專利名稱：硅基片及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體基片及其制造方法，特別涉及一種具有低氧濃度層的單晶硅(Si)基片以及該基片的制造方法。
在近年來，使用單晶硅基片進行半導體集成電路(IC)的集成和小型化不斷地發展。在這種情況下，對精確地控制摻雜區(如，阱區和源/漏區)的濃度和截面分布的要求越來越強烈。
另一方面，該摻雜區通常是通過離子注入工藝形成的。
為了精確控制摻雜區的濃度和截面分布，這就要求通過離子注入工藝導入硅基片的摻雜原子不會在后續的制造集成電路的工藝中引起所不期望的擴散。
通常，通過離子注入工藝導入的摻雜原子為非電活性的。因此，為了使該離子注入基片適用于集成電路，通常需要通過熱處理或快速退火工藝使摻雜原子電活化。
為了保證所導入的摻雜被電活化，通常要在800℃或更高的溫度進行短時間熱處理或退火(如，幾秒鐘)，或在約為700℃的溫度下進行長時間的退火或熱處理(如，幾分鐘)。
但是，如果在800℃或更高的溫度下進行退火工藝，所產生的問題是所導入的摻雜原子易于在基片中擴散，結果在摻雜區中會產生所不期望的濃度和截面分布的改變。另一方面，如果在700℃或更低的溫度下進行退火工藝，所產生的問題是退火工藝需要較長的處理時間，這種退火工藝對對實際集成電路的制造來說是不現實的。
另外，第二個問題是在退火工藝過程中由于處理時間較長，基片容易被污染。
相應地，本發明的一個目的是提供一種能夠通過在700℃或更低的溫度下進行短時間的退火導入雜質的單晶硅基片。
本發明的另一個目的是提供一種通過退火工藝能夠精確控制被導入雜質的濃度和截面分布的單晶硅基片以及該基片的制造方法。
本發明的第三個目的是提供一種采用離子注入工藝在用于導入雜質的退火工藝中不易被污染的單晶硅基片。
在下文的說明中上述目的以及其他未特別提到的目的將變得更加清楚。
根據本發明的第一種情況，在此提供一種硅基片，其中包括一單晶硅底層和一形成與該底層上的單晶硅低氧濃度層。該底層具有第一氧濃度，而該低氧濃度層具有低于第一氧濃度的第二氧濃度。
根據本發明的第二種情況，在此提供一種制造根據本發明第一種情況的硅基片的方法，其中包括如下步驟(a)和(b)(a)準備一塊具有平整得正面的單晶硅基底材料。該基底材料具有第一氧濃度。
(b)在該基底材料的正面上生長一層單晶硅外延層，使得該外延層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。
根據本發明的第三種情況，在此提供另一種制造根據本發明的第一種情況的硅基片的方法，其中包括如下步驟(a′)和(b′)(a′)準備一塊具有平整得正面的單晶硅基底材料。該基底材料具有第一氧濃度。該步驟與上述步驟(a)相同。
(b′)對該基底材料進行熱處理，使存在與該基底材料中的氧通過該基底材料的正面向外擴散，從而在該基底材料中形成沿著該基底材料的正面形成一層低氧濃度層。其余基底材料作為具有第一氧濃度的單晶硅底層。該低氧濃度層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。
如上文所述，該根據本發明第一方面的硅基片包括一單晶硅底層和一形成于該底層上的單晶硅低氧濃度層。該底層具有第一氧濃度，該低氧濃度層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。
對于根據本發明的第一方面的硅基片，氧濃度比底層的氧濃度低的低氧濃度層形成于該底層上。因此，當通過離子注入把雜質導入低氧濃度層以有選擇地改變低氧濃度層的導電性，然后把基片經過退火或熱處理工藝以電激活所導入的雜質時，則可以容易地修復存在于低氧濃度層的晶體缺陷(該缺陷由離子注入工藝引入)。
這樣，退火或熱處理可以在低于700℃的溫度下以短時間進行。退火或熱處理溫度的降低可以減小在低氧濃度層中雜質的擴散長度。相應地，可以精確地控制導入低氧濃度層中的雜質的濃度和截面的分布。
