具有氮/碳穩定的氧沉澱物成核中心的理想氧沉澱矽片及其製造方法

2024-02-20 15:14:15

專利名稱：具有氮/碳穩定的氧沉澱物成核中心的理想氧沉澱矽片及其製造方法
技術領域：
本發明一般涉及在電子元件的製造中使用的半導體材料襯底，尤其是矽片的製備。更具體地說，本發明涉及一種用於處理矽片的方法，所述方法使晶片能在基本上是任何任意電子器件製造過程的熱處理周期中形成一種理想的氧沉澱物非均勻深度分布。
背景技術：
單晶矽是用於製造半導體電子元件的大多數方法的原始材料，單晶矽通常用所謂的直拉法製備，其中將單晶籽晶浸入熔融的矽中和然後通過緩慢提拉生長。因為熔融的矽裝在一個石英坩堝中，所以它被各種雜質汙染，其中雜質主要是氧。在矽熔融體的溫度下，氧進入晶格，直至它達到一個濃度時為止，上述濃度由熔融體溫度下氧在矽中的溶解度和由氧在固化的矽中的實際偏析係數決定。這些濃度大於在用於電子器件製造方法的典型溫度下氧在固體矽中的溶解度。因此，隨著晶體從熔融體生長並冷卻，其中氧的溶解度迅速降低，在最終的切片或晶片中，氧以過飽和濃度存在。
在電子器件製造中通常應用的熱處理周期可能造成氧在其中氧是過飽和的矽片中沉澱。根據沉澱物在晶片中的位置，它們可能有害或者有利。位於晶片有源器件區域中的氧沉澱物可能損害器件的工作。然而，位於晶片主體中的沉澱物能捕集不希望有的金屬雜質，上述金屬雜質可能與晶片接觸。利用位於晶片主體中的氧沉澱物來捕集金屬通常稱之為內部或本徵吸除(「IG」)。
歷史上，電子器件製造方法包括一系列步驟，上述步驟設計成生產在晶片表面附近具有無氧沉澱物的一個區或區域(通常稱之為一個「潔淨區(denuded zone)」或一個「無沉澱物區」)的矽，同時晶片的其餘部分亦即晶片主體含有足夠量的氧沉澱物用於IG目的。潔淨區可以例如按高-低-高的熱順序形成，如(a)在一高溫(＞1100℃)下，於一惰性環境中氧向外擴散熱處理—至少約4小時的時間周期，(b)在一低溫(600-750℃)下氧沉澱物核形成，及(c)在一高溫(1000-1150℃)下生長氧(SiO2)沉澱物。見，比如，F.Shimura，半導體矽晶體工藝學，Academic press，Inc.，San Diego California(1989)，pp.361-367，並且本文引用作為參考文獻。
然而，新近，已經開始應用一些先進的電子器件製造方法如DRAM(動態隨機存取存儲器)製造法，以使高溫方法步驟的使用減至最少。儘管這些方法中的某些方法保留足夠的高溫方法步驟來產生一個潔淨區和足夠的主體沉澱物密度，但對材料的限制太嚴格，以致使它不能變成商業上可行的產品。另一些目前十分先進的電子器件製造方法則不包括向外擴散的步驟。因此，由於與有源器件區中氧沉澱物有關的一些問題，這些電子器件製造者必須採用在他們的方法條件下晶片中任何地方不能形成氧沉澱物的矽片。結果，所有IG潛力都失去。

發明內容
因此，本發明的目的其中之一是提供一種單晶矽(晶)片，所述單晶矽片在基本上是任何電子器件製造法的熱處理周期中將形成一個理想的氧沉澱物非均勻深度分布；提供這樣一種晶片，所述晶片將任意地和可重現地在晶片主體中形成一個足夠深度的潔淨區和足夠的氧沉澱物密度；提供這樣一種晶片，在所述晶片中晶片主體內的潔淨區的形成和氧沉澱物的形成與晶片這些區域中氧濃度的差異無關；提供這樣一種晶片，在所述晶片中最終潔淨區的厚度基本上與集成電路製造法順序的詳細情況無關；提供這樣一種晶片，在所述晶片中晶片主體內潔淨區的形成和氧沉澱物的形成不受直拉生長單晶矽錠的熱歷史(thermal history)和氧濃度的影響，矽片由上述直拉生長單晶矽錠切片而成；提供這樣一種方法，在所述方法中潔淨區的形成不取決於氧的向外擴散；及提供這樣一種方法，在所述方法中矽用足夠濃度下的氮和/或碳摻雜，以便穩定氧沉澱物成核中心，因此它們可以經受隨後的快速熱處理而不防止形成潔淨區。
因此，簡要地說，本發明針對一種單晶矽晶片，上述晶片具有兩個主要的一般是平行的表面，所述兩個表面其中之一是晶片的前表面，而其另一個表面是該晶片的後表面；一個在前表面和後表面之間的中心平面；和一個接合前表面和後表面的周邊邊緣。晶片還包括一種選自氮和碳的摻雜劑(摻雜物)，隨著晶片從一第一溫度T1以一個速率R冷卻至一第二溫度T2，摻雜劑的濃度足夠促進穩定的氧沉澱物成核中心形成。穩定的氧沉澱成核中心在一低於約1150℃的溫度下不能溶解，但在約1150℃和約1300℃之間的溫度下能夠溶解。T1是在約1150℃和約1300℃之間。T2是晶格空位在矽中比較固定時的一個溫度。R為每秒至少約5℃。還有另外，該晶片包括一個表面層，上述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有穩定的氧沉澱物成核中心。另外，晶片包括一個主體層，所述主體層包括晶片在中心平面和表面層之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定的氧沉澱物成核中心。
本發明還針對一種單晶矽晶片，所述晶片具有兩個主要的一般是平行的表面，所述兩個表面其中之一是晶片的前表面，而其另一個表面是晶片的後表面；一個在前表面和後表面之間的中心平面；和一個接合前表面和後表面的周邊邊緣。晶片包括一種摻雜劑，所述摻雜劑選自氮和碳。當氮是摻雜劑時，氮的濃度是在約1×1012和約5×1014原子/cm3之間。當碳是摻雜劑時，碳的濃度是在約1×1016和約4×1017原子/cm3之間。晶片還包括一個表面層，上述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有穩定的氧沉澱物成核中心。此外，晶片包括一個主體層，上述主體層包括晶片在中心平面和表面層之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定的氧沉澱物成核中心。
在還有另一個實施例中，本發明針對一種矽絕緣體結構(silicon oninsulator)，所述矽絕緣休結構包括單晶處理晶片(handle wafer)，一個單晶矽器件層，和一個在處理晶片和器件層之間的絕緣層。單晶矽處理晶片包括兩個主要的一般是平行的表面，所述兩個表面的其中之一是晶片的前表面，而其另一個表面是晶片的後表面；一個在前表面和後表面之間的中心平面；和一個接合前表面和後表面的周邊邊緣。處理晶片還包括一種選自氮和碳的摻雜劑，隨著晶片從一第一溫度T1以一個速率R冷卻到一第二溫度T2，摻雜劑的濃度足夠促進穩定的氧沉澱物成核中心形成。穩定的氧沉澱成核中心在低於約1150℃的溫度下不能溶解，但在約1150℃和約1300℃之間的溫度下能夠溶解。T1是在約1150℃和約1300℃之間，T2是晶格空位在矽中比較固定時的一個溫度。R為每秒至少約5℃。處理晶片還包括一個表面層，所述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有穩定的氧沉澱物成核中心。另外，處理晶片包括一個主體層，所述主體層包括晶片在中心平面和表面層之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定的氧沉澱物成核中心。
