快速热处理对直拉单晶硅中氧沉淀和内吸杂的影响

摘要

集成电路特征线宽的不断减小对直拉(CZ)单晶硅片中的缺陷控制和内吸杂技术提出了愈来愈高的要求。在这种情况下，基于氧沉淀的内吸杂工艺在不断地改进。国际著名的硅片供应商——美国的MEMC公司近年来提出的基于快速热处理(RTP)的内吸杂工艺，是一个有里程碑意义的突破。它不仅具有技术上的重要性，而且还引发了一个基本的科学问题，即：RTP对直拉硅片的氧沉淀是如何影响的。在这个问题上的研究尽管已经取得了很大的进展，但是RTP对不同的直拉硅片及其在不同的热工艺过程中的氧沉淀行为的影响并没有彻底弄清楚。本论文详细地研究了不同种类的直拉硅片在各种条件下的RTP预处理和后续热处理过程中的氧沉淀行为，以及基于RTP的内吸杂工艺，获得了如下有创新意义的结果： 研究了普通直拉硅片和掺氮直拉硅片在经过高温RTP预处理后，再经过不同的低一高两步热处理后的氧沉淀行为。结果表明：(1)在CZ硅片中由RTP引入的空位在800℃时增强氧沉淀形核的作用最强，而在NCZ硅片中氮和由RTP引入的空位在800～1000℃温度范围内可以发生协同作用，更强烈地促进氧沉淀的形核。(2)在900℃以上，氮比空位有更强的促进氧沉淀形核的能力，但有空位存在时，氮促进氧沉淀形核的能力被进一步增强。根据RTP对掺氮直拉硅片和普通直拉硅片的氧沉淀影响的不同，提出掺氮直拉硅片的基于RTP的内吸杂工艺应该有别于普通直拉硅片的，即：掺氮直拉硅片的工艺为在1250℃的RTP处理后，从800℃以1℃/min速率升温至1000℃并保温16小时；而普通直拉硅片的工艺则为在1250℃的RTP处理后，再经过800℃/4 h+1000℃/16 h两步处理。 研究了N<,2>气氛下的RTP预处理的温度和降温速率，对硅片经低-高两步退火后氧沉淀和洁净区形成的影响，提出了直拉硅片的基于N<,2>气氛下RTP的内吸杂工艺。与Ar气氛下的RTP相比，较低温度的N<,2>气氛下的RTP预处理就能使硅片在随后的低一高两步退火过程中形成高密度的氧沉淀。当减小RTP的降温速率时，在硅片近表面能形成洁净区。在合适的降温速率下，RTP的温度越低，硅片中形成的洁净区宽度越大，但体微缺陷(BMD)密度越低。因此，选择合适的RTP温度和降温速率，结合后续低-高两步热处理，就可以在硅片内形成一定宽度的洁净区和合适密度的BMD区。上述结果纠正了以前国际上普遍接受的“N<,2>气氛下的RTP预处理不能用于直拉硅片的内吸杂工艺”的观点。 研究了在不同气氛下两步高温RTP预处理对轻掺硼和重掺硼CZ硅片在后续热处理中氧沉淀和洁净区形成的影响。对于轻掺硼硅片来说，如果硅片先在Ar气氛下进行第一步RTP时，第二步RTP的气氛决定了氧沉淀和洁净区的形成； 如果在N<,2>或O<,2>气氛下进行第一步RTP，则第二步RTP无论在哪种气氛下进行，经过后续低一高两步热处理后都能获得洁净区和高密度的BMD区，只是DZ宽度有所差异。对于重掺硼CZ硅片来说，只经过一步Ar气氛下的RTP预处理后，再通过低一高两步退火，硅片内仅形成高密度的BMD区而不能形成洁净区；而当RTP预处理的气氛变为O<,2>时，硅片内的BMD密度则很低。折衷上述两种情况，重掺硼CZ硅片经历先在Ar气氛紧接着在O<,2>气氛下的高温RTP预处理后，再通过低一高两步热处理，即可形成高密度的BMD区和一定宽度的洁净区。研究了表面有氮化硅薄膜的直拉硅片经历高温RTP后，在随后的低一高两步退火中BMD和洁净区的形成情况。结果表明：与通常的硅片经过1250℃的RTP预处理的情况相比，有氮化硅薄膜的硅片经过1200℃的RTP后，在随后的低-高两步热处理中产生的氧沉淀量与前者的相当，并能形成一定宽度的洁净区。初步认为：在RTP过程中，氮化硅薄膜的硅．氮键发生断裂，随后氮原子从硅片表面向体内扩散。在空位和氮的共同作用下，硅片的氧沉淀被显著地促进。 研究了轻掺硼CZ硅片和重掺硼CZ硅片经过两种氧沉淀形核热处理，即：同在800℃的常规炉退火和RTP后，在1000℃热处理时氧沉淀的情况。对于轻掺硼硅片而言，RTP处理1小时和常规热处理4小时导致相当的氧沉淀量，表明RTP的光辐照促进了氧沉淀的形核过程，这可能与氧扩散被增强有关。对于重掺硼CZ硅片而言，RTP与常规炉退火相比，前者不仅促进了氧沉淀的形核，而且使后续高温热处理形成的氧沉淀及其诱生缺陷在硅片截面上的分布情况发生了改变，与常规炉退火导致的BMD在硅片截面上均匀分布的情况不同，它具体表现为：在硅片的近表面区域形成了大量的氧沉淀、位错环以及尺寸较大的层错，而在体内区域形成的是大量的氧沉淀以及少量的层错和伴生位错环的大尺寸氧沉淀。 研究了CZ硅中的氧沉淀在RTP和常规炉退火过程中的消融以及在后续常规炉退火过程中的氧沉淀的再生长。结果表明：从间隙氧浓度升高的角度来看，RTP在短时间内消融氧沉淀的效果可以与长时间的常规炉退火的相比拟；另一方面，氧沉淀经两种热处理方式消融后再生长的情况也有所不同，具体表现为：经RTP消融处理后，由于小的氧沉淀未被完全消融，在氧沉淀再生长退火过程中，未消融的小的氧沉淀和较大的氧沉淀能够同时长大，因而BMD密度显著增加；而经常规炉退火消融处理后，小的氧沉淀被完全消融，体内残留较大的氧沉淀，它们作为氧沉淀再生长的核心，所以经过氧沉淀再生长退火后，BMD密度基本不变，但氧沉淀尺寸显著增大。单晶硅

