大規(guī)模集成電路用同族元素?fù)诫s直拉硅單晶的微缺陷及其缺陷工程.pdf

1、超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展對硅單晶材料提出了愈來愈嚴(yán)格的要求，控制和消除直拉硅中的微缺陷是硅材料開發(fā)面臨的最關(guān)鍵的問題。隨著直拉硅單晶的大直徑化，硅中氧含量有所下降，而當(dāng)代集成電路以超淺結(jié)為特征，其制造工藝的熱預(yù)算顯著降低，這兩方面都不利于直拉硅中的氧沉淀，從而削弱了硅片的內(nèi)吸雜能力，使得傳統(tǒng)的內(nèi)吸雜工藝受到了挑戰(zhàn)。另一方面，在大直徑直拉硅中形成的空洞型缺陷(Void)若得不到有效的控制，將會(huì)影響金屬．氧化物．半導(dǎo)體(MOS)器件的柵極

2、氧化層完整性(GOI)，從而降低集成電路的成品率。利用共摻雜技術(shù)來調(diào)控硅中的微缺陷和增強(qiáng)硅片的內(nèi)吸雜能力是目前硅材料研究的熱點(diǎn)，開發(fā)新型共摻雜直拉硅單晶具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，是目前和今后國際硅材料界重要的研究領(lǐng)域之一。 本文在生長同族元素(鍺、碳)摻雜的新型直拉硅單晶的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了摻鍺直拉(GCZ)硅和高碳含量的直拉(H[C]CZ)硅中的氧沉淀行為以及Void產(chǎn)生和消除的規(guī)律，揭示了同族元素雜質(zhì)影響直拉硅中微缺陷

3、行為的機(jī)理；同時(shí)，研究了適用于這兩種新型直拉硅片的內(nèi)吸雜工藝，取得了如下所述的創(chuàng)新結(jié)果： (1)研究了微量鍺雜質(zhì)影響直拉硅中氧沉淀的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻鍺可以促進(jìn)原生氧沉淀的形成并在很寬的溫度范圍(650-1150℃)內(nèi)促進(jìn)后續(xù)退火過程中的氧沉淀。揭示了微量鍺雜質(zhì)影響直拉硅中氧沉淀的機(jī)理，指出GCZ硅中形成的Ge-V和Ge-V-O等鍺關(guān)復(fù)合體可以作為氧沉淀的異質(zhì)形核核心，從而促進(jìn)氧沉淀的形成。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)摻鍺能顯著降低直拉硅中氧沉淀的高溫

4、熱穩(wěn)定性，指出這是由于GCZ硅中形成了小尺寸的氧沉淀和片狀氧沉淀所致。 (2)研究了基于普通爐退火(CFA)和快速熱退火(RTA)處理的適用于GCZ硅片的內(nèi)吸雜工藝。發(fā)現(xiàn)摻鍺能促進(jìn)直拉硅片在高-低-高三步退火過程中的氧沉淀從而提高體微缺陷(BMD)密度并同時(shí)減小潔凈區(qū)(DZ)寬度。通過RrA預(yù)退火結(jié)合低．高兩步退火或高溫單步退火的熱處理工藝，在GCZ硅片中形成高密度的BMD和寬度合適的DZ，這有助于減小集成電路制作過程中內(nèi)吸雜工

5、藝的熱預(yù)算。同時(shí)，明確指出：通過上述兩種工藝形成的DZ中不存在微小氧沉淀，并且GCZ硅片體內(nèi)BMD區(qū)吸除金屬沾污的能力優(yōu)于普通直拉(CZ)硅片。 (3)研究了適用于H[C]CZ硅片的內(nèi)吸雜工藝及其氧沉淀規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高濃度碳雜質(zhì)可以在內(nèi)吸雜工藝過程中促進(jìn)硅中的氧沉淀。揭示了碳影響氧沉淀的機(jī)理，指明H[C]CZ硅中形成的C(3)中心和C-V等碳關(guān)復(fù)合體會(huì)促進(jìn)氧沉淀的生成。并且通過基于CFA和RTA處理的內(nèi)吸雜工藝在H[C]CZ硅片中形

6、成了沒有微小氧沉淀的DZ和具有比CZ硅片更高密度的BMD。該結(jié)果為H[C]CZ硅片在集成電路制造中的可能應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 (4)研究了微量鍺雜質(zhì)和高濃度碳雜質(zhì)對直拉硅中Void形成的影響。與CZ硅片相比，GCZ硅片中形成了更高密度的小尺寸Void和更低密度的大尺寸Void，而H[C]CZ硅片中具有更低密度的大尺寸Void，指出這是由于在晶體生長冷卻過程中Void形成之前，鍺和碳雜質(zhì)與空位形成復(fù)合體從而降低了硅中空位濃度，使得Void

7、形成溫度降低所致。此外，微量鍺雜質(zhì)或高濃度碳雜質(zhì)的引入都可以降低Void的高溫?zé)岱€(wěn)定性，這有助于消除硅片近表面區(qū)域中的Void，從而提高M(jìn)OS器件的GOI。 (5)研究了微量鍺雜質(zhì)對直拉硅片機(jī)械性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻鍺有利于在硅中形成高密度的小尺寸氧沉淀，它們可以釘扎位錯(cuò)從而抑制位錯(cuò)攀移，并由此降低硅片在器件制造過程中的彎曲度和翹曲度，這有利于提高集成電路制造的成品率。 (6)根據(jù)第一性原理計(jì)算，指出直拉硅中的同族元素(鍺、