直拉單晶硅的晶體生長及缺陷研究.pdf

1、單晶硅是微電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料，廣泛用于集成電路和功率半導(dǎo)體器件的制造，成為當(dāng)今信息社會的基石。在可預(yù)見的將來，它仍將在信息社會中發(fā)揮極其重要的作用。隨著集成電路特征線寬的不斷減小，對直拉單晶硅片提出了“大直徑、無缺陷”的要求。目前，300 mm的直拉硅片已經(jīng)成為集成電路的主流材料。為了使集成電路的有源區(qū)無缺陷及增強(qiáng)硅片的內(nèi)吸雜能力，包括浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出了在直拉硅中摻氮的新技術(shù)途徑。開發(fā)300mm摻氮直

2、拉單晶硅和研究其雜質(zhì)和缺陷的性質(zhì)，無疑具有重要的實(shí)際意義，可以為提供高質(zhì)量的集成電路用硅片打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，開發(fā)極低電阻率的重?fù)絅型直拉硅單晶、研究摻氮對改善重?fù)絅型硅單晶性能的作用，對于開發(fā)高性能的功率半導(dǎo)體器件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文重點(diǎn)研究了300mm摻氮直拉硅單晶的晶體生長、原生氧沉淀、內(nèi)吸雜以及原生缺陷在熱處理工藝中的演變；同時(shí)，研究了極低電阻率的普通和摻氮的重?fù)缴楹椭負(fù)搅字崩鑶尉У木w生長、氧沉淀以及它

3、們在器件中的應(yīng)用情況。本文在以下方面取得創(chuàng)新性的結(jié)果：
　　 1.在設(shè)計(jì)合理熱場和優(yōu)化晶體生長工藝參數(shù)(包括：拉速、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)、堝位、保護(hù)氣體流量和工作氣壓等)的基礎(chǔ)上，采用具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的氮含量可控的氣相摻氮技術(shù)，在國內(nèi)首次成功地生長出300mm摻氮直拉硅單晶。
　　 2.研究了300mm摻氮直拉硅片的原生氧沉淀的形成規(guī)律。采取從低溫(600℃～1000℃)開始緩慢升溫至高溫(1150℃)并保溫若干時(shí)間的方法，使

4、得直拉硅片中大于起始溫度對應(yīng)的氧沉淀臨界尺寸的那一部分原生氧沉淀得以長大，研究了300mm摻氮直拉硅片的原生氧沉淀的徑向分布。研究表明：氧沉淀異常區(qū)域(稱為P區(qū))的原生氧沉淀密度顯著高于空位型缺陷區(qū)域(稱為V區(qū))；此外，V區(qū)中的原生氧沉淀的尺寸分布是不連續(xù)的，表現(xiàn)為高溫下形成的大尺寸原生氧沉淀和低溫下形成的小尺寸氧沉淀，而P區(qū)中的原生氧沉淀的尺寸分布則是連續(xù)的，并闡述了其形成機(jī)制。
　　 3.研究了300mm摻氮直拉硅片的空洞型

5、缺陷的消除技術(shù)。通過研究硅片流動(dòng)圖形花樣缺陷(FPD)的密度隨高溫?zé)崽幚硌葑兊那闆r，揭示了空洞型缺陷在高溫下的消除情況。研究表明：在常規(guī)熱退火處理時(shí)，在氬氣保護(hù)氣氛下1200℃處理4h可以顯著地消除空洞型缺陷。在快速熱處理(RTP)時(shí)，Ar保護(hù)氣氛下1200℃熱處理30s并以50℃/s的速率降溫時(shí)能顯著消除空洞型缺陷。
　　 4.研究了300 mm摻氮直拉硅片的基于緩慢升溫(Ramping)退火的新型內(nèi)吸雜工藝。即：從低溫(80

6、0℃及以下的溫度)緩慢升溫至高溫(1050℃及以上)，并在該溫度下保溫，一方面使硅片體內(nèi)的原生氧沉淀長大而形成高密度的BMD，另一方面使近表面區(qū)域的氧沉淀在高溫下消融而形成潔凈區(qū)。SIRM以及擇優(yōu)腐蝕結(jié)合光學(xué)顯微鏡觀察都表明：經(jīng)過適當(dāng)?shù)腞amping退火，NCZ硅片可以形成潔凈區(qū)和BMD區(qū)，從而具有內(nèi)吸雜功能。研究還表明：在相同的高溫處理?xiàng)l件下，起始溫度越低，BMD密度越高而潔凈區(qū)寬度越??；而在起始溫度相同時(shí)，終點(diǎn)溫度越高，BMD密度越

7、低而潔凈區(qū)寬度越大。此外，在一定的高溫處理?xiàng)l件下，若起始溫度太低，將導(dǎo)致潔凈區(qū)不能形成。與常規(guī)的基于高-低-高三步熱處理的內(nèi)吸雜工藝相比，上述基于Ramping退火的內(nèi)吸雜工藝具有熱預(yù)算低的優(yōu)點(diǎn)。
　　 5.研究和開發(fā)了極低電阻率的普通和摻氮的重?fù)缴楹椭負(fù)搅字崩瓎尉Ч璧木w生長技術(shù)。為解決重?fù)搅缀椭負(fù)缴槊媾R的摻雜劑嚴(yán)重?fù)]發(fā)、組分過冷和生長界面翻轉(zhuǎn)困難等因素對晶體生長造成嚴(yán)重障礙這一問題，設(shè)計(jì)了特定的熱場和摻雜工具，獲得3項(xiàng)國家發(fā)

8、明專利。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化晶體生長工藝，成功生長出晶體頭部電阻率分別不超過0.003Ω.cm和O.0015Ω.cm的極低電阻率的重?fù)缴楹椭負(fù)搅字崩瓎尉Ч?，并?shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。同時(shí)，還研究了摻氮對重?fù)搅缀椭負(fù)缴橹崩瓎尉Ч柩醭恋淼挠绊?，表明摻氮可顯著增強(qiáng)這兩種重?fù)絅型單晶硅的氧沉淀。利用這一特點(diǎn)，開發(fā)了具有高內(nèi)吸雜能力的以摻氮的重?fù)搅谆蛑負(fù)缴楣杵瑸橐r底的硅外延片。試驗(yàn)表明，該種外延片用于制造MOSFET功率器件時(shí)