在退火過程中雜質擴散的機理還不清楚。但是，可以推測出所導入雜質的擴散率隨著氧濃度的降低而降低，因為在低的退火溫度由離子注入過程所造成的晶體缺陷的擴散率增加，并且晶缺陷傾向于被恢復或消除。
在根據本發明的第一情況的實施例中，低氧濃度層的第二氧濃度等于1×1017個原子/cm3或更低。其原因如下在按照著名的切克勞斯基(CZ)法制造的典型單晶硅塊中，該單晶硅底層的第一氧濃度通常約等于0.8×1018個原子/cm3至2×1018個原子/cm3。因此，如果低氧濃度層的第二氧濃度等于1×1017個原子/cm3或更低(相對于第一氧濃度來說足夠低)，則可以保證本發明的優點。
在根據本發明的第一種情況的另一個最佳實施例中，該低氧濃度層的厚度為從5μm至20μm范圍內，如果低氧濃度層的厚度小于5μm，則存在于底層的氧(O)原子易于擴散到低氧濃度層。結果，該低氧濃度層不能如愿地形成。如果該低氧濃度大于20μm，則該基片的機械強度會下降。另外，不必用摻雜有適合的雜質的厚度大于20μm的低氧濃度層來制造典型的集成電路。
用根據本發明第二方面制造本發明的第一方面的硅基片的方法包括步驟(a)和(b)。
在步驟(a)中，制備一塊具有平整的正面的單晶硅基底材料。該基該材料具有第一氧濃度。
在步驟(b)中，在該基底材料的正面生長一層單晶硅外延層，使得該外延層具有低于第一氧濃度的第二氧濃度。
對于根據本發明第二方面的制造方法，該單晶硅外延層生長于單晶硅基底材料的正面上使得這外延層具有比該基底材料的第一氧濃度低的第二氧濃度。因此，該外延層和基底材料分別作為根據本發明第一方面晶硅基片的低氧濃度層和底層。
這樣就制造根據本發明第一方面的硅基片。
眾所周知，在切克勞斯基方法中，無用的氧不可避免地從用于在生長工藝中存放熔化的硅的熔凝石英(SiO2)熔爐中侵入成品的單晶硅錠中。另一方面，在步驟(b)的外延生長工藝中，不采用氧源。這樣，外延層的氧濃度變得低于基底材料的氧濃度。
在根據本發明第二種情況的制造方法的最佳實施例中，低氧濃度層的第二氧濃度1×1017個原子/cm3或更低。其原因與在根據本發明第一種情況的硅基片所述的相同。
在根據本發明第二方面的方法的另一最佳實施例中，該低氧濃度層的厚度范圍為從5μm至20μm范圍內。其原因與在根據本發明的第一方面的硅基片所述的相同。
如果所得的外延層的氧濃度低于基底材料的濃度，則用于步驟(b)的外延生長工藝可以在任何條件下執行。為了防止基底材料中的氧在步驟(b)中擴散到外延層中，最好把生長溫度設置為1000℃或更低。
另外，根據本發明第一種情況的硅基片可以根據本發明第三種情況的方法制造，該方法包括步驟(a′)和(b′)。
在步驟(a′)中，準備一塊具有平整得正面的單晶硅基底材料。該基底材料具有第一氧濃度。該步驟與上述步驟(a)相同。
在步驟(b′)中，對該基底材料進行熱處理，使存在與該基底材料中的氧通過該基底材料的正面向外擴散，從而在該基底材料中形成沿著該基底材料的正面形成一層低氧濃度層。其余基底材料作為具有第一氧濃度的單晶硅底層。該低氧濃度層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。
對于根據本發明第三方面的制造方法，該具有比該基底材料的第一氧濃度低的第二氧濃度的低氧濃度層單晶硅外延層生長于單晶硅基底材料的正面上。剩余的基底材料作為具有第一氧濃度的單晶硅底層。
因此，該外延層和基底材料分別作為根據本發明第一方面晶硅基片的低氧濃度層和底層。
這樣就制造成根據本發明第一方面的硅基片。
在根據本發明第三種情況的制造方法的最佳實施例中，低氧濃度層的第二氧濃度為1×1017個原子/cm3。其理由與在根據本發明第一種情況的硅基片所述的相同。
在根據本發明第三方面的方法的另一最佳實施例中，該低氧濃度層的厚度范圍為從5μm至20μm范圍內。其理由與在根據本發明的第一種情況的硅基片所述的相同。