本發明還針對一種用於製備單晶矽(晶)片的方法，上述單晶矽片具有一種受控制的氧沉澱性能(行為)。該方法包括選定一種晶片，所述晶片由直拉法生長的單晶矽錠切片而成，並且上述晶片包括一個前表面，一個後表面，一個在前表面和後表面之間的中心平面，一個前表面層，及一個主體層，上述前表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，及上述主體層包括晶片在中心平面和前表面層之間的區域。晶片還包括一種選自氮和碳的摻雜劑，隨著晶片從一第一溫度T1以一個速率R冷卻到一第二溫度T2，摻雜劑的濃度足夠促進形成穩定的氧沉澱物成核中心。穩定的氧沉澱成核中心在低於約1150℃的溫度下不能溶解，但在約1150℃和約1300℃之間的溫度下能溶解。T1是在約1150℃和約1300℃之間。T2是晶格空位在矽中比較固定時的一個溫度。R為每秒至少約5℃。該方法包括將晶片加熱到至少約1150℃的溫度，以便在前表面層和主體層中形成晶格空位，並將經過加熱的晶片以一個速率冷卻，以便在晶片中形成空位濃度分布，其中空位的峰值密度是在主體層中，同時濃度一般從峰值密度的位置朝晶片的前表面方向降低，並且在前表面層和主體層中空位的濃度差異使得穩定的氧沉澱物成核中心在前表面層中不形成、而穩定的氧沉澱物成核中心在主體層中形成。另外，該方法包括隨著晶片冷卻在主體層中形成穩定的氧沉澱物成核中心，同時主體層中穩定的氧沉澱物成核中心的濃度主要取決於空位的濃度。
在還有另一個實施例中，本發明針對一種用於製備一種單晶矽(晶)片的方法，上述單晶矽片具有一種受控制的氧沉澱性能。該方法包括選定一種晶片，所述晶片由一種直拉法生長的單晶矽錠切片而成，上述晶片包括一個前表面，一個後表面，一個在前表面和後表面之間的中心平面，一個前表面層，及一個主體層，上述前表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，而上述主體層包括晶片在中心平面和前表面層之間的區域。晶片還包括一種摻雜劑，所述摻雜劑選自氮和碳。當氮是摻雜劑時，氮的濃度是在約1×1012和約5×1014原子/cm3之間。當碳是摻雜劑時，碳的濃度是在約1×1016和約4×1017原子/cm3之間。該方法還包括使晶片經受一種熱處理，以便在前表面層和主體層中形成晶格空位。經過加熱處理的晶片以一個速率冷卻，以便在晶片中產生一空位濃度分布，其中空位的峰值密度是在主體層中，同時濃度一般從峰值濃度位置朝晶片的前表面方向降低，並且在前表面層和主體層中空位濃度的差異使得穩定的氧沉澱物成核中心在前表面層中不形成、而穩定的氧沉澱物成核中心在主體層中形成。此外，隨著經過熱處理的晶片被冷卻，穩定的氧沉澱物成核中心在主體層中形成，同時在主體層中穩定的氧沉澱物成核中心的濃度主要取決於空位的濃度。
本發明的另一些目的和特點的一部分將是顯而易見的，而一部分將在下面指出。
附圖簡介

圖1是本發明方法的示意圖。
具體實施例方式
按照本發明，揭示了一種理想沉澱的晶片，上述理想沉澱的晶片在基本上是任何電子器件製造法期間，都將形成一個具有足夠深度的潔淨區和一個含有足夠氧沉澱物密度的晶片主體，上述氧沉澱物用於IG(本徵吸除)目的。有利的是，這種理想沉澱的晶片可以用半導體矽製造工業中常用的工具製備而沒有什麼問題。這種方法在矽中產生一個「樣板」，所述樣板決定或「印刷」氧最後在其中沉澱的方式。按照本發明，這個樣板這樣進行穩定，以使它可以經受隨後的快速熱處理(比如外延澱積和/或氧植入)，而不插進熱穩定退火。
A、原始材料用於本發明理想沉澱的晶片的原始材料是一種單晶矽片，上述單晶矽片包括氮和/或碳作為一種摻雜劑。摻雜劑的濃度選擇成提供兩種理想的特性(i)溶解原始晶片中任何氧沉澱成核中心的能力，以便氧最後按照理想的樣板沉澱(亦即，一個沒有氧沉澱物的潔淨區和在包括氧沉澱物的矽主體中一個本徵吸除區域)；和(ii)生長氧沉澱成核中心的能力，上述氧沉澱成核中心在本發明的方法期間是足夠大或者足夠穩定，以便成核中心在隨後的快速熱處理如外延澱積期間不溶解和擦除已經建立的沉澱物樣板。為了達到穩定的效果而同時保持形成潔淨區的能力，矽中摻雜劑的濃度通常是在約1×1012原子/cm3(約0.00002ppma)和1×1015原子/cm3(約0.02ppma)之間。在本發明的另一個實施例中，氮的濃度是在約1×1012原子/cm3和約1×1013原子/cm3(約0.0002ppma)之間。如果氮的濃度太低，比如低於約1×1012原子/cm3(約0.00002ppma)，則穩定效果可能達不到(亦即它們會在低於約1150℃的溫度下溶解)。另一方面，如果氮的濃度太高，比如大於約1×1015原子/cm3(約0.02ppma)，則在晶體生長期間所形成的氧沉澱成核中心在本發明方法的快速熱退火步驟期間可能不溶解。
此外，如果矽晶體含有太多的氮，則氧化誘生堆垛層錯(OISF)往往會在整個晶片上形成，上述OISF對晶片和澱積於其上的任何外延層的質量都產生負面影響(見日本專利局公開No.1999-189493)。具體地說，矽片表面上的OISF不象其它的空位型缺陷，不能通過澱積一個外延矽層覆蓋。OISF穿過外延層繼續生長，並產生通稱為外延堆垛層錯的生長中缺陷。外延堆垛層錯具有一在基於雷射的自動檢測裝置目前的檢測限約0.1μm至大於約10μm的範圍內的最大橫截面寬度。
按照本發明，晶片可以包括碳，所述碳代替氮或與氮結合，以便使氧沉澱物成核中心穩定。在一個實施例中，矽中碳的濃度是在約1×1016原子/cm3(0.2ppma)和約4×1017原子/cm3(8ppma)之間。在另一個實施例中，碳的濃度是在約1.5×1016原子/cm3(0.3ppma)和約3×1017原子/cm3(6ppma)之間。
直拉生長的矽通常具有一在約5×1017-約9×1017原子/cm3範圍內(ASTM標準F-121-83)的間隙氧濃度。由於晶片的氧沉澱性能變得基本上與理想沉澱的晶片中氧濃度脫開聯繫，所以原始晶片可具有一落於用直拉法可達到的範圍之內或甚至該範圍之外的任何地方的氧濃度。
在一種沒有大於氮和/或碳的典型雜質含量範圍的矽單晶錠生長期間，矽從它的熔化溫度(約1410℃)冷卻，並且隨著矽冷卻通過約700℃-約350℃溫度範圍，空位和氧可以相互作用，以便在晶錠中形成氧沉澱物成核中心。在不遵循一種特定理論的情況下，目前認為，氮/碳摻雜劑原子通過阻滯單晶矽中空位的擴散而促進氧沉澱物成核中心的形成。具體地說，隨著氮和/或碳的濃度增加到高於雜質含量範圍，在一規定溫度下空位的濃度也增加，因而使空位和氧產生臨界過飽和的溫度增加。結果，對於具有氮和/或碳的濃度在本發明範圍之內的矽來說，臨界過飽和溫度移動到在約800℃和約1050℃之間。在更高的臨界過飽和溫度下，空位的濃度更大並且氧原子更易遷移，因而增加了二者之間的相互作用，並導致形成更大、更穩定的氧沉澱物成核中心。
