冯琰[1]2008年在《直拉硅单晶中氧沉淀的熟化》文中研究表明氧是直拉硅单晶中最重要的非故意掺入的杂质,与此相关的氧沉淀一直是硅材料的重要研究课题。在某一温度下,氧沉淀在达到平衡状态后会出现所谓的“熟化现象”。到目前为止,对这一现象的研究还不够系统深入。此外,掺氮对直拉硅氧沉淀熟化的影响还有待揭示。本论文在借助傅立叶红外光谱(FTIR)和择优腐蚀结合光学显微术的基础上,利用扫描红外显微术(SIRM)对掺氮和普通直拉硅片经低温和高温两步退火的氧沉淀的熟化现象进行了对比研究,得到如下主要结果:研究了普通直拉(CZ)硅单晶和掺氮直拉(NCZ)硅单晶经800℃/8 h和1000℃/X h(X=4、8、16、32、64、128、256)两步热处理后的氧沉淀行为。结果表明:CZ硅单晶在1000℃热处理64 h后出现氧沉淀的熟化,而NCZ硅单晶中氧沉淀的熟化则在1000℃热处理32 h后即可发生,这表明氮加速了直拉硅单晶中氧沉淀的熟化过程。这是由于氮的引入提供了氧沉淀的异质形核中心,使得NCZ硅单晶在低温热处理时形成的氧沉淀核心显着增多,因而在高温热处理时氧沉淀在较短的时间内即可达到平衡状态而进入熟化过程。SIRM明确地显示氧沉淀进入熟化过程后,小尺寸的氧沉淀被消融而大尺寸氧沉淀进一步长大并诱生出二次缺陷。氧沉淀与基体间的界面能的降低被认为是氧沉淀熟化过程的驱动力。研究了普通的和掺氮的重掺砷直拉硅单晶经650℃/8 h和1000℃/X h(X=4、8、16、32、64、128、256)两步热处理后的氧沉淀行为。研究表明,与普通重掺砷直拉硅单晶相比,掺氮的重掺砷直拉硅单晶中的氧沉淀密度显着增加而尺寸减小;并且氧沉淀的熟化提前16小时发生。此外,掺氮的重掺砷直拉硅单晶中的氧沉淀的尺寸分布更加均匀。分析认为,在650℃热处理时,掺氮的重掺砷直拉硅单晶中会形成氮氧复合体,它们作为氧沉淀的异质形核中心使氧沉淀核心的密度增加,因而加速了后续1000℃热处理时的氧沉淀及其熟化过程。
黄笑容, 杨德仁, 沈益军, 王飞尧, 马向阳[2]2004年在《重掺杂直拉硅单晶氧沉淀及其诱生二次缺陷》文中研究指明研究了重掺杂直拉硅单晶中掺杂元素硼、磷、砷、锑对氧沉淀及其诱生二次缺陷行为的影响 .实验结果表明 :重掺p型 (硼 )硅片氧沉淀被促进 ,氧沉淀密度高但无诱生二次缺陷 ;重掺n型 (磷、砷、锑 )硅片氧沉淀受抑制 ,氧沉淀密度低却诱生出层错 ;不同掺杂元素及浓度对重掺n型硅片氧沉淀抑制程度不同 ,并对氧沉淀诱生层错的形态产生影响 .讨论了重掺硅单晶中掺杂元素影响氧沉淀及其诱生二次缺陷的机理 ,并利用掺杂元素 本征点缺陷作用模型和原子半径效应模型对实验结果进行了解释 .