如果所得的低氧濃度層的氧濃度低于基底材料的濃度，則用于步驟(b′)的熱處理工藝可以在任何條件下執行。為了防止基底材料中的氧在步驟(b′)中向外擴散，最好把基底材料置于能夠使氧氣化并向外擴散的溫度的氣體中。
例如，在步驟(b′)中最好用氫氣(H2)、氮氣(N2)或氬氣(Ar)作為環境氣體。另外，最好在步驟(b′)中采用1100℃或更高的溫度以及8小時或更長的熱處理時間。
在步驟(b′)的熱處理工藝中，存在于基底材料中的無用的氧會通過該基底材料的整個正面向外擴散。因此，在基底材料的正面上形成氧濃度比基底材料氧濃度低的氧濃度層。
相應地，在本發明中，單晶硅基底材料最好是由根據切克勞斯基方法生長的單晶硅錠產生。這是因為根據切克勞斯基方法生長的單晶硅的可獲得尺寸或直徑對于制造最近或未來的集成電路來說是足夠大的(如，300mm)。
但是，如果低濃度層的氧濃度可以低于基底層的氧濃度，則可以用除切克勞斯基方法之外的其他方法(如，Bridgman方法)生長單晶硅錠。
為了使本發明易于實施，下面將參照附圖具體說明。
圖1A至1D為分別表示本發明的硅基片的制方法的局部截面示意圖，其中包括離子注入和退火工藝。
圖2A至2D為分別表示本發明的硅基片的制方法的局部截面示意圖，其中包括離子注入和退火工藝的另一種方法。
圖3表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第一實施例的基片的氧濃度分布。
圖4表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第二實施例的基片的氧濃度分布。
圖5表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第三實施例的基片的氧濃度分布。
圖6表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第四實施例的基片的氧濃度分布。
圖7表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的傳統實例的基片的氧濃度分布。
圖8表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第一實施例的基片注入的磷濃度分布及其變化。
圖9表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第二實施例的基片注入的磷濃度分布及其變化。
圖10表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第三實施例的基片注入的磷濃度分布及其變化。
圖11表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第四實施例的基片注入的磷濃度分布及其變化。
圖12表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的傳統實例的基片的注入磷濃度分布及其變化。
圖13表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第一實施例的基片的注入硼濃度分布及其變化。
圖14表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第二實施例的基片注入的硼濃度分布及其變化。
圖15表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第三實施例的基片注入的硼濃度分布及其變化。
圖16表示作為從基片的正面向內的深度的一個函數的根據本發明第四實施例的基片注入的硼濃度分布及其變化。
下面將參照


本發明最佳實施例及對比實例。
第一實施例本發明的單晶硅是按如下方法制造的。