按照本發明，在原始材料中是否存在成核中心不是關鍵，因為它們能在約1150℃和約1300℃之間的溫度下通過熱處理矽溶解。儘管氧沉澱成核中心的存在(或密度)不能用目前可用的技術直接測量，但它們的存在可通過使矽片經受氧沉澱熱處理，如使矽片在一約800℃的溫度下退火4小時和然後在一1000℃的溫度下退火16小時，來進行檢測。目前氧沉澱物的檢測限約為5×106沉澱物/cm3。
晶片是從按照常規直拉晶體生長法生長的晶錠切片得到。在晶錠生長期間，氮和/或碳可以通過幾種方法加入晶錠中，上述方法包括例如氣態氮/碳進入生長室和/或將固態氮/碳加入多晶矽熔體中。加到生長的晶體中的摻雜劑量通過將固態摻雜劑加到矽熔體中更精確地控制，如通常採用的這樣。例如，加到晶體中的氮/碳量很容易例如在一已知直徑的矽片上澱積一層已知厚度的氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)確定，上述氮化矽或碳化矽是在形成矽熔體之前加入裝有多晶矽的坩堝中(Si3N4和SiC的密度分別為約3.18g/cm3和約3.21g/cm3)。
標準直拉生長法，及標準的矽切片、研磨、腐蝕，和拋光技術已在例如F.Shimura所著「半導體矽晶體工藝學」，Academic Press，1989，和「矽化學腐蝕」(J.Grabmaier等)，Springer-Verlag，New York，1982，中公開(通過引用結合於此)。用於本發明方法的原始材料可以是一種經過拋光的矽片，或者可供選擇地，是一種已經過研磨和腐蝕但沒有經過拋光的矽片。此外，晶片可以具有空位或自間隙(自填隙)點缺陷作為主要的本徵點缺陷。例如，晶片可以是從中心到邊緣空位為主，從中心到邊緣自間隙為主，或者它可以包含空位為主的材料的中央芯，所述中央芯被自間隙為主的材料軸向對稱環包圍。
現在參見圖1，用於本發明理想沉澱的晶片的原始材料，即單晶矽片1，具有一個前表面3，一個後表面5，及一個在前表面和後表面之間的假想中心平面7。本文中的術語「前」和「後」用來區分晶片兩個主要的、一般是平面的表面；如本文所用的那個術語晶片的前表面不一定是一個電子器件隨後將在其上製造的表面，如本文所用的那個術語晶片的後表面也不一定是與電子器件在其上製造的表面相對的晶片主表面。此外，由於矽片通常具有總厚度變差(TTV)，翹曲和弓形，所以前表面上每個點和後表面上每個點之間的中點可能不是精確地落在一個平面內；然而，實際上，TTV、翹曲和弓形通常是如此之輕微，以致可以十分近似地把中點說成是落在一個假想的中心平面內，上述假想的中心平面在前表面和後表面之間近似等距離。
B、在摻雜的矽片中的空位形成按照本發明，晶片經受一個熱處理步驟，即步驟S2(任選的步驟S1在下面更詳細說明)，在上述步驟S2中，將晶片加熱到一個高溫，以便形成並因此增加晶片1中晶格空位13的數量密度。優選的是，這個熱處理步驟在一快速熱退火爐中進行，在其中將晶片快速加熱到一個目標溫度T1，並在那個溫度下退火一段比較短的時間(比如，它們能在幾秒鐘之內將晶片從室溫加熱到1200℃)。一種這樣的市售RTA(快速熱退火)爐是從STEAG AST Electronic GmbH(Dornstadt，Germany)購買的2800型爐。一般，晶片經受一個超過1150℃，但低於約1300℃的溫度處理。通常，晶片加熱到在約1200和約1275℃之間，而更典型的是在約1225和1250℃之間的一個溫度。
本徵點缺陷(空位和矽自間隙)能通過單晶矽擴散，同時擴散速率與溫度有關。因此，本徵點缺陷的濃度分布隨本徵點缺陷的擴散率和再結合率而變，並且再結合率隨溫度而變。例如，本徵點缺陷在晶片於快速熱退火步驟中退火的溫度附近的溫度下較易遷移，而對於在高達700℃的溫度下任何商業上實際時間周期它們基本上固定。迄今為止所得到的實驗數據表明，空位的有效擴散速率在低於約700℃並且也許高達800℃，900℃，或甚至1000℃的溫度下也大大放慢；在更低的溫度下，可以認為空位對任何商業上實際時間周期都是固定的。
除了引起形成晶格空位之外，快速熱退火步驟造成預先存在的氧沉澱物成核中心溶解，上述氧沉澱物成核中心在矽原始材料中存在。這些成核中心可以例如在矽片由其切片而得的單晶矽錠生長期間形成，或者是由於晶片或晶片由其切片的晶錠的前期熱歷史中某種其它事件的結果形成。因此，倘若這些成核中心能在快速熱退火步驟期間溶解，則原始材料中這些成核中心是否存在不是關鍵。
在熱處理期間，晶片暴露於一種氣氛下，上述氣氛包括一種或多種選定的氣體，以便產生一種空位濃度分布，上述空位濃度分布在一個實施例中比較均勻，而在另一個實施例中是不均勻的。
1.非氮化和非氧化氣氛實施例在一個實施例中，晶片1在一種非氮化氣氛和非氧化氣氛(亦即，一種惰性氣氛)中進行熱處理。當用一種不含氮、不含氧的氣體作為快速熱退火步驟和冷卻步驟中的氣氛或環境時，在達到退火溫度時，幾乎，如果不是立即，達到整個晶片上空位濃度的增加。在熱處理期間晶片中形成的空位濃度分布(數量密度)從晶片的前面到晶片的後面比較恆定。晶片一般將在這個溫度下保持至少一秒鐘，通常是至少幾秒鐘(比如至少3秒鐘)，優選的是幾十秒鐘(比如20，30，40或50秒鐘)，並且根據所希望的晶片特性，可以保持高達約60秒範圍內的一段時間(該溫度接近市售快速熱退火爐的極限)。根據迄今為止所得到的實驗數據，在退火期間將晶片在一確定的溫度下保持額外的時間似乎不會導致空位濃度增加。合適的氣體包括氬、氦、氖、二氧化碳，及其它這種惰性元素和化合物氣體，或這些氣體的混合物。
迄今為止所得到的實驗數據表明，非氮化/非氧化氣氛優選的是僅具有一種氧、水蒸汽和其它氧化性氣體的較小分壓；也就是說，氣氛具有總體不存在各種氧化性氣體或這些氣體的分壓，而不足以注入足夠量的抑制空位濃度形成的矽自間隙原子。儘管較低的氧化性氣體濃度限沒有精確測定，但現已證明，對於0.01大氣壓(atm.)的氧分壓，或者百萬分之10000原子(10000ppma)，未觀察到空位濃度增加和影響。因此，優選的是，氣氛具有氧和其它氧化性氣體的分壓低於0.01atm.(10000ppma)；更優選的是氣氛中這些氣體的分壓不大於約0.005atm.(5000ppma)，更優選的是不大於約0.002atm(2000ppma)，和最優選的是不大於約0.001atm.(1000ppma)。
