快速熱處理對(duì)直拉單晶硅中氧沉淀和內(nèi)吸雜的影響.pdf

1、集成電路特征線寬的不斷減小對(duì)直拉(CZ)單晶硅片中的缺陷控制和內(nèi)吸雜技術(shù)提出了愈來愈高的要求。在這種情況下，基于氧沉淀的內(nèi)吸雜工藝在不斷地改進(jìn)。國際著名的硅片供應(yīng)商——美國的MEMC公司近年來提出的基于快速熱處理(RTP)的內(nèi)吸雜工藝，是一個(gè)有里程碑意義的突破。它不僅具有技術(shù)上的重要性，而且還引發(fā)了一個(gè)基本的科學(xué)問題，即：RTP對(duì)直拉硅片的氧沉淀是如何影響的。在這個(gè)問題上的研究盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是RTP對(duì)不同的直拉硅片及其在不

2、同的熱工藝過程中的氧沉淀行為的影響并沒有徹底弄清楚。本論文詳細(xì)地研究了不同種類的直拉硅片在各種條件下的RTP預(yù)處理和后續(xù)熱處理過程中的氧沉淀行為，以及基于RTP的內(nèi)吸雜工藝，獲得了如下有創(chuàng)新意義的結(jié)果： 研究了普通直拉硅片和摻氮直拉硅片在經(jīng)過高溫RTP預(yù)處理后，再經(jīng)過不同的低一高兩步熱處理后的氧沉淀行為。結(jié)果表明：(1)在CZ硅片中由RTP引入的空位在800℃時(shí)增強(qiáng)氧沉淀形核的作用最強(qiáng)，而在NCZ硅片中氮和由RTP引入的空位在8

3、00～1000℃溫度范圍內(nèi)可以發(fā)生協(xié)同作用，更強(qiáng)烈地促進(jìn)氧沉淀的形核。(2)在900℃以上，氮比空位有更強(qiáng)的促進(jìn)氧沉淀形核的能力，但有空位存在時(shí)，氮促進(jìn)氧沉淀形核的能力被進(jìn)一步增強(qiáng)。根據(jù)RTP對(duì)摻氮直拉硅片和普通直拉硅片的氧沉淀影響的不同，提出摻氮直拉硅片的基于RTP的內(nèi)吸雜工藝應(yīng)該有別于普通直拉硅片的，即：摻氮直拉硅片的工藝為在1250℃的RTP處理后，從800℃以1℃/min速率升溫至1000℃并保溫16小時(shí)；而普通直拉硅片的工藝則

4、為在1250℃的RTP處理后，再經(jīng)過800℃/4 h+1000℃/16 h兩步處理。 研究了N<,2>氣氛下的RTP預(yù)處理的溫度和降溫速率，對(duì)硅片經(jīng)低-高兩步退火后氧沉淀和潔凈區(qū)形成的影響，提出了直拉硅片的基于N<,2>氣氛下RTP的內(nèi)吸雜工藝。與Ar氣氛下的RTP相比，較低溫度的N<,2>氣氛下的RTP預(yù)處理就能使硅片在隨后的低一高兩步退火過程中形成高密度的氧沉淀。當(dāng)減小RTP的降溫速率時(shí)，在硅片近表面能形成潔凈區(qū)。在合適的降

5、溫速率下，RTP的溫度越低，硅片中形成的潔凈區(qū)寬度越大，但體微缺陷(BMD)密度越低。因此，選擇合適的RTP溫度和降溫速率，結(jié)合后續(xù)低-高兩步熱處理，就可以在硅片內(nèi)形成一定寬度的潔凈區(qū)和合適密度的BMD區(qū)。上述結(jié)果糾正了以前國際上普遍接受的“N<,2>氣氛下的RTP預(yù)處理不能用于直拉硅片的內(nèi)吸雜工藝”的觀點(diǎn)。 研究了在不同氣氛下兩步高溫RTP預(yù)處理對(duì)輕摻硼和重?fù)脚餋Z硅片在后續(xù)熱處理中氧沉淀和潔凈區(qū)形成的影響。對(duì)于輕摻硼硅片來說