黄笑容[3]2004年在《重掺杂直拉硅单晶氧沉淀及其诱生缺陷研究》文中指出氧是直拉硅单晶中最重要的杂质之一，利用氧沉淀及其诱生缺陷作为器件制造过程中有害金属杂质沾污吸除的氧内吸杂工艺在轻掺硅单晶中得以广泛而深入地研究。近年来，不断发展的CMOS工艺普遍采用重掺硅片衬底／外延层结构并与氧内吸杂工艺结合以制备无闩锁的超大规模集成电路，因而，重掺硅片中氧内吸杂行为备受研究者关注。已有研究表明：重掺锑硅单晶氧沉淀受抑制而重掺硼硅单晶氧沉淀被促进，即重掺硅单晶表现出与轻掺硅单晶不同的氧沉淀行为。但由于重掺硅中氧浓度定量测试受到方法限制，重掺硅单晶氧沉淀及其诱生缺陷至今未得到全面而深入地研究。 本文利用工业界普遍用于测量钢样氧浓度的RO-416测氧仪对重掺硅单晶氧浓度进行了GFA方法测量，应用GFA方法并结合FTIR方法测量轻掺硅单晶氧浓度以作为标定曲线，保证了GFA测量重掺硅单晶氧浓度的可靠性和测量结果的可换算，使GFA方法在重掺硅单晶氧浓度的定量测试上得到了很好的应用，而且测量方法不受重掺杂浓度限制。在此基础上，通过化学择优腐蚀显微观察对重掺硅片热处理过程中氧沉淀及其诱生缺陷进行研究，并首次对RTP方法在N型重掺(P、As、Sb)硅片内吸杂工艺中的应用进行了系统研究，取得创新性结果，得出如下主要结论： 1．应用GFA方法测量并选取了一组具有氧浓度分布的各类重掺硅片，全面研究了重掺元素硼(B)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)对重掺硅片低高温两步退火氧沉淀及其诱生缺陷影响，实验结果表明：(1)不同类型重掺元素对氧沉淀有完全不同的影响：P型重掺B促进氧沉淀，氧沉淀及其诱生缺陷密度高；N型重掺P、AS、Sb抑制氧沉淀，氧沉淀及其诱生缺陷密度低；(2)N型重掺不同元素对氧沉淀抑制程度不同，在掺杂浓度及初始氧浓度相近条件下，重掺As较重掺P表现出更强的抑制作用；(3)N型重掺元素影响氧沉淀诱生缺陷形态，重掺P、Sb表现为层错，重掺AS表现为位错环。由于重掺杂影响硅中氧沉淀临界形核半径，以及存在于重掺硅单晶的自由电子效应和掺杂元素—本征点缺陷作用，使P型重掺和N型重掺对氧沉淀有着不同的影响；同时由于重掺杂原子浙江大学硕士学位论文半径效应，使N型不同重掺元素对氧沉淀抑制程度不同，并影响氧沉淀诱生缺陷形态。2.采用不同低温形核条件，对低高温两步退火重掺As、Sb硅片氧沉淀及其诱生缺陷行为深入研究，指出:(l)重掺sb原子对氧沉淀的低温形核有抑制作用，而对氧沉淀的高温长大不产生影响，氧沉淀诱生缺陷形态与轻掺P硅片表现相同，均为层错;重掺As原子不仅对氧沉淀的低温形核有抑制作用，同时还影响氧沉淀的高温长大，使氧沉淀诱生缺陷形态不同于轻掺硅片，氧沉淀诱生缺陷为位错环;(2)低温形核条件对重掺硅片氧沉淀及其诱生缺陷行为有很大影响，慢速线性升温退火由于能使低温氧沉淀核心的形成与长大同时进行，相对于等温退火而言，显着地促进了后续高温氧沉淀形成，氧沉淀诱生缺陷密度增高。3，本文对RTP方法应用于重掺N型(P、As、Sb)硅片氧的内吸杂作了研究，指出:(1) RTP方法可以成功地应用于重掺N型硅片氧的内吸杂:经高温RTP预处理并结合后续退火处理，重掺N型硅片表面形成有效的洁净区，体内形成氧沉淀及其诱生缺陷;(2)为了使重掺N型硅片体内形成合理密度的体缺陷富集区，硅片在RTP方法预处理后仍需结合低高温两步退火，低温氧沉淀形核预处理是必不可少的步骤。