首先，如圖1A所示，從用切克勞斯基方法生長的單晶硅錠制備片狀的單晶硅基底材料。該硅基底材料1的上部具有平整的正面1a。
在這一階段，基底材料1的氧濃度是通過利用次級離子質譜儀(SIMS)來測量的。結果，發現在整個基底材料1中氧濃度為1.2×1018個原子/cm3。
接著，如圖1B所示，通過氣相外延生長(VPE)方法，在以四氯化硅(SiCl4)作為硅的源材料并且所生長溫度設置為900℃的條件下，在單晶硅基底材料1的正面la上生長厚度為5μm的單晶硅外延層2。也可以用二氯硅烷(SiH2Cl2)取代SiCl4。該外延層2具有平整的表面2a。
這樣就形成根據本發明的由單晶硅基底材料1和單晶硅外延層2組成的單晶硅基片10。
外延層2的氧濃度是利用SIMS來測量的。測量結果表明，外延層2的氧濃度為2×1016個原子/cm3，等于基底材料1的氧濃度的六分之一(1/6)。
并且經測量得出基片10具有如圖3所示的氧分布。如圖3所示，在從外延層2表面2a向內深度等于或小于5μm處，氧濃度為2×1016個原子/cm3，而在深度大于5μm處氧濃度陡升到1×1017個原子/cm3。
接著，為了證實本發明的優點，如圖1C所示，以1MeV的加速能量，把劑量為2×1015個原子/cm2的作為n型雜質的磷離子(P+)4注入到本發明的基片10的單晶硅外延層2，從而形成磷摻雜外延層2A。這種離子注入條件是用于形成n型阱區的條件。磷注入外延層工具有平整的表面2Aa。
接著，磷外延層2A的磷分布可以用SIMS來測量。測量結果表明外延層2具有如圖8所示的磷分布。如圖8所示，外延層的離子注入區從磷摻雜外延層2A的表面2Aa向內的最大深度約為3μm。
最后，把基片10置于600或700℃的溫度下熱處理或退火10、20或30秒，以電激活所注入的磷，如圖1D所示。在圖1D中，附圖標記2B和2Ba分別表示經退火和離子注入后的外延層2A和層面2B的表面。
接著，用與上述相同的方法測量經退火和離子注入后的外延層2B的磷分布。測量結果表明外延層2B具有如圖8中曲線B(600℃,20秒)和曲線C(700℃,20秒)所示的磷分布，這兩條曲線基本與曲線A相同。這意味著，所注入的磷的擴散長度令人滿意地短，因此所注入的磷的濃度和截面分布基本沒有改變。
另外，通過測量外延層2B的擴展電阻檢查所注入的磷是否被電激活。測量結果如表1所示，外延層2B在退火溫度為600或700℃，退火時間為10、20、或30秒的所有條件進行完全退火。
表1
在表1中，符號“○”表示結果所注入的磷完全激活(100％)，符號“×”表示結果所注入的磷沒有完全(非100％)激活。
第二實施例用與第一實施例相同的方法制造本發明的單晶硅基片，只是單晶硅外延層2的厚度為10微米。接著，用與第一實施例相同的方法對該基片10進行磷離子注入和退火工藝。
結果，發現基底材料1具有1.2×1017個原子/cm3的氧濃度，外延層2具有2×1016個原子/cm3的氧濃度，它等于基底材料1的氧濃度的六分之一(1/6)。
如圖4所示，在深度為10微米處的氧濃度為2×1016個原子/cm3或更小，并且在深度大于10微米處的氧濃度陡升到1.2×1017個原子/cm3。
測量結果表明在退火工藝之前外延層2A具有如圖9中曲線A所示的磷分布。并且，在600℃的溫度下退火20秒后的外延層2B具有如圖9中曲線B所示的磷分布，以及在700℃的溫度下退火20秒后的外延層2B具有如圖9中曲線C所示的磷分布，這兩條曲線基本與圖9中的曲線A相同。
第三實施例用與第一實施例相同的方法制造本發明的單晶硅基片，只是單晶硅外延層2的厚度為20微米。接著，用與第一實施例相同的方法對該基片10進行磷離子注入和退火工藝。
結果，發現基底材料1具有1.2×1017個原子/cm3的氧濃度，外延層2具有2×1016個原子/cm3的氧濃度，它等于基底材料1的氧濃度的六分之一(1/6)。
如圖5所示，在深度為20微米處的氧濃度為2×1016個原子/cm3或更小，并且在深度大于20微米處的氧濃度陡升到1.2×1017個原子/cm3。
