快速退火處理對300mm硅片潔凈區(qū)和氧沉淀的影響.pdf

1、300mm大直徑硅片要求雙面拋光，以獲得滿足集成電路制造要求所需要的平整度。雙面拋光工藝的引入使得傳統(tǒng)外吸雜工藝面臨淘汰，內(nèi)吸雜工藝將成為300mm大直徑硅片制造中常用的吸雜工藝。 本文研究一種新型的內(nèi)吸雜工藝：利用快速退火(RapidThermalAnnealing)工藝處理拋光硅片，期望在硅片內(nèi)部獲得一種特殊的空位(Ⅴ)分布(表層濃度低，體內(nèi)濃度較高)，該分布將在后序的器件和電路退火工藝中影響硅片中氧沉淀的分布，在硅片內(nèi)形成

2、滿足器件制造工藝需要的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)。本文研究了RTA保護氣氛、恒溫溫度、恒溫時間、降溫速率等RTA參數(shù)對潔凈區(qū)和氧沉淀密度的影響，同時還利用XPS、AFM等手段研究RTA氣氛對硅片表面態(tài)的影響。 本文分別使用N2、N2/Ar混合氣、N2/O2混合氣體、N2/Ar/NH3混合氣作為RTA保護氣氛，研究氣氛對潔凈區(qū)和氧沉淀密度的影響。在本實驗條件下研究發(fā)現(xiàn)：N2/Ar/NH3混合氣氛處理的硅片效果最佳，經(jīng)過該氣氛處理的硅片在后序熱處理

3、中形成的潔凈區(qū)最薄、氧沉淀密度最高；N2氣氛下獲得的潔凈區(qū)較厚、氧沉淀密度較高；在N2/Ar混合氣氛RTA處理硅片，增加Ar比例導(dǎo)致潔凈區(qū)變厚、氧沉淀密度降低，而且Ar濃度超過30％時，在硅片內(nèi)不會形成氧沉淀；在O2濃度不超過2％的N2/O2混合氣氛RTA處理硅片時，其效果和N2氣氛相當(dāng)，當(dāng)比例超過2％時，RTA處理后的硅片內(nèi)部不會有氧沉淀的生成。 研究了RTA恒溫溫度、降溫速率、恒溫時間對潔凈區(qū)和氧沉淀密度的影響。發(fā)現(xiàn)延長RT

4、A恒溫時間可以降低潔凈區(qū)的厚度、增加氧沉淀的密度；提高恒溫溫度、增加降溫速率都可以在后序退火中導(dǎo)致氧沉淀密度的增加。 RTA恒溫階段，硅片內(nèi)點缺陷(空位和自間隙原子)通過熱平衡、擴散、表面注入等方式達到一定濃度。在降溫階段，自間隙原子的擴散速率較快，通過外擴散和Ⅴ-Ⅰ復(fù)合反應(yīng)迅速降低濃度，而空位的擴散速率較低，由于降溫速率很快，來不急外擴散被保留在硅片內(nèi)部。在RTA處理結(jié)束時，硅片內(nèi)部形成了特殊的空位分布(表層低、中間高)。這種

5、特殊空位分布，在后序退火處理時，空位促進氧沉淀成核，在體內(nèi)形成高密度的氧沉淀，表層空位密度低，成核受到抑制形成了潔凈區(qū)。 影響RTA處理后空位分布的主要參數(shù)為：RTA恒溫溫度、恒溫時間、降溫速率、保護氣氛。升高恒溫溫度、恒溫時間、降溫速率，都可以導(dǎo)致RTA結(jié)束后硅片內(nèi)部空位濃度的增加。 RTA氣氛主要改變硅片的界面態(tài)，不同的氣氛和硅片表面發(fā)生的反應(yīng)不同，不同類型點缺陷(空位或自間隙原子)在表面反應(yīng)中產(chǎn)生并向硅片內(nèi)部注入，

6、空位的注入會促進氧沉淀的生成，自間隙原子的注入會抑制氧沉淀的生成。N2和N2/Ar/NH3混合氣氛下RTA處理會有空位的注入，增加空位濃度；在N2/O2混合氣氛中O2的比例超過2％時，表面氧化會向硅片內(nèi)部注入自間隙原子；在N2/Ar氣氛RTA處理時，Ar作為惰性氣體減緩氮化速率，導(dǎo)致空位注入量減少。 通過XPS分析RTA處理后硅片表面化學(xué)成分的變化，研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過N2/Ar/NH3混合氣氛RTA處理的硅片，表面有20％左右的N元

7、素，進一步分析知道N元素以Si3N4的狀態(tài)存在；經(jīng)過N2氣氛RTA處理的硅片，表面僅有0.8％的N，而且XPS分析不能確定N元素的狀態(tài)。XPS的分析表明，在N2/Ar/NH3混合氣氛中處理硅片時，表面的氮化反應(yīng)更加強烈，這也可以從另一個角度來證明硅片的表面態(tài)對潔凈區(qū)和氧沉淀形成的影響。 利用AFM分析RTA處理后硅片表面微觀形貌的變化，研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過N2/Ar/NH3混合氣氛RTA處理的硅片，表面微粗糙度增加，而且出現(xiàn)了COP狀