[发明专利]制备单晶硅片表面完整层的新途径

说明书

本发明属于集成电路用半导体材料的制备技术。

直到现在人们还普遍认为，区熔单晶硅适用于功率器件和探测器，直拉单晶硅才适用于集成电路。因为区熔单晶硅难以获得硅片表面完整层。经查，未见区熔单晶硅片表面完整层制备的有关报导。

直拉单晶硅表面完整层的制备虽已多见报导，但由于直拉硅工艺具有辅助材料多，硅纯度低，不适于中子辐照嬗变掺杂，其硅片热处理时间较长等缺点。

为克服直拉单晶硅的不足，寻求集成电路用单晶硅材料的多种来源，本发明人利用中子辐照氢气氛下区熔生长单晶硅，经切磨、抛后再进行两步热处理，从而获得了单晶硅片表面完整层。（见照片1）。为集成电路用单晶硅材料提供了可能的新途径。

制备区熔（氢）硅单晶片表面完整层主要途径是：按照已有拉制<111>，<100>区熔单晶硅的方法，将国标一级多晶硅通过在氢气氛下一次区熔整形，二次成晶，其电阻率保持在500～1000欧姆·厘米范围。在成晶过程中可实行后冷（加后冷线圈）;或后热（单晶拉断后，不降功率保温5～30分钟）;或常规工艺。将拉好的单晶硅送去中子辐照。辐照的通量和时间以满足将电阻率由500～1000欧姆·厘米降至5～15欧姆·厘米为宜。由于硅中含有其天然分布均匀的同位素30Si，在中子辐照下经下述核反应：

可以获得分布均匀的³¹P。³¹P作为施主原子使电阻率降至5至15欧姆·厘米。其断面电阻率不均匀度＜5%。恰好满足集成电路用单晶硅的电学要求。可能由于一方面区熔（氢）单晶硅中存在大量的Si-H键，另一方面在中子嬗变掺杂时，晶格受到辐照损伤而产生晶格畸变。Si-H键断裂温度（300～550℃）又小于晶格畸变恢复温度（650°～850℃），所以在随后的热处理过程中，可能尚未恢复的晶格畸变区正好成为Si-H键断裂后氢沉淀的形核中心。由于形核中心多而弥散，使硅中的氢无法聚集长大成φ形氢致缺陷，而形成高度弥散的微缺陷-氢沉淀（10⁴～10⁵个/cm²）。氢沉淀的内吸除效应可使硅片表面形成50～150μm的表面完整层。

实验表明，经后冷或后热或常规氢气氛下区熔后，通过中子辐照嬗变掺杂，再经切、磨、抛后，将硅片在大气或氮气氛下先进行温度为200～500℃，保温时间为0.5～2小时的低温热处理后，再进行温度为700～900℃保温时间为0.5～4小时高温处理;或者先进行高温处理，再进行低温处理;或者先高温后低温再高温，温度为700～1000℃保温时间为0.5～2小时的第三次热处理，均能获得表面完整层。较好的方法是在大气下高温处理其温度为800～850℃，保温时间为1～2小时，再低温处理，温度为400～450℃保温时间为0.5～1小时。最佳方法是：在氢气氛下区熔拉断后，不降功率保持5～30分钟的后热处理，以提高硅片热处理后氢沉淀的密度。拉成的单晶硅经中子辐照后，切、磨、抛成硅片。先进行850℃，保温2小时的高温处理，降至常温后再进行450℃，保温30分钟的低温处理，即可获得较理想的表面完整层。