2.表面氧化物層/氮化氣氛實施例在本發明方法的另一個實施例中，晶片1是在步驟S2之前在步驟S1於一含氧氣氛中進行熱處理，以便生長一個表面的氧化物層9，上述氧化物層9包封晶片1。一般，該氧化物層將具有一個厚度，所述厚度大於在矽上形成的天然氧化物層(約15)。在這個第二實施例中，氧化物層的厚度通常是至少約20。在某些情況下，晶片將具有至少約25或30厚的一個氧化物層。然而，迄今為止所得到的實驗數據提出，具有厚度大於約30的氧化物層儘管不幹擾所希望的效果，但提供很少或沒有提供額外的好處。
在形成氧化物層之後，快速熱退火步驟通常是在存在一種氮化氣氛，也就是說，一種含氮氣(N2)或一種含氮化合物氣體如能夠氮化露出的矽表面的氨的氣氛中進行。可供選擇地，或者此外，該氣氛可以包括一種非氧化和非氮化的氣體如氬。在達到退火溫度時，整個晶片上幾乎，如果不是立即的話，達到空位濃度的增加，並且晶片中的空位濃度分布比較均勻。
3.天然氧化物層/氮化氣氛實施例在一個第三實施例中，起始晶片僅有一個天然氧化物層。當這一晶片在一種氮化氣氛中退火時，效果與對第二實施例所觀察到的效果不同。具體地說，當具有增加了(enhanced)氧化物層的晶片在氮氣氛中退火時，在達到退火溫度時整個晶片幾乎，如果不是立即的話，達到空位濃度基本上均勻地增加；而且，空位濃度似乎不是在一規定的退火溫度下隨著退火時間的推移而顯著增加。如果晶片只有一個天然氧化物層，及如果晶片的前表面和後表面是在氮中退火，則所產生的晶片將具有一個空位濃度(數量密度)分布，對晶片的一個橫截面來說，上述空位濃度分布一般是「U形」。也就是說，空位的最大濃度在前表面和後表面的幾微米處或幾微米之內出現，並且比較恆定且較小的濃度將在整個晶體主體中出現，同時晶片主體中的最小濃度起初近似等於具有增加了氧化物層的晶片中所得到的濃度。而且，退火時間的增加將造成只有一天然氧化物層的晶片中的空位濃度增加。
因此，再參見圖1，當只有一個天然氧化物層的一個分段(segment)按照本方法在一氮化氣氛下退火時，所產生的空位峰值濃度或最大濃度起初一般位於區域15和15′之內，而矽分段的主體17將含有一比較低的空位和成核中心濃度。通常，這些峰值濃度區域將位於距矽分段表面幾微米(亦即，約5或10微米)，或幾十微米(亦即，約20或30微米)，高達約40-約60微米範圍內。
4.含氧環境當快速熱退火和冷卻步驟中的氣氛或環境含有氧時，或者更具體地說，當它包括氧氣(O2)或一種與含氮氣體、一種惰性氣體或二者相結合的含氧氣體(比如，高溫蒸汽)時，表面區域附近的空位濃度分布受到影響。迄今為止的實驗數據表明，近表面區域的空位濃度分布與大氣氧濃度成反比關係。在不遵循任何特定理論的情況下，一般認為，在足夠的濃度下，在氧中退火導致矽表面的氧化作用，和結果起形成一個向內的矽自間隙通量(flux)。矽自間隙通量受氧化作用的速率控制，而氧化作用速率本身又受環境中氧的分壓控制。這種向內的自間隙通量具有通過產生再結合逐漸改變空位濃度分布的效果，上述再結合在表面處開始，然後向內移動，同時向內移動的速率隨著增加氧分壓而增加。當在熱處理期間(S1和/或S2)在環境中用氧與一種含氮氣體結合時，可以得到一種「M形」空位分布，其中最大或峰值空位濃度在矽主體中是在中心表面和表面層之間存在(濃度一般朝其中一個方向降低)。由於在環境中存在氧的結果，任何任意深度的低空位濃度區域都可以產生。
另外，實驗數據進一步提出，只有一個天然氧化物層的晶片和具有增加了氧化物層的晶片性能上的差別可以通過在氣氛中包括分子氧或另一種氧化性氣體加以避免。換另一種方式說，當只有一個天然氧化物層的晶片在一種含有小的氧分壓的氮氣氛中退火時，晶片性能與具有一增加了氧化物層的晶片相同(亦即，在經過熱處理的晶片中形成一比較均勻的濃度分布)。在不遵循任何理論情況下，似乎是厚度大於一個天然氧化物層的表面氧化物層用作禁止矽氮化作用的屏蔽。因此這種氧化物層可以在起始晶片上存在，或者通過在退火步驟期間生長一個增加的氧化物層就地形成。如果這是所希望的，則在快速熱退火步驟期間的氣氛優選的是含有一個至少約0.0001atm.(100ppma)的分壓，更優選的是含有至少約0.0002(200ppma)的分壓。然而，由於上述原因，氧的分壓優選的是不超過0.01atm.(10000ppma)，而更優選的是小於0.005atm.(5000ppma)，還更優選的是小於0.002atm.(2000ppma)，及最優選的是小於0.001atm.(1000ppma)。
因此，在一個第四實施例中，在快速熱退火期間的氣氛通常含有一個氧分壓，所述氧分壓足夠得到一個小於約30微米的潔淨區深度。通常潔淨區深度在大於約5微米-小於約30微米的範圍內，並可以在約10微米-約25微米範圍內，或者在約15微米-約20微米範圍內。更具體地說，熱處理可以在下述一種氣氛中進行，所述氣氛包括一種含氮氣體(比如，N2)，一種不含氧，不含氮的氣體(比如，氬，氦等)，或它們的一種混合物，及一種含氧氣體(比如，O2或高溫蒸汽)，上述氣氛具有一足夠產生一個向內的間隙通量的氧分壓(比如，至少約1ppma，5ppma，10ppma或更多)但小於約500ppma，優選的是小於約400ppma，300ppma，200ppma，150ppma或甚至100ppma，而在某些實施例中，優選的是小於約50，40，30，20或甚至10ppma。當將一種含氮氣體和不含氮、不含氧的氣體二者的混合物與氧化性氣體一起用時，二者(亦即含氮氣體與惰性氣體)的相應比值可以在約1∶10-約10∶1，約1∶5-約5∶1，約1∶4-約4∶1，約1∶3-約3∶1，或約1∶2-約2∶1範圍內，同時在某些實施例中優選的是含氮氣體與惰性氣體的比值為約1∶5，1∶4，1∶3，1∶2或1∶1。換另一種方式說，如果用這種氣態混合物作為用於退火步驟和冷卻步驟的氣氛，則其中含氮氣體的濃度可以在約1％-小於約100％，約10％-約90％，約20％-約80％或約40％-約60％範圍內。
5.同時暴露於不同氣氛中在本發明的另一些實施例中，晶片的前表面和後表面可以暴露於不同的氣氛中，上述氣氛中每種氣氛都可以含有一種或多種氮化或非氮化氣體。例如，當晶片的前表面暴露於一種非氮化氣氛中時，晶片的後表面可以暴露於一種氮化氣氛中。根據每個表面的條件及其暴露於其中的氣氛，經受有不同氣氛的熱處理的晶片可以具有一不對稱的空位濃度分布。例如，如果前表面僅有一個天然氧化物層和後表面具有一個增加的氧化物層，及晶片在一個氮化氣氛中進行熱處理，則晶片前面部分中的空位濃度將更類似於「U形」分布，而晶片的後面部分在性質上更均勻。可供選擇地，多個晶片(比如，2，3或更多晶片)可以同時退火，而同時它們成面對面地疊置；當用這種方式退火時，處於面對面接觸的各表面在退火期間機械式地與氣氛隔開。可供選擇地，和根據在快速熱退火步驟期間所應用的氣氛和所希望的晶片氧沉澱分布，氧化物層可以只在晶片的一個表面(比如，前表面3)上形成。