朱伟江[4]2010年在《重掺锑直拉硅单晶的氧沉淀行为》文中认为重掺锑直拉硅片最早被用做外延硅片的衬底,至今仍然是主要的衬底材料之一。外延硅片的内吸杂能力取决于衬底硅片的氧沉淀,因此研究重掺锑直拉硅单晶的氧沉淀行为具有重要的实际意义。虽然已有研究表明重掺锑直拉硅单晶中的氧沉淀受到抑制,但对其氧沉淀行为的理解远没有象轻掺直拉硅单晶的那样深入。本论文利用二次离子质谱(SIMS),扫描红外显微术(SIRM)和择优腐蚀结合光学显微术等手段进一步研究了重掺锑直拉硅片在不同热处理情况下的氧沉淀行为,得到如下主要结果:对比研究了轻掺磷直拉硅片和不同初始氧浓度的重掺锑直拉硅片经低温和高温两步退火的氧沉淀行为。研究发现:(1)与轻掺磷硅片相比,高氧浓度的重掺锑硅片在低温短时间退火时氧沉淀形核受到显着的抑制;(2)在650℃长时间退火时重掺锑硅片的氧沉淀形核几乎不受抑制,而在450℃或750℃长时间退火时,重掺锑硅片中氧沉淀形核仍然受到抑制;(3)对于低氧浓度的重掺锑硅片而言,在450-750℃退火时,不论时间长短,氧沉淀形核始终受到抑制。我们认为重掺锑硅片在650℃退火时会形成Sb-V-O复合体,它们作为前驱体促进了氧沉淀的形核;在450℃退火时Sb-V-O复合体浓度太低,在750℃退火时Sb-V-O复合体不能稳定存在,因而在这两种情况下的氧沉淀形核都受到抑制。低氧浓度的重掺锑硅片由于氧过饱和度太低,因而不利于氧沉淀的形核。研究了重掺锑直拉硅片中原生氧沉淀的形成过程。结果表明:原生氧沉淀可能是在晶体生长结束后冷却至800～650℃这一过程中形成的,其尺寸主要介于600℃和700℃对应的氧沉淀临界形核半径之间。研究了快速热处理(RTP)对重掺锑直拉硅片氧沉淀的影响。结果表明:RTP预处理能明显促进氧沉淀,在450-800℃的促进作用主要是由于增加了作为异质形核中心的Sb-V-O复合体的浓度,而在1000℃的促进的作用主要是由于增加了作为异质形核中心的VO_2复合体的浓度。
符黎明[5]2008年在《快速热处理对直拉单晶硅中氧沉淀和内吸杂的影响》文中进行了进一步梳理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。国际着名的硅片供应商——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—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—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—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—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,硅片的氧沉淀被显着地促进。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密度显着增加;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,但氧沉淀尺寸显着增大。
奚光平[6]2008年在《普通和掺氮的重掺砷直拉硅单晶的氧沉淀行为》文中认为重掺砷直拉硅片被广泛地用于外延硅片的衬底,而外延硅片的内吸杂能力取决于衬底硅片的氧沉淀,因此研究重掺砷直拉硅片的氧沉淀行为具有重要的实际意义。到目前为止,关于重掺砷直拉硅片的氧沉淀的研究还很少报道。在直拉硅单晶中重掺砷会引起晶格应力并对影响点缺陷浓度,因而重掺砷直拉硅片的氧沉淀行为与轻掺直拉硅片的会有所差异。