測量結果表明在退火工藝之前外延層2A具有如圖10中曲線A所示的磷分布。并且，在600℃的溫度下退火20秒后的外延層2B具有如圖10中曲線B所示的磷分布，以及在700℃的溫度下退火20秒后的外延層2B具有如圖10中曲線C所示的磷分布，這兩條曲線基本與圖10中的曲線A相同。
第四實施例本發明的單晶硅是按如下方法制造的。
首先，如圖2A所示，從用切克勞斯基法生長的單晶硅錠制備片狀的單晶硅基底材料。該硅基底材料1的上部具有平整的正面la。經測量發現在整個基底材料1中氧濃度為1.2×1017個原子/cm3，這與第一實施例相同。
接著，把基底材料1置于通有氫氣(H2)的處理腔中并在1100度下保持8小時。這樣，存在于基底材料1的正面1a附近的氧由于向外擴散被部分地除去，從而在基底材料1中形成低氧濃度層1B，如圖2B所示。在基底材料1的剩余部分變為底層1A。
低氧濃度層1B和底層1A之間具有基本平整的界面3。
這樣就形成根據本發明的由單晶硅基片20，如圖2B所示。
低氧濃度層1B的氧濃度是利用SIMS來測量的。測量結果表明，該基片20的氧分布如圖6所示。如圖6所示，氧濃度隨著深度的增加逐步向2×1018個原子/cm3的濃度增加。
當把具有氧濃度為1×1017個原子/cm3處定義為界面3，則該界面位于15微米深處。
接著，為了證實本發明的優點，如圖2C所示，在與第一實施例相同的條件下把磷離子(P+)4注入到本發明的基片20的低氧濃度層1B，從而形成磷摻雜低氧濃度層1C。
接著，磷摻雜低氧濃度層1C的磷分布可以用SIMS來測量。測量結果表明低氧濃度層1C具有如圖11中曲線A所示的磷分布。如圖11所示，低氧濃度層1C的離子注入區從基底材料1的正面向內的最大深度約為3μm 。
最后，把基片20置于與第一實施例相同的條件下進行熱處理或退火，以電激活所注入的磷并使低氧濃度層1C的磷注入部分退火。退火后的磷注入低氧濃度層1C被稱為1D。
接著，用與上述方法相同的方法測量磷注入低氧濃度層1D的磷分布。測量結果表明低氧濃度層1D具有如圖11中對應于600度的曲線B和對應于700度的曲線C所示的磷分布，這兩條曲線基本與圖11中所示的曲線A相同。
另外，通過測量外延層1D的擴展電阻檢查所注入的磷是否被電激活。測量結果如表1所示，低氧濃度層1D在退火溫度為600或700℃，退火時間為10、20、或30秒的所有條件進行完全退火。
另外，為了證實本發明的優點，如圖2C所示，以50keV的加速能量，把劑量為2×1015個原子/cm2的作為p型雜質的氟化硼離子(BP2+)4注入到本發明的基片20的單晶硅低氧濃度層1C，從而形成硼摻雜低氧濃度層1C。這種離子注入條件是用于形成p型阱區的條件。
接著，硼摻雜低氧濃度層1C的硼分布可以用SIMS來測量。測量結果表明低氧濃度層1C具有如圖13、14、15、和16中曲線A所示的硼分布。如圖13、14、15、和16所示，低氧濃度層1C的離子注入區從基片20的表面1a向內的最大深度約為3μm。
最后，把基片10置于600或700℃的溫度下熱處理或退火10、20或30秒，以電激活所注入的硼并使低氧濃度層1C的硼注入部分退火，如圖2D所示。
接著，用與上述相同的方法測量經退火和離子注入后的硼摻雜低氧濃度層1D的硼分布。測量結果表明低氧濃度層1D具有如圖13中曲線B(600℃,20秒)所示的硼分布、圖14中曲線B(700℃,20秒)所示的硼分布，圖15中曲線B(800℃,20秒)所示的硼分布、以及圖16中曲線B(900℃,20秒)所示的硼分布。
如圖13和14中的曲線B所示，所導入的硼的擴散長度不變，結果所摻雜的硼的濃度和截面分布沒有本質改變。另外，如圖15和16中的曲線B所示，所導入的硼的擴散長度變化很大，結果所摻雜的硼的濃度和截面分布發生本質改變。
這樣，通過把退火溫度設為低于700度，可以防止所導入的硼發生擴散。