C.經過熱處理的摻雜矽片的快速冷卻在完成步驟S2時，晶片在步驟S3中快速冷卻通過這樣的溫度範圍，即從晶格空位在單晶矽中較易遷移的溫度冷卻到至少溫度T2，在溫度T2下晶格空位在矽中比較固定。隨著晶片溫度下降貫穿這個溫度範圍，空位擴散到晶片的表面和/或晶片表面上的天然氧化物層，並變得湮滅，因此導致空位濃度分布的變化，同時變化的程度取決於晶片保持在這個範圍內一個溫度下的時間長度。如果晶片在這個範圍內的這個溫度下保持一個無限的時間周期，則空位濃度分布將再次變成類似於步驟S2的初始分布(比如，均勻的，「U形」或不對稱)，但平衡濃度低於剛完成熱處理步驟時的濃度。然而，通過快速冷卻晶片，晶格空位在近表面區域中的分布顯著減小，這種情況產生一種改變的空位濃度分布。例如，快速冷卻起初具有均勻分布的晶片產生一種非均勻的分布，其中最大空位濃度是在中心平面7處或其附近，並且空位濃度朝晶片的前表面3和後表面5方向降低。如果在冷卻之前空位濃度分布是「U」形，則在快速冷卻晶片之後的最終濃度分布將是「M形」。也就是說，空位濃度分布將具有一個局部最小濃度和兩個局部最大濃度，上述一個局部最小濃度在中心平面附近類似於快速冷卻晶片之前的U形分布，而上述兩個局部最大濃度其中一個在中心平面和前表面之間，另一個在中心平面和後表面之間，它們由抑制表面區域中的空位產生。最後，如果在冷卻之前空位濃度分布是不對稱的，則最終濃度在中心平面和一個表面之間將具有一個最大濃度，上述最大濃度類似於「M形」分布，並且一般將從中心平面到另一個表面減小，類似於在冷卻一個均勻濃度分布之後所形成的分布。
一般，在這個溫度範圍內的平均冷卻速率R為至少約每秒5℃而優選的是至少每秒約20℃。根據所希望的潔淨區深度，平均冷卻速率可以優選的是為每秒至少約50℃，還更優選的是每秒至少約100℃，同時對某些應用來說，目前優選的冷卻速率在每秒約100℃-約200℃。一旦晶片冷卻到一個溫度，所述溫度在晶格空位於單晶矽中較易遷移的溫度範圍之外，冷卻速率似乎對晶片的沉澱特性沒有顯著影響，並因此似乎在狹義上不是關鍵。如上所述，迄今為止所得到的實驗數據表明，空位的有效擴散速率通常在低於約700℃的溫度下大大變慢，並且在更低溫度下，可以認為空位對任何商業上實際時間周期都是固定的。按常規，冷卻步驟可以在與實施加熱步驟的相同氣氛中實施。
在步驟S3期間，晶片中的空位和間隙氧相互作用而形成氧沉澱物成核中心。氧沉澱物成核中心的濃度主要取決於空位濃度，並且照這樣，氧沉澱物成核中心的分布與空位的分布相對應。具體地說，在高空位區域(晶片主體)中形成氧沉澱物成核中心，而在低空位區域(晶片表面附近)中不形成氧沉澱物成核中心。因此，通過將晶片分成不同的空位濃度區，而產生一個氧沉澱物成核中心的樣板。此外，晶片主體中氧沉澱物成核中心的分布與空位的分布相對應。也就是說，它是不均勻的，並可以具有若干分布，上述分布可以表徵為，比如，在中心平面處或其附近具有一最大濃度，及朝前表面和後表面方向逐漸減小，「M形」，或不對稱。
按照本發明，在晶片主體中所形成的氧沉澱物成核中心在完成快速熱退火時是「穩定的」(「被穩定化」)；也就是說，不需要隨後的長期(比如，若干小時)熱加熱處理來使成核中心生長到一個尺寸，上述尺寸可以承受一種快速熱處理，如外延澱積。如上所述，目前認為，氮和/或碳摻雜原子延緩空位在矽中的擴散，這種情況增加了空位臨界過飽和發生時的溫度，最後產生穩定的氧沉澱物成核中心(亦即，它們在低於約1150℃的溫度下不能溶解)。
在步驟S3之後，晶片具有一個表面層和一個主體層，上述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有氧沉澱物成核中心，而上述主體層包括晶片在中心表面和第一區域之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定(化)的氧沉澱物成核中心。晶片中摻雜劑的濃度使穩定的氧沉澱物成核中心能在約1150-約1300℃範圍內的溫度下溶解。照這樣，穩定的氧沉澱成核中心可以承受隨後的熱處理過程如外延沉積，而不用防止在步驟S2期間生長中的氧沉澱物成核中心溶解。
D.氧沉澱物的生長在步驟S4中，使晶片經受一氧沉澱物生長熱處理，以便將穩定的氧沉澱物成核中心生長成氧沉澱物。例如，晶片可以在800-1000℃的一個溫度下退火16小時。可供選擇地和優選的是，將晶片裝入一個800-1000℃的爐中，作為電子器件製造法的第一步。當溫度增加到800℃或更高時，氧沉澱成核簇通過消耗空位和間隙氧繼續生長到沉澱物中，而在各表面附近的區域中，不形成氧沉澱成核中心和沒發生什麼情況。
如圖1中所示，在晶片中所產生的氧沉澱物深度分布的特徵在於沒有氧沉澱物的材料的清潔區域(潔淨區)15和15′分別從前表面3和後表面5延伸到一個深度t，t′。在沒有氧沉澱物的區域15和15′之間，有一個區域17，所述區域17含有一種不均勻的氧沉澱物濃度分布，具有一種與上述空位的分布有關的分布。
在區域17中氧沉澱物的濃度主要是隨加熱步驟而變，和其次是隨冷卻速率而變。一般，氧沉澱物的濃度在加熱步驟中增加溫度和增加退火時間的情況下增加，同時通常得到沉澱物密度是在約1×107-約5×1010沉澱物/cm3範圍內。
沒有氧沉澱物的材料(潔淨區)15和15′分別距前表面和後表面的濃度t，t′，主要是隨貫穿一溫度範圍的冷卻速率而變，在上述溫度範圍下，晶格空位在矽中較易遷移。一般，深度t，t′隨降低冷卻速率而增加，同時可獲得為至少約10，20，30，40，50，70或甚至100微米的潔淨區深度。重要的是，潔淨區的深度基本上與電子器件製造法的細節無關，並且此外，不象常規做法那樣取決於氧的向外擴散。然而，照實際情況來看，為得到淺的潔淨區深度所需的冷卻速率稍微極端，並且熱衝擊可能產生損壞晶片的危險。因此，可供選擇地，潔淨區的厚度可以通過選擇一種環境進行控制，晶片在上述環境中退火(見上文)，而同時讓晶片在一較少極端的速率下冷卻。換另一種方式說，對於一個規定的冷卻速率，可以選擇一種環境，上述環境產生一個用於一個深潔淨區(比如，50+微米)，中間潔淨區(比如，30-50微米)，淺潔淨區(比如，小於約30微米)，或甚至沒有潔淨區的樣板。在用於退火步驟和冷卻步驟的精密條件這方面，在不脫離本發明範圍的情況下，應該注意，它們可以與本文所述的不同。而且，這些條件可以例如通過調節溫度和退火持續時間，及氣氛條件(亦即，氣氛組成，及氧分壓)憑經驗確定，以便優化所希望的深度t和/或t′。
儘管在本發明這種方法中所應用的快速熱處理可以造成少量氧從晶片的前表面和後表面向外擴散，但向外擴散量比用於形成潔淨區的常規方法中所觀察到的向外擴散量顯著地少。結果，本發明理想沉澱的晶片，隨著距矽表面距離的變化而具有一種基本上均勻的間隙氧濃度。例如，在氧沉澱熱處理之前，從晶片中心到在矽表面約15微米之內的晶片區域，更優選的是從矽中心到在矽表面約10微米之內的晶片區域，甚至更優選的是從矽中心到在矽表面約5微米之內的晶片區域，及最優選的是從矽中心到矽表面約3微米之內的晶片區域，晶片將具有一個基本上是均勻的間隙氧濃度。在本文中，基本上均勻的氧濃度將意思是指氧濃度中的變化不大於約50％，優選的是不大於約20％，和最優選的是不大於約10％。