本文利用扫描红外显微术以及择优腐蚀结合光学显微术研究了普通和掺氮的重掺砷直拉硅单晶的氧沉淀行为,得到了如下结果:对比研究了普通和掺氮的重掺砷直拉硅单晶中的原生氧沉淀的长大行为,发现掺氮的重掺砷直拉硅单晶中的原生氧沉淀比普通重掺砷直拉硅单晶中的密度更高而且尺寸更大,初步认为这是由于前者可以在更高的温度下形成而且被氮杂质与空位和氧形成的复合体所促进,因而形成的原生氧沉淀的密度更高且有更长的时间长大。研究了高温快速热处理(RTP)对重掺砷直拉硅片中的原生氧沉淀的消融作用。结果表明,重掺砷直拉硅片中的原生氧沉淀经叁次1200℃/60s的RTP可被有效地消除。通过对比研究重掺砷直拉硅片和轻掺N型直拉硅片经过低温(450—800℃)和高温(1000℃)两步退火的氧沉淀行为,阐明了低温退火对重掺掺砷直拉硅片的氧沉淀形核的作用。研究指出:重掺砷硅片在450℃和650℃退火时的氧沉淀形核比在800℃退火时更显着,这与轻掺硅片的情况截然相反;此外,与轻掺硅片相比,重掺砷硅片在450℃和650℃退火时氧沉淀的形核得到增强,而在800℃退火时氧沉淀的形核受到抑制。我们认为重掺砷硅片在450℃和650℃退火时会形成砷—空位—氧(As-V-O)复合体,它们促进了氧沉淀的形核;而在800℃退火时As-V-O复合体不能稳定的存在而缺少氧沉淀形核的前驱体,并且重掺砷会导致硅晶体中的晶格压应力,因此氧沉淀形核被显着地抑制。实验还表明,在重掺砷硅片中掺入氮杂质可以促进低温退火时的氧沉淀形核,这种促进作用在800℃退火时表现得更加明显,这与氮引入的异质形核中心有关。
徐进[7]2003年在《直拉硅单晶中氧沉淀及其诱生缺陷的透射电镜研究》文中进行了进一步梳理随着信息社会的不断发展，微电子工业对国民经济发展所起的作用越来越大。半导体硅材料是微电子产业的基础材料，也是信息技术产业的支柱材料，在国家的经济、国防和科技现代化进步方面起着举足轻重的作用。因此，研究硅材料中杂质和缺陷的相互作用，以及热处理时间、温度、气氛和应力对缺陷生成动力学和热力学的影响，对提高集成电路的产率，促进整个微电子产业的发展和进步有着重大而现实的意义。 本文主要通过透射电镜研究直拉硅(氩气氛下生长单晶样品、氮气氛下生长单晶样品、高压(10~9pa)热处理单晶样品、重掺杂单晶样品、快速热处理单晶样品)中氧沉淀及其扩展缺陷的形态、密度和分布随热处理时间、温度、气氛和应力的关系，主要取得以下成果： 首先，本文系统地研究了高压(1GPa)对氧沉淀及其扩展缺陷形成的影响，探讨硅材料中微缺陷形成的微观机制。结果表明：1)在高压(10~9Pa)下经过450℃，10小时处理过的样品中有很高密度的球形极小直径氧沉淀稳定生成，表明高压可以在很大程度上改变氧沉淀的形态；2)四探针电阻仪测试表明，450℃，高压热处理可以促进热施主的生成和提高其生成速率，表明高压可以在很大程度上改变热施主的生成热力学和动力学。这在实验上表明，极小直径的氧沉淀与热施主生成有密切关系。但是，研究发现，650℃，大气压下热处理10分钟就可以完全消除所有样品中的热施主，这表明，高压和大气压下热处理样品中生成的热施主消除特性是一致的。并且，氮杂质对热施主的生成和消除没有显着的影响；3)研究发现，957℃，高压处理5小时的样品中生成了氧沉淀相关的位错，1130℃，高压处理5小时的样品中，有尺度为50nm的氧沉淀生成，表明高压有利于小直径氧沉淀的生成。本文通过分析高压产生的应力对点缺陷生成的影响，对高压热处理过程中产生高密度，小尺寸氧沉淀以及促进热施主的生成做了详细的解释。研究表明，施加在样品上的应力可以在很大程度上改变硅片体内自间隙硅原子和空位的浓度，从而大大影响直拉硅中微缺陷生成的热力学和动力学过程。 随后，本文研究了氮掺杂对直拉硅中缺陷生成的影响。