0.25μm的硅片的表面粗糙度要求為0.15nm。微粗糙度除了與硅片加工工藝密切相關以外，還與熱處理工藝有關。較早使用的內吸雜方法為“高低高”三步退火方法，具體為：1)高溫(1100℃及以上)熱處理8小時左右，使硅表面的間隙氧外擴散，無法進行氧沉淀的形核，形成無氧沉淀的潔凈區；2)低溫(650～800℃)熱處理8～16小時，使氧沉淀形核；3)高溫1000℃熱處理16～32小時，使氧沉淀長大，形成高密度的氧沉淀及其誘生缺陷。上述三步熱處理的保護氣氛均為惰性氣體。上述“高低高”三步退火熱處理中的熱處理時間較長，熱預算較大，于是，美國MEMC
公司于20世紀90年代末，將快速熱處理(Rapid Thermal Process，即RTP)應用于硅片內吸雜工藝，專利技術了“魔幻潔凈區”(magic denuded zone，即MDZ)工藝(簡稱MDZ方法)。與高低高三步退火的內吸雜工藝相比，MDZ工藝大大縮短了第一步高溫熱處理的時間，并且使得硅片的內吸雜能力幾乎不依賴于硅片的氧濃度，是目前被業內所認可、工業化應用較廣泛的一種內吸雜工藝，但是這種方法無法有效地消除COP。總之，以上幾種熱處理方法單獨使用均無法使<311>硅片成為一種可以應用于集成電路制造的材料，并且某些方法熱預算較大，因此需要專利技術一種新低熱預算的熱處理方法來解決這一問題，這對于<311>硅片應用于集成電路制造來說是非常重要的。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種用于處理晶向為<311>的直拉硅片的熱處理方法，使用該方法可以有效消除空洞型缺陷(COP)，降低表面平均微粗糙度并降低熱預算。<311>直拉硅片的一種熱處理方法，包括以下步驟：(1)在氧氣氣氛下，將直拉硅片在1200～1250℃下熱處理5～10分鐘；(2)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(1)處理的直拉硅片以50～60℃/秒的升溫速度加熱到1200～1250℃并保持60秒，然后以50～80℃/秒的冷卻速度冷卻到600℃，再自然冷卻；(3)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(2)處理的直拉硅片在800℃下熱處理4小時；(4)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(3)處理的直拉硅片在1000℃下熱處理8小時。其中，步驟(1)為高溫熱處理，步驟(2)為高溫快速熱處理，步驟(3)為低溫熱處理，步驟(4)為高溫熱處理。所述步驟(1)中的高溫熱處理的升降溫速率不超過20℃/分鐘，一般在石英爐管中進行，可以采用電阻加熱方式；步驟(2)中高溫快速熱處理的升降溫速率通常在10～100℃/秒之間，一般采用鹵鎢燈加熱。使用保護性氣體的目的在提供一個無氧的環境，一般常用的惰性氣體或氮氣之類的不是很活潑的氣體都可以作為保護性氣體。步驟(1)的主要目的是為了消除COP和減小粗糙度。步驟(2)～(4)主要目的是為了形成氧沉淀。優選的，所述直拉硅片為摻硼直拉硅片。硼(B)是一種常用的被摻入硅片中的元素，硼的引入可有效促進氧沉淀的生成，從而顯著提高硅片的機械強度，同時，氧沉淀對增強硅片的內吸雜能力具有積極意義。優選的，所述直拉硅片的直徑為150～200mm。直徑大于150mm的硅片一般可以稱為大直徑硅片，而大直徑直拉硅片在集成電路的制造上有廣泛的應用。優選的，所述直拉硅片的電阻率為8～12.8Ω·cm。本專利技術中直拉硅片的電阻率差異主要由所摻雜的硼的多少引起。所以根據實際使用需要，可以選擇合適電阻率的直拉硅片。優選的，所述直拉硅片的間隙氧濃度為7.1×1017～8.5×1017cm-3。在制備過程中，間隙氧
原子會聚集形成氧沉淀，硅片體內的氧沉淀可以作為集成電路制造過程中不可避免的金屬沾污的吸附中心，從而提高集成電路的成品率；然而，位于硅片近表面的氧沉淀則會導致器件漏電流的增加。所以選擇間隙氧濃度合適的硅片是必要的。優選的，所述直拉硅片的空洞型缺陷的個數為3173～3567。優選的，所述表面平均微粗糙度為0.0788～0.0963nm。表面平均微粗糙度是實際表面同規定平面的小數值范圍的偏差，它有許多小的距離很近的峰和谷。它是硅片表面紋理的標志。表面平均微粗糙度測量了硅片表面最高點和最低點的高度差別。對芯片制造來講，表面平均微粗糙度的控制非常重要，這是因為在器件制造中，它對硅片上非常薄的介質層的擊穿有著負面影響。優選的，所述保護性氣體為氬氣或氮氣。氬氣和氮氣是常用的保護性氣體。本專利技術<311>直拉硅片的一種熱處理方法創造性地引入較短時間(5～10min)消除COP的熱處理，在保證內吸雜能力的條件下，降低了<311>硅片的近表面的缺陷數，并且第一步的熱處理使用氧氣氣氛作為保護能夠降低表面平均微粗糙度。附圖說明圖1為實施例2中所得硅片經擇優腐蝕后的顯微圖；圖2為對比例2中所得硅片經擇優腐蝕后的顯微圖。具體實施方式實施例11)將晶向為<311>、直徑為150mm、電阻率為12.8Ω·cm、間隙氧濃度為8.5×1017cm-3、COP個數為3567、表面平均微粗糙度為0.0864nm的摻硼直拉硅片在氧氣氣氛下1200℃熱處理5分鐘，800本文檔來自技高網...

【技術保護點】
<311>直拉硅片的一種熱處理方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)在氧氣氣氛下，將直拉硅片在1200～1250℃下熱處理5～10分鐘；(2)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(1)處理的直拉硅片以50～60℃/秒的升溫速度加熱到1200～1250℃并保持60秒，然后以50～80℃/秒的冷卻速度冷卻到600℃，再自然冷卻；(3)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(2)處理的直拉硅片在800℃下熱處理4小時；(4)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(3)處理的直拉硅片在1000℃下熱處理8小時。

【技術特征摘要】
1.<311>直拉硅片的一種熱處理方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)在氧氣氣氛下，將直拉硅片在1200～1250℃下熱處理5～10分鐘；(2)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(1)處理的直拉硅片以50～60℃/秒的升溫速度加熱到1200～1250℃并保持60秒，然后以50～80℃/秒的冷卻速度冷卻到600℃，再自然冷卻；(3)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(2)處理的直拉硅片在800℃下熱處理4小時；(4)在保護性氣體氣氛下，將經步驟(3)處理的直拉硅片在1000℃下熱處理8小時。2.如權利要求1所述<311>直拉硅片的一種熱處理方法，其特征在于，所述直拉硅片為摻硼直拉硅片。3.如權利要求1所述<311>直拉硅片的一種熱處理方法，其特征在于，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬向陽，蔣立偉，楊德仁，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33