通常，氧沉澱熱處理不產生顯著量的氧從經過熱處理的晶片向外擴散。結果，在大於距晶片表面幾微米的距離處潔淨區中間隙氧的濃度不會由於沉澱熱處理而顯著改變。例如，如果晶片的潔淨區由晶片在矽表面和一個距離D(該距離至少約10微米)之間的區域組成，上述距離D是從前表面朝向中心表面方向所測得的，則在潔淨區內距矽表面的距離等於D一半的位置處，氧濃度通常至少約為潔淨區內任何地方間隙氧濃度的峰值濃度的75％。對某些氧沉澱熱處理，在這個位置處的間隙氧濃度將甚至更大，亦即在潔淨區中任何地方最大氧濃度的至少85％，90％或甚至95％。
E.外延層在本發明的一個實施例中，可以在理想沉澱的晶片表面上沉積一個外延層。本發明的上述氧沉澱成核和穩定方法可以在外延澱積之前或之後進行。有利的是，穩定的氧沉澱成核中心的形成可以在不溶解所建立的沉澱物分布情況下用於實施外延澱積方法。
外延層可利用該技術領域的技術人員已知和採用的常規方法，如一種氣相、含矽組成的分解而形成。在本發明的一個優選實施例中，晶片的表面暴露於一種包括一種含矽的揮發性氣體(比如，SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl或SiH4)的氣氛之下。上述氣氛優選的是還含有一種載體氣體(優選的是H2)。在一個實施例中，外延澱積期間的矽源是SiH2Cl2或SiH4。如果用SiH2Cl2，則澱積期間的反應器真空壓力優選的是從約500到約760モ。另一方面，如果用SiH4，則反應器壓力優選的是約100モ。更優選的是，澱積期間的矽源是SiHCl3。這往往比其它矽源便宜得多。此外，用SiHCl3的外延澱積可以在大氣壓下進行。這是有利的，因為不需要真空泵和反應器室不必為防止塌陷而十分堅固。而且，存在較少的安全危險，和減少了空氣或其它氣體漏入反應器室的機會。
在外延澱積期間，晶片表面優選的是保持在一個溫度下，所述溫度足夠防止含矽的氣氛將多晶矽澱積到表面上，上述溫度為至少約800℃，更優選的是約900℃，及最優選的是約1100℃。外延澱積生長的速率優選的是從約0.5至約0.7μm/min。從約3.5至約4.0μm/min的速率可以例如通過用一種氣氛在約1150℃的溫度和約1atm的壓力下達到，上述氣氛基本上由約2.5摩爾(M)％SiHCl3和約97.5摩爾％H2組成。
如果希望的話，外延層可以額外包括p-型或n-型摻雜劑。例如，對外延層常常優選的是含有硼。這一層可以通過例如在澱積期間氣氛中包括B2H6製備。為得到所希望性能(比如電阻率)所用的氣氛中，B2H6的摩爾分數將取決於幾個因素，如在外延澱積期間從特定襯底向外擴散的硼量，在反應器和襯底中作為汙染物存在的p-型摻雜劑和n-型摻雜劑的量，及反應器壓力和溫度等。對高電阻率應用來說，外延層中的摻雜劑濃度應象實際情況那樣低。
F.矽絕緣體結構的製備氧沉澱核通過按照本發明的摻氮/碳的穩定化還可以用於製備一種如美國專利No.6,236,104中所公開的矽絕緣體(SOI)結構，該專利通過引用包括在本文中。SOI結構可以通過使基底或處理晶片經受一種離子植入法生產，上述離子植入法在該技術中是標準方法(見比如，美國專利No.5436175)。優選的是，理想沉澱晶片法是在離子植入之前於處理晶片上進行，上述離子植入造成氧化物層位於潔淨區內。
可供選擇地，SOI結構可以通過用下述方法生產將一個器件層晶片接合到一個摻氮/碳的穩定處理晶片上，和然後利用該技術中也常用的晶片減薄技術(見比如，美國專利No.5024723)腐蝕掉一部分器件層晶片。優選的是，器件層晶片將是在摻氮/碳的處理晶片已經受了理想沉澱晶片法之後接合到處理晶片上。然而，可供選擇地，器件層晶片可以首先接合到摻氮/碳的處理晶片上，並且整個SOI結構可以經受理想沉澱的晶片方法。
除了氮/碳穩定化之外，氧沉澱物成核中心的穩定化可以通過在2001年6月22日提交的美國專利申請No.60/300208中所公開的熱穩定法進一步加強，上述專利申請通過引用包括在本文中。
G.晶格空位的測量單晶矽中晶格空位的測量可以通過鉑擴散分析進行。一般，鉑澱積在樣品上並在一個水平表面中擴散，同時擴散時間和溫度優選的是這樣選定，以便Frank-Turnbull機理控制鉑擴散，但所述鉑擴散足夠通過鉑原子達到空位綴飾(decoration)的穩定狀態。對於具有本發明典型空位濃度的晶片，可以用20分鐘擴散時間和730℃溫度，儘管更準確的跟蹤似乎是在一較低溫度比如約680℃下可達到。此外，為了使由於矽化法的可能影響減至最小，鉑澱積法優選的是產生一個少於一個單層的表面濃度。鉑擴散技術在別處已有說明，例如，Jacob等，J.Appl.Phys.，vol.82，p.182(1997)；Zimmermann和Ryssel，「在非平衡條件下矽中的鉑擴散模型」，J.Electrochemical Society，vol.139，p.256(1992)；Zimmermann，Goesele，Seilenthal和Eichiner，「矽中空位濃度晶片變換(mapping)」，Journal ofCrystal Growth，vol.129，p.582(1993)；Zimmermann和Falster，「在早期狀態下直拉矽中氧沉澱物成核作用研究」，Appl.Phys.Lett.，vol.60，p.3250(1992)；及Zimmermann和Ryssel，Appl.Phys.A，vol.55，p.121(1992)。
應該理解，上述說明是示例性的而不是限制性的。許多實施例對該技術的技術人員來說，在看了上述說明時將是顯而易見的。因此本發明的範圍應該不僅是參照上述說明決定，而且還應參照權利要求及這些權利要求授權的整個等效物範圍確定。
權利要求
1.一種單晶矽晶片，所述晶片具有兩個主要的一般是平行的表面，所述兩個表面的其中之一是該晶片的前表面，而其另一個表面是該晶片的後表面；一個在前表面和後表面之間的中心平面；和一個接合前表面和後表面的周邊邊緣，該晶片包括一種選自氮和碳的摻雜劑，隨著晶片從一第一溫度T1以一個速率R冷卻到一第二溫度T2，摻雜劑的濃度足以促進穩定的氧沉澱物成核中心的形成，該穩定的氧沉澱成核中心在低於約1150℃的溫度下不能溶解，但在約1150℃和約1300℃之間的溫度下能夠溶解，其中T1是在約1150℃和約1300℃之間，T2是晶格空位在矽中比較固定時的一個溫度，及R為至少約每秒5℃；一個表面層，所述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有穩定的氧沉澱物成核中心；及一個主體層，所述主體層包括晶片在中心平面和表面層之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定的氧沉澱物成核中心。