研究表明：1)氮掺杂可以改变原生氧沉淀的形态，透射电镜研究表明，在原生样品中有高密度的粒径只有5nm的多边形原生氧沉淀生成；2)氮掺杂可以在高温和低温过程中促进氧沉淀的生成；3)氮杂质可以影响硅样品中氧化诱生层错的热力学和动力学过程，研究发现，NCZ样品中，随着热氧化时间的增长，层错的尺寸不断减小，而在CZ中，随着热氧化的进行，层错尺寸随着热氧化时间的增长而增加。 最后，本文通过透射电镜系统地研究了在重掺硼样品和轻掺硼样品中，快速热处理工艺对氧沉淀和随后的扩展缺陷生成的影响。研究发现：1)在经历过RTP预处理的重掺硼样品中，有高密度的氧沉淀和层错产生，但是没有经历过RTP快速热处理的重掺硼样品中，只有位错产生。而对普通的轻掺样品来说，经历过RTP快速热处理的样品中有位错产生，但是在未经历RTP预处理的样品中，有氧沉淀相关位错产生；2)研究发现，只有在轻掺杂且经历高温RTP预处理的样品中才有洁净区生成，而在其它样品中，则没有洁净区生成。这表明，高浓度的硼掺杂原子对氧沉淀的促进作用，以及RTP预处理过程中空位体浓度的增加是导致不同缺陷产生的主要原因。
田达晰[8]2009年在《直拉单晶硅的晶体生长及缺陷研究》文中研究说明单晶硅是微电子工业的基础材料,广泛用于集成电路和功率半导体器件的制造,成为当今信息社会的基石。在可预见的将来,它仍将在信息社会中发挥极其重要的作用。随着集成电路特征线宽的不断减小,对直拉单晶硅片提出了“大直径、无缺陷”的要求。目前,300mm的直拉硅片已经成为集成电路的主流材料。为了使集成电路的有源区无缺陷及增强硅片的内吸杂能力,包括浙江大学硅材料国家重点实验室在内的国内外研究机构提出了在直拉硅中掺氮的新技术途径。开发300mm掺氮直拉单晶硅和研究其杂质和缺陷的性质,无疑具有重要的实际意义,可以为提供高质量的集成电路用硅片打下坚实的基础。同时,开发极低电阻率的重掺N型直拉硅单晶、研究掺氮对改善重掺N型硅单晶性能的作用,对于开发高性能的功率半导体器件具有重要的现实意义。本文重点研究了300mm掺氮直拉硅单晶的晶体生长、原生氧沉淀、内吸杂以及原生缺陷在热处理工艺中的演变;同时,研究了极低电阻率的普通和掺氮的重掺砷和重掺磷直拉硅单晶的晶体生长、氧沉淀以及它们在器件中的应用情况。本文在以下方面取得创新性的结果:1.在设计合理热场和优化晶体生长工艺参数(包括:拉速、晶转、埚转、埚位、保护气体流量和工作气压等)的基础上,采用具有我国自主知识产权的氮含量可控的气相掺氮技术,在国内首次成功地生长出300mm掺氮直拉硅单晶。2.研究了300mm掺氮直拉硅片的原生氧沉淀的形成规律。采取从低温(600℃～1000℃)开始缓慢升温至高温(1150℃)并保温若干时间的方法,使得直拉硅片中大于起始温度对应的氧沉淀临界尺寸的那一部分原生氧沉淀得以长大,研究了300mm掺氮直拉硅片的原生氧沉淀的径向分布。研究表明:氧沉淀异常区域(称为P区)的原生氧沉淀密度显着高于空位型缺陷区域(称为V区);此外,V区中的原生氧沉淀的尺寸分布是不连续的,表现为高温下形成的大尺寸原生氧沉淀和低温下形成的小尺寸氧沉淀,而P区中的原生氧沉淀的尺寸分布则是连续的,并阐述了其形成机制。3.研究了300mm掺氮直拉硅片的空洞型缺陷的消除技术。通过研究硅片流动图形花样缺陷(FPD)的密度随高温热处理演变的情况,揭示了空洞型缺陷在高温下的消除情况。研究表明:在常规热退火处理时,在氩气保护气氛下1200℃处理4h可以显着地消除空洞型缺陷。在快速热处理(RTP)时,Ar保护气氛下1200℃热处理30s并以50℃/s的速率降温时能显着消除空洞型缺陷。4.研究了300mm掺氮直拉硅片的基于缓慢升温(Ramping)退火的新型内吸杂工艺。