對比實例一種傳統的單晶硅基片(未示出)實際是用與實施例所述的相同方法制造的，只是在傳統方法中沒有生長外延層2。換句話說，使用如圖1A中所示的不帶有外延層2的單晶硅基底材料。
然后，用與第一實施例相同的方法對傳統基片進行磷離子注入和退火工藝。
結果，發現該基底材料或基片1具有氧濃度為1.2×1018個原子/cm3，如圖7所示，其與深度無關為常量。
測量結果表明，在退火工藝之前，該傳統基片具有如圖12中曲線A所示的磷分布。并且，在600℃的溫度下退火20秒后的傳統基片具有如圖12中曲線B所示的磷分布，以及在700℃的溫度下退火20秒后的傳統基片具有如圖12中曲線C所示的磷分布，這兩條曲線與圖12中的曲線A差別較大。
這意味著，在對比實例中，所摻雜的磷的濃度和截面分布的變化范圍相對較大。換句話說，在對比實例中，所摻雜的磷的濃度和截面分布的變化范圍較大。
在上述實施例中以磷和硼作為雜質離子。但是，不用說還可以在本發明中使用其他雜質。
雖然在上文中已說明了本發明的最佳實施例，但是應當知道對于本領域的專業技術人員來說還可以作出各種顯而易見的并不脫離本發明精神的變化。因此，本發明的范圍完全由權利要求所確定。
權利要求
1．一種硅基片，其特征在于，其中包括一單晶硅底層；一形成與所述底層上的單晶硅低氧濃度層；所述底層具有一第一氧濃度；所述低氧濃度層具有比所述第一氧濃度低的第二氧濃度。
2．如權利要求1所述的基片，其特征在于，所述低氧濃度層的第二氧濃度等于1×1017個原子/cm3或低于其。
3．如權利要求1所述的基片，其特征在于，所述低氧濃度層的厚度范圍為從5微米至20微米。
4．一種制造硅基片的方法，其特征在于，其中包括如下步驟(a)準備一塊具有平整正面的單晶硅基底材料；所述基底材料具有第一氧濃度；以及(b)在該基底材料的正面上生長一層單晶硅外延層，使得該外延層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。
5．如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述低氧濃度層的第二氧濃度等于1×1017個原子/cm3。
6．如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述低氧濃度層的厚度范圍為從5微米至20微米。
7．一種制造硅基片的方法，其特征在于，其中包括如下步驟(a)準備一塊具有平整正面的單晶硅基底材料；所述基底材料具有第一氧濃度；以及(b)對該基底材料進行熱處理，使存在與該基底材料中的氧通過該基底材料的正面向外擴散，從而在該基底材料中形成沿著該基底材料的正面形成一層低氧濃度層；所述其余基底材料作為具有第一氧濃度的單晶硅底層；所述低氧濃度層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。
8．如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述低氧濃度層的第二氧濃度等于1×1017個原子/cm3。
9．如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述低氧濃度層的厚度范圍為從5微米至20微米。
全文摘要
本發明提供一種能夠控制所導入的雜質的濃度和截面分布的單晶硅基片以及制造這種基片的方法。該硅基片由一單晶硅底層和一形成于該底層上的單晶硅低氧濃度層組成。該底層具有第一氧濃度,而低氧濃度層具有比第一氧濃度低的第二氧濃度。該方法包括在基片正面生長單晶硅外延層使其具有第二氧濃度,以及熱處理該基片以產生氧外擴散形成低氧濃度層。
文檔編號C30B31/22GK1217563SQ98124480
公開日1999年5月26日 申請日期1998年11月11日 優先權日1997年11月11日
發明者渡邊匡人 申請人:日本電氣株式會社