2.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，摻雜劑是氮，並且氮的濃度是在約1×1012和約5×1014原子/cm3之間。
3.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，摻雜劑是氮，並且晶片中氮的濃度是在約1×1012和約1×1013原子/cm3之間。
4.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，摻雜劑是碳，並且碳的濃度是在約1×1016和約4×1017原子/cm3之間。
5.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，摻雜劑是碳，並且晶片中碳的濃度是在約1.5×1016和約3×1017原子/cm3之間。
6.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，在主體層中的穩定的氧沉澱物成核中心具有一個濃度分布，在所述濃度分布中峰值密度是在中心平面處或其附近，並且一般朝向晶片的前表面方向降低。
7.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，主體層中穩定的氧沉澱物成核中心具有一個濃度分布，在所述濃度分布中峰值密度是在大約中心平面和表面層之間的某個點處。
8.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述D為至少約10微米。
9.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述D為至少約20微米。
10.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述D為至少約50微米。
11.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述D為至少約30和約100微米之間。
12.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述晶片包括一個在該晶片至少一個表面上的外延層。
13.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述T1為至少約1150℃。
14.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述T1是在約1200℃和約1300℃之間。
15.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述R為每秒至少約10℃。
16.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述R為每秒至少約20℃。
17.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，所述R為每秒至少約50℃。
18.一種單晶矽晶片，所述晶片具有兩個主要的一般是平行的表面，所述兩個表面的其中之一是該晶片的前表面，而其另一個表面是該晶片的後表面；一個在前表面和後表面之間的中心平面；和一個接合前表面和後表面的周邊邊緣，該晶片包括一種選自氮和碳的摻雜劑，當氮是摻雜劑時，氮的濃度是在約1×1012和約5×1014原子/cm3之間，而當碳是摻雜劑時，碳的濃度是在約1×1016和約4×1017原子/cm3之間；一個表面層，所述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有穩定的氧沉澱物成核中心；及一個主體層，所述主體層包括晶片在中心平面和表面層之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定的氧沉澱物成核中心。
19.一種矽絕緣體結構，它包括一種單晶矽處理晶片，所述晶片包括兩個主要的一般是平行的表面，所述兩個表面的其中之一是該晶片的前表面，而其另一個表面是該晶片的後表面；一個在前表面和後表面之間的中心平面；和一個接合前表面和後表面的周邊邊緣；一種選自氮和碳的摻雜劑，隨著晶片從一第一溫度T1以一個速率R冷卻到一第二溫度T2，摻雜劑的濃度足夠促進穩定的氧沉澱物成核中心的形成，該穩定的氧沉澱成核中心在低於約1150℃的溫度下不能溶解，但在約1150℃和約1300℃之間的溫度下能夠溶解，其中，T1是在約1150℃和約1300℃之間，T2是晶格空位在矽中比較固定時的一個溫度，及R為每秒至少約5℃；一個表面層，所述表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，其中表面層沒有穩定的氧沉澱物成核中心；和一個主體層，所述主體層包括晶片在中心平面和表面層之間的一個第二區域，其中主體層包括穩定的氧沉澱物成核中心；一個單晶矽器件層；及一個在處理晶片和器件層之間的絕緣層。
20.一種用於製備一種單晶矽晶片的方法，上述單晶矽晶片具有一種受控制的氧沉澱性能，上述方法包括以下步驟選定一種從直拉法生長的單晶矽錠切片而成的晶片，上述晶片包括一個前表面，一個後表面，一個在前表面和後表面之間的中心平面，一個前表面層，一個主體層，和一種選自氮和碳的摻雜劑，上述前表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，上述主體層包括晶片在中心平面和前表面層之間的區域，隨著晶片從一第一溫度T1以一個速率R冷卻到一第二溫度T2，摻雜劑的濃度足夠促進穩定的氧沉澱物成核中心的形成，該穩定的氧沉澱成核中心在低於約1150℃的溫度下不能溶解，但在約1150℃和約1300℃之間的溫度下能夠溶解，其中T1是在約1150℃和約1300℃之間，T2是晶格空位在矽中比較固定時的一個溫度，及R為每秒至少約5℃；將晶片加熱到至少約1150℃的溫度，以便在前表面層和主體層中形成晶格空位；將經過加熱的晶片以一個速率冷卻，以便在晶片中形成一空位濃度分布，其中空位的峰值密度是在主體層中，同時濃度一般從峰值密度的位置朝晶片前表面方向降低，及在前表面層和主體層中的空位濃度差異使得穩定的氧沉澱物成核中心在前表面層中不形成、而穩定的氧沉澱物成核中心在主體層中形成；隨著晶片冷卻在主體層中形成穩定的氧沉澱物成核中心，同時主體層中穩定的氧沉澱物成核中心的濃度主要取決於空位的濃度。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述摻雜劑是氮，並且晶片中氮的濃度是在約1×1012和約5×1014原子/cm3之間。
22.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述摻雜劑是氮，並且晶片中氮的濃度是在約1×1012和約1×1013原子/cm3之間。