即:从低温(800℃及以下的温度)缓慢升温至高温(1050℃及以上),并在该温度下保温,一方面使硅片体内的原生氧沉淀长大而形成高密度的BMD,另一方面使近表面区域的氧沉淀在高温下消融而形成洁净区。SIRM以及择优腐蚀结合光学显微镜观察都表明:经过适当的Ramping退火,NCZ硅片可以形成洁净区和BMD区,从而具有内吸杂功能。研究还表明:在相同的高温处理条件下,起始温度越低,BMD密度越高而洁净区宽度越小;而在起始温度相同时,终点温度越高,BMD密度越低而洁净区宽度越大。此外,在一定的高温处理条件下,若起始温度太低,将导致洁净区不能形成。与常规的基于高-低-高叁步热处理的内吸杂工艺相比,上述基于Ramping退火的内吸杂工艺具有热预算低的优点。5.研究和开发了极低电阻率的普通和掺氮的重掺砷和重掺磷直拉单晶硅的晶体生长技术。为解决重掺磷和重掺砷面临的掺杂剂严重挥发、组分过冷和生长界面翻转困难等因素对晶体生长造成严重障碍这一问题,设计了特定的热场和掺杂工具,获得3项国家发明专利。在此基础上,通过优化晶体生长工艺,成功生长出晶体头部电阻率分别不超过0.003Ω.cm和0.0015Ω.cm的极低电阻率的重掺砷和重掺磷直拉单晶硅,并实现了大规模生产,取得显着的经济和社会效益。同时,还研究了掺氮对重掺磷和重掺砷直拉单晶硅氧沉淀的影响,表明掺氮可显着增强这两种重掺N型单晶硅的氧沉淀。利用这一特点,开发了具有高内吸杂能力的以掺氮的重掺磷或重掺砷硅片为衬底的硅外延片。试验表明,该种外延片用于制造MOSFET功率器件时,可显着减小漏电流。
董鹏[9]2015年在《直拉硅中氧相关缺陷的研究》文中指出在直拉硅单晶生长过程中,氧不可避免地被引入至硅单晶中,其浓度一般在(5-10)×1017 cm-3。位于硅晶格间隙位的氧原子可以与空位或其它杂质原子结合,形成空位-氧复合体,或者形成具有电活性的杂质-氧复合体,如：氮-氧复合体,对硅单晶的电学性能产生不利的影响。在器件制造过程中,间隙氧原子会聚集形成氧沉淀。硅片体内的氧沉淀可以作为集成电路制造过程中不可避免的金属沾污的吸除中心,从而提高集成电路的成品率。然而,位于硅片近表面的氧沉淀则会导致器件漏电流的增加。因此,深入研究直拉硅中氧相关缺陷的性质,对于提高硅片和器件的性能具有重要的意义。本论文主要研究了直拉硅片中的原生氧沉淀、高浓度的锗掺杂或氮掺杂对直拉硅中氧相关复合体、氧沉淀及其内吸杂能力的影响以及氧沉淀对载流子输运的影响及机制。通过上述研究,加深了对直拉硅中氧、空位、氮或锗原子之间的相互作用以及氧沉淀的认识。本文取得如下创新结果：(1)研究了300 mm.直拉硅片径向上原生氧沉淀的分布及其与铜沉淀之间的关系。结果表明：原生氧沉淀的密度沿硅片径向从中心到边缘逐渐降低；而棒状铜沉淀密度的分布情况与原生氧沉淀的相似,即：棒状铜沉淀与原生氧沉淀两者的密度呈正相关。这是由于原生氧沉淀作为铜沉淀的异质形核中心所致。因此,通过铜缀饰的方法可以间接地显示直拉硅片中原生氧沉淀的分布情况。(2)研究了1020 cm-3量级的锗掺杂对直拉硅中空位-氧复合体的形成及氧沉淀的影响。研究发现：当没有经过预先的高温快速热处理(RTP)时,锗掺杂抑制了直拉硅在低-高两步热处理中的氧沉淀,这可归因于1020 cm-3量级的锗掺杂在硅晶格中引入了较显着的压应力,导致了氧沉淀临界形核半径的增大；但是,当经过1250℃的RTP预处理后,锗掺杂则促进了直拉硅在随后的低-高两步热处理中的氧沉淀。进一步的研究表明：1020 cm-3量级的锗掺杂促进了RTP过程中空位-氧复合体(VOm)的形成。VOm复合体浓度的升高,不仅降低了氧沉淀的临界形核半径,而且提供了更多的氧沉淀异质形核中心,由此促进了直拉硅中的氧沉淀。