目录

文摘

英文文摘

第1章前言

第2章文献综述

§2.1引言

§2.2直拉(CZ)单晶硅中的氧

2.2.1硅中氧的引入

2.2.2硅中氧的基本性质

2.2.3硅中氧的测量

§2.3 CZ单晶硅中的氧沉淀

2.3.1氧沉淀的形核

2.3.2氧沉淀的长大

2.3.3氧沉淀的形态

2.3.4氧沉淀诱生缺陷

2.3.5影响氧沉淀形成的因素

2.3.6掺氮直拉(NCZ)单晶硅中的氧沉淀行为

2.3.7重掺硼(HB CZ)单晶硅中的氧沉淀行为

§2.4CZ单晶硅中的内吸杂(IG)

2.4.1 CZ硅片的IG类型

2.4.2 CZ硅片的IG工艺

2.4.3 NCZ硅片的IG工艺

2.4.4 HB CZ硅片的IG类型

§2.5快速热处理(RTP)

2.5.1 RTP的发展和应用

2.5.2 RTP在IG工艺中的应用

2.5.3 RTP对氧扩散的影响

第3章实验样品和实验设备

3.1实验样品

3.1.1轻掺CZ和NCZ硅样品

3.1.2 HB CZ硅样品

3.1.3硅样品制备

3.1.4硅片表面生长氮化硅和氧化硅薄膜

3.2样品制备和热处理设备

3.2.1常规热处理炉

3.2.2快速热处理炉(RTP)

3.3测试分析方法和设备

3.3.1缺陷腐蚀技术

3.3.2光学显微镜

3.3.3傅立叶红外光谱仪(FTIR)

3.3.4四探针测试仪

3.3.5透射电镜(TEM)

第4章NCZ硅片的基于RTP的IG工艺

§4.1引言

§4.2实验

§4.3 CZ和NCZ硅片中的氧沉淀行为

§4.3.1 CZ硅中氧沉淀的生长情况

§4.3.2 NCZ硅中氧沉淀生长情况

§4.4 RTP对NCZ硅片IG的影响

§4.4.1 RTP的温度对氧沉淀生成的影响

§4.4.2形核制度对经RTP预处理的硅片中氧沉淀的影响

§4.4.3 NCZ硅片的基于RTP的IG优化

§4.5本章小结

第5章CZ硅片的基于氮气氛下RTP的IG工艺

§5.1引言

§5.2实验

§5.3 RTP的温度和时间对氧沉淀的影响

§5.4 RTP的降温速率对氧沉淀及DZ生成的影响

§5.5 DZ的稳定性

§5.6本章小结

第6章两步RTP对CZ硅中氧沉淀和DZ的影响

§6.1引言

§6.2实验

§6.3单步RTP对CZ硅中氧沉淀和DZ的影响

§6.4不同气氛下的两步RTP对氧沉淀和DZ的影响

§6.5 HB CZ硅片基于RTP的IG工艺

6.5.1 Ar或O2气氛下的RTP对HB CZ硅中氧沉淀的影响

6.5.2Ar-O2组合气氛下的RTP对HB CZ硅片中氧沉淀和DZ的影响

6.5.3 DZ的稳定性

§6.6本章小结

第7章CZ硅片的基于氮化硅薄膜与RTP的IG工艺

§7.1引言

§7.2实验

§7.3 RTP过程中氮化硅薄膜对硅中氧沉淀的促进作用

§7.4 RTP过程中氮化硅薄膜促进硅中氧沉淀生成的机理

§7.5 CZ硅片的基于氮化硅薄膜与RTP的IG工艺

§7.6本章小结

第8章低温RTP退火对CZ硅中氧沉淀的影响

§8.1引言

§8.2实验

§8.3低温RTP形核对CZ硅中氧沉淀的影响

§8.3.1低温RTP形核对CZ硅中氧沉淀的促进作用

§8.3.2 RTP形核温度对CZ硅中氧沉淀的影响

§8.4低温RTP形核对HB CZ硅中氧沉淀的影响

§8.4.1低温RTP形核对HB CZ硅中氧沉淀的促进作用

§8.4.2低温RTP形核的HB CZ硅中BMD密度的V形分布

§8.5本章小结

第9章CZ硅中氧沉淀的高温消融和再生长研究

§9.1引言

§9.2实验

§9.3硅中氧沉淀的高温消融行为

9.3.1硅中氧沉淀在高温RTP中的消融行为

9.3.2硅中氧沉淀在高温常规炉退火中的消融行为

§9.4氧沉淀在高温消融后的再生长

9.4.1氧沉淀在RTP高温消融后的再生长

9.4.2氧沉淀在常规炉退火高温消融后的再生长

§9.5本章小结

第10章总结

参考文献

致谢

攻博期间发表的论文和获得的专利