23.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述摻雜劑是碳，並且晶片中碳的濃度是在約1×1016和約4×1017原子/cm3之間。
24.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述摻雜劑是碳，並且晶片中碳的濃度是在約1.5×1016和約3×1017原子/cm3之間。
25.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，將晶片加熱到至少約1175℃的溫度。
26.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，將晶片加熱到至少約1200℃的溫度。
27.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，將晶片加熱到在約1200℃和約1275℃之間的溫度。
28.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述晶片在被加熱時暴露於一種氣氛之中，上述氣氛包括選自氬、氦、氖、二氧化碳，及氮或一種含氮氣體的一種或多種氣體。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括氬。
30.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括氮或一種含氮氣體。
31.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括氬和氮或一種含氮氣體。
32.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括一個氧分壓，所述氧分壓不高於約0.01大氣壓。
33.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括一個氧分壓，所述氧分壓不高於約0.005大氣壓。
34.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括一個氧分壓，所述氧分壓不高於約0.002大氣壓。
35.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括一個氧分壓，所述氧分壓不高於約0.001大氣壓。
36.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括一個氧分壓，所述氧分壓是在約0.0001和約0.01大氣壓之間。
37.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述氣氛包括一個氧分壓，所述氧分壓是在約0.0002和約0.001大氣壓之間。
38.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述晶片的前表面在被加熱時暴露於一第一氣氛之下，上述第一氣氛包括選自氬、氦、氖，二氧化碳及氮或一種含氮氣體的一種或多種氣體，而晶片的後表面在被加熱時暴露於一第二氣氛之下，上述第二氣氛包括選自氬、氦、氖、二氧化碳，及氮或一種含氮氣體的一種或多種氣體，第一和第二氣氛具有至少一種不共同的氣體。
39.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，在為形成晶格空位而熱處理之前，將晶片在一含氧氣氛中加熱到至少約700℃的溫度，以便形成一個能用作晶格空位的阱的表面二氧化矽層。
40.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，在貫穿晶格空位在矽中較易遷移的溫度範圍中，冷卻速率為每秒至少約5℃。
41.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，在貫穿晶格空位在矽中較易遷移的溫度範圍中，冷卻速率為每秒至少約20℃。
42.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，在貫穿晶格空位在矽中較易遷移的溫度範圍中，冷卻速率為每秒至少約50℃。
43.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，在貫穿晶格空位在矽中較易遷移的溫度範圍中，冷卻速率為每秒至少約100℃。
44.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，包括在主體層中形成穩定的氧沉澱物成核中心之後，在晶片的至少一個表面上澱積一外延層。
45.一種用於製備一種單晶矽晶片的方法，上述單晶矽晶片具有一種受控制的氧沉澱性能，所述方法包括選定一種從直拉法生長的單晶矽錠切片而成的晶片，上述晶片包括一個前表面，一個後表面，一個在前表面和後表面之間的中心平面，一個前表面層，一個主體層，和一種選自氮和碳的摻雜劑，上述前表面層包括晶片在前表面和一個從前表面並朝向中心平面測得的距離D之間的區域，上述主體層包括晶片在中心平面和前表面層之間的區域，當氮是摻雜劑時，氮的濃度是在約1×1012和約5×1014原子/cm3之間，而當碳是摻雜劑時，碳的濃度是在約1×1016和約4×1017原子/cm3之間；使晶片經受熱處理，以便在前表面層和主體層中形成晶格空位；將經過熱處理的晶片以一個速率冷卻，上述冷卻速率在晶片中產生一空位濃度分布，其中空位的峰值密度是在主體層中，同時濃度一般從峰值密度的位置朝晶片前表面方向降低，及在前表面層和主體層中的空位濃度差異使得穩定的氧沉澱物成核中心在前表面層中不形成、而該穩定的氧沉澱物成核中心在主體層中形成；及隨著經過熱處理的晶片被冷卻，在主體層中形成穩定的氧沉澱物成核中心，同時在主體層中穩定的氧沉澱物成核中心的濃度主要取決於空位的濃度。
全文摘要
一種矽片，它具有一種受控制的氧沉澱性能，以便最後形成一個潔淨區和晶片主體中的氧沉澱物，上述潔淨區從前表面向內延伸，而上述氧沉澱物足夠用於本徵吸除的目的。具體地說，在形成氧沉澱物之前，晶片主體包括摻雜劑穩定的氧沉澱物成核中心。摻雜劑選自氮和碳，並且摻雜劑的濃度足夠使氧沉澱物成核中心能承受熱處理如一種外延澱積法，而同時保持溶解任何生長中成核中心的能力。
文檔編號H01L21/322GK1606799SQ02825681
公開日2005年4月13日 申請日期2002年12月23日 優先權日2001年12月21日
發明者M·S·盧西亞諾, J·L·利伯特, R·J·菲利普斯, M·庫爾卡尼, M·巴南, S·J·布倫克霍斯特 申請人:Memc電子材料有限公司