(3)对比研究了直拉Si1-xGex和直拉硅晶体在高温RTP过程中空位-氧复合体的形成。结果表明：高温RTP预处理对直拉Si1-xGex在随后的低-高两步热处理中氧沉淀的促进作用明显弱于直拉硅的情形,这表明直拉Si1-xGex中空位-氧(VOm)复合体的形成受到了抑制。通过金扩散与深能级瞬态谱测试相结合的方法,进一步证实了这一结论。另外,实验还证实直拉Si1-xGex在650-1000℃温度范围内的氧扩散系数比直拉硅的小一些；而基于密度泛函理论的计算结果表明：在直拉Si1-xGex中空位倾向于在锗的第一近邻位产生,而氧向空位的扩散不利于系统能量的降低。由于以上所述的两个不利因素,直拉Si1-xGex中VOm复合体的形成受到了抑制。(4)利用深能级瞬态谱研究了掺氮直拉硅中的氮-氧复合体。发现了氮-氧复合体的一个新能级,它位于Ec-84 meV,深于以前报道的氮-氧复合体浅施主能级(Ec-(34～37) meV)。该氮-氧复合体在热稳定性上与浅施主氮-氧复合体相似,即在800℃及以上温度退火就可以被消除。目前认为上述能级位于Ec-84meV的氮-氧复合体可能是由“氮对”与氧原子的相互作用而形成。(5)研究了氮掺杂对n/n+硅外延片中的重掺砷直拉硅衬底的氧沉淀及其内吸杂的影响。通过在氮气下的高温RTP预处理,在n/n+硅外延片的重掺砷直拉硅衬底中实现了氮掺杂。在650℃/16 h+1000℃/16 h的两步热处理过程中,由于氮原子与空位的共同作用,在重掺砷直拉硅衬底中形成了高密度的氧沉淀,显着地提高了n/n+硅外延片对金属沾污的内吸杂能力。(6)研究了直拉硅中的氧沉淀对载流子输运的影响。结果表明：随着氧沉淀的生成,直拉硅中的载流子迁移率逐渐下降而载流子浓度几乎保持不变。但是,当氧沉淀被铜或者铁杂质充分地缀饰后,载流子的迁移率得到恢复；与此同时,氧沉淀与硅基体之间的界面态密度也显着降低。根据以上实验结果推测：氧沉淀与硅基体之间的界面上存在着电荷,它们导致了额外的载流子散射,使得载流子迁移率降低。
王维燕[10]2009年在《直拉单晶硅中铜沉淀及其复合活性》文中指出在硅片和器件制造过程中,作为过渡族金属之一的铜(Cu)有可能会沾污硅片。由于在硅中具有快扩散速率及固溶度随温度急剧下降等特性,Cu很容易在硅片热处理的冷却过程中形成沉淀,从而对器件的性能及可靠性带来不利影响。因此,硅中Cu沉淀行为一直是硅材料界关注的问题。经过五十余年系统深入的研究,人们已揭示了晶体硅中Cu沉淀的热力学和动力学性质,阐明了热处理条件、硅片导电类型、位错和层错等缺陷对Cu沉淀行为的影响。然而,关于点缺陷(自间隙硅原子和空位)、杂质(如:氮、磷、砷、锑和硼)和氧沉淀等因素对Cu沉淀行为的影响到目前为止还没有形成系统的认识。本文系统研究了点缺陷、氧沉淀、氮杂质和高浓度掺杂剂(磷、砷、锑和硼)对直拉(CZ)单晶硅中Cu沉淀及其复合活性的影响,得到以下主要结果:(1)研究了自间隙硅(Si_i)原子对n型CZ单晶硅中Cu沉淀行为的影响。受Cu沾污的硅片经1000℃退火并以30℃/s冷却后,在未故意引入Si_i原子的样品中,Cu沉淀表现为100nm的球状;而经热氧化预处理引入一定量的Si_i原子后,Cu沉淀表现为大量尺寸为10-20nm的球状Cu沉淀聚集在位错上或其周围,形成所谓的“团聚状Cu沉淀”。热氧化注入的Si_i原子的浓度从硅片表面向体内逐渐降低,而Si_i原子和间隙Cu(Cu_i)原子间存在排斥作用,这导致大量Cu_i原子优先分布在硅片体内。在冷却过程中,一部分过饱和的Cu_i原子在硅片体内发生沉淀,在此过程中释放出大量Si_i原子,它们在硅片体内的某些区域聚集形成位错。