6、，如果硅片先在Ar氣氛下進(jìn)行第一步RTP時(shí)，第二步RTP的氣氛決定了氧沉淀和潔凈區(qū)的形成； 如果在N<,2>或O<,2>氣氛下進(jìn)行第一步RTP，則第二步RTP無論在哪種氣氛下進(jìn)行，經(jīng)過后續(xù)低一高兩步熱處理后都能獲得潔凈區(qū)和高密度的BMD區(qū)，只是DZ寬度有所差異。對(duì)于重?fù)脚餋Z硅片來說，只經(jīng)過一步Ar氣氛下的RTP預(yù)處理后，再通過低一高兩步退火，硅片內(nèi)僅形成高密度的BMD區(qū)而不能形成潔凈區(qū)；而當(dāng)RTP預(yù)處理的氣氛變?yōu)镺<,2>時(shí)，

7、硅片內(nèi)的BMD密度則很低。折衷上述兩種情況，重?fù)脚餋Z硅片經(jīng)歷先在Ar氣氛緊接著在O<,2>氣氛下的高溫RTP預(yù)處理后，再通過低一高兩步熱處理，即可形成高密度的BMD區(qū)和一定寬度的潔凈區(qū)。研究了表面有氮化硅薄膜的直拉硅片經(jīng)歷高溫RTP后，在隨后的低一高兩步退火中BMD和潔凈區(qū)的形成情況。結(jié)果表明：與通常的硅片經(jīng)過1250℃的RTP預(yù)處理的情況相比，有氮化硅薄膜的硅片經(jīng)過1200℃的RTP后，在隨后的低-高兩步熱處理中產(chǎn)生的氧沉淀量與前者

8、的相當(dāng)，并能形成一定寬度的潔凈區(qū)。初步認(rèn)為：在RTP過程中，氮化硅薄膜的硅．氮鍵發(fā)生斷裂，隨后氮原子從硅片表面向體內(nèi)擴(kuò)散。在空位和氮的共同作用下，硅片的氧沉淀被顯著地促進(jìn)。 研究了輕摻硼CZ硅片和重?fù)脚餋Z硅片經(jīng)過兩種氧沉淀形核熱處理，即：同在800℃的常規(guī)爐退火和RTP后，在1000℃熱處理時(shí)氧沉淀的情況。對(duì)于輕摻硼硅片而言，RTP處理1小時(shí)和常規(guī)熱處理4小時(shí)導(dǎo)致相當(dāng)?shù)难醭恋砹?，表明RTP的光輻照促進(jìn)了氧沉淀的形核過程，這可能

9、與氧擴(kuò)散被增強(qiáng)有關(guān)。對(duì)于重?fù)脚餋Z硅片而言，RTP與常規(guī)爐退火相比，前者不僅促進(jìn)了氧沉淀的形核，而且使后續(xù)高溫?zé)崽幚硇纬傻难醭恋砑捌湔T生缺陷在硅片截面上的分布情況發(fā)生了改變，與常規(guī)爐退火導(dǎo)致的BMD在硅片截面上均勻分布的情況不同，它具體表現(xiàn)為：在硅片的近表面區(qū)域形成了大量的氧沉淀、位錯(cuò)環(huán)以及尺寸較大的層錯(cuò)，而在體內(nèi)區(qū)域形成的是大量的氧沉淀以及少量的層錯(cuò)和伴生位錯(cuò)環(huán)的大尺寸氧沉淀。 研究了CZ硅中的氧沉淀在RTP和常規(guī)爐退火過程中

10、的消融以及在后續(xù)常規(guī)爐退火過程中的氧沉淀的再生長(zhǎng)。結(jié)果表明：從間隙氧濃度升高的角度來看，RTP在短時(shí)間內(nèi)消融氧沉淀的效果可以與長(zhǎng)時(shí)間的常規(guī)爐退火的相比擬；另一方面，氧沉淀經(jīng)兩種熱處理方式消融后再生長(zhǎng)的情況也有所不同，具體表現(xiàn)為：經(jīng)RTP消融處理后，由于小的氧沉淀未被完全消融，在氧沉淀再生長(zhǎng)退火過程中，未消融的小的氧沉淀和較大的氧沉淀能夠同時(shí)長(zhǎng)大，因而BMD密度顯著增加；而經(jīng)常規(guī)爐退火消融處理后，小的氧沉淀被完全消融，體內(nèi)殘留較大的氧沉淀