剩余的Cu_i原子择优在位错上形核长大,形成团聚状Cu沉淀。而对于未额外引入Si_i原子的硅片,Cu_i原子均匀分布在体内,Cu沉淀以均质形核长大的机制进行,形成了表面能最小的球状Cu沉淀。(2)研究了空位对n型CZ单晶硅中Cu沉淀行为的影响。受Cu沾污的硅片经1000℃退火并以30℃/s冷却后,在未故意引入空位的样品中,Cu沉淀表现为100nm的球状;而在经高温快速热处理(RTP)引入一定量空位的样品中,大量10-20nm的球状Cu沉淀聚集在位错上或其周围,形成团聚状Cu沉淀。高温RTP引入的空位的浓度从硅片体内到表面逐渐降低,由于空位能显着促进Cu沉淀,因而在硅片体内的一部分过饱和Cu_i原子在空位的促进作用下发生沉淀,并释放出大量Si_i原子。随后的过程如(1)中阐述的那样,最终形成团聚状Cu沉淀。(3)研究了点缺陷对p型CZ单晶硅中Cu沉淀复合活性和Cu相关深能级的影响。发现空位通过增加Cu沉淀的少数载流子俘获截面而增强了Cu沉淀的复合活性;自间隙硅原子降低了Cu沉淀的密度而削弱Cu沉淀的复合活性。此外,研究发现空位或自间隙硅原子能与Cu_i原子形成复合体,导致硅中出现新的Cu相关深能级,它们位于:E_v+0.35eV或E_v+0.32eV,其电子态都呈局域化。(4)比较研究了Cu在p型CZ和掺氮直拉(NCZ)单晶硅中的沉淀行为和复合活性。受Cu沾污的硅片经Ar气氛下1000℃退火并以30℃/s冷却后,在CZ硅中形成了100nm的球状Cu沉淀;而在NCZ硅中Cu沉淀表现为大量10-30nm球状沉淀聚集在位错上或其周围的团聚状。进一步的研究表明,对于在不同气氛(Ar,N_2,和O_2)下经800-1100℃退火并以30℃/s冷却形成的Cu沉淀,在NCZ硅片中的复合活性都要明显弱于在CZ硅片中的。上述现象是由于NCZ硅中存在相对较大的原生氧沉淀,它们影响了Cu沉淀行为,进而导致Cu沉淀复合活性的改变。(5)研究了重掺磷(P)、砷(As)和锑(Sb)直拉单晶硅中的Cu沉淀行为。受Cu沾污的硅片经1000℃退火并以30℃/s冷却后,在重掺P样品中Cu沉淀表现为尺寸约为80nm的球状;而在重掺As/Sb样品中大量尺寸约为20nm的球状沉淀聚集在位错上或其周围,形成团聚状Cu沉淀。此外,重掺P和重掺As样品中的Cu沉淀行为随热处理温度(700-1000℃)或冷却速度(30℃/s-10℃/min)的变化规律有所不同。分析认为:由于P原子和As/Sb原子的共价半径分别小于和大于硅原子的共价半径,从而导致重掺P硅单晶的晶格应力为张应力,而重掺As/Sb硅单晶的晶格应力为压应力。上述晶格应力性质的不同导致Cu沉淀行为的差异。(6)研究了不同热处理条件下n/n~+(P,As,Sb)硅外延片的Cu沉淀行为。结果表明重掺n型硅片对Cu杂质具有明显的吸杂效果;并且,重掺Sb,As,P硅衬底对外延层所受Cu沾污的吸杂能力依次递增。(7)研究了重掺硼(B)直拉单晶硅中的Cu沉淀行为。受Cu沾污的重掺B和轻掺B硅片经1000℃退火并以30℃/s冷却后,在重掺B样品中大量尺寸约为10nm的球状沉淀聚集在位错上或其周围,形成团聚状Cu沉淀,这有别于轻掺B样品中形成的尺寸为100nm的球状Cu沉淀。上述差异归因于重掺B硅片中存在可以作为Cu沉淀异质形核中心的较大尺寸的原生氧沉淀。此外,实验发现对于重掺B硅片经1000℃退火并以30℃/s冷却形成的团聚状Cu沉淀,后续1000℃或更高温度退火能使其逐渐转变为颗粒状,但无法彻底消融。指出Cu沉淀的热稳定性与晶格张应力和原生氧沉淀有关。
参考文献：
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