（凝聚态物理专业论文）氦诱生微孔对硅中低浓度杂质吸除的研究.pdf

摘要曲s t r a c t 氦诱生微孔对硅中低浓度杂质吸除的研究 凝聚态物理专业 研究生唐有青指导老师龚敏 半导体工艺中无意引入的金属杂质的污染会极大损害器件性能，为了将金 属杂质从器件的有源区吸除，吸杂技术被广泛的研究，器件尺寸的不断缩小和 新的金属化工艺的不断出现更需要能在低温有效吸除的技术。近年来一种新的 吸杂技术一氦微孔吸杂技术因其对金属杂质显著的吸除效果而备受关注。这种 方法是通过高剂量的氦离子注入硅中并低温热处理形成微孔对杂质进行吸除。 已有实验结果表明，微孔吸杂的效果优于磷吸杂或背面损伤吸杂作用。而过去 的工作多集中在从基础研究的角度研究氦微孔对有意掺入金属杂质的硅片的吸 除特性，对无意引入的低浓度金属杂质的器件吸杂效果的研究却非常少，这方 面的研究是氦微孔技术走向实际应用的必经之路。 本实验从漏电流的角度研究了氦微孔对无意引入的低杂质浓度金属的二极 管的吸杂效果，得出了氦微孔吸杂技术的优化的热处理工艺，证明了氦微孔对 金属杂质强大的吸除能力。实验重点研究双面抛光二极管，二极管由电阻率1 3 q c m ，厚度为3 0 0 pm ，( 1 1 1 ) 晶向的n 型直拉硅( c z ) 片制成，将硅平面 二极管背面注入能量1 0 0 k e y ，剂量l 1 0 ”c m 2 的h e + ，以未注入h e 十的二极管 作为其对比。通过这两类二极管在相同热处理条件下热处理前后二极管反向漏 电流密度，。值的变化情况的比较，考察氦微孔的吸杂情况。并与相同工艺条件 下单面抛光二极管的实验结果比较。本实验分两个阶段进行。 第一阶段，优化氦微孔吸杂热处理工艺的研究。首先，所有样品进行7 0 0 1 h r 的热处理以形成微孔。之后二极管分别进行退火温度7 0 0 6 h r 、8 0 0 。c 6 h r 、9 0 0 6 h r 和退火后快、慢降温方式下，。值的比较，结果表明吸除热处理 摘要曲s t r a c t 温度对于吸杂效果至关重要。氦微孔吸除热处理合适温度条件是8 0 0 ，冷却 条件是慢降温方式。第二阶段，氦微孔吸杂效果的研究。采用做有二极管的大 硅片在7 0 0 l h r + 8 0 0 。c 6 h r + 慢降温的热处理条件下对微孔吸杂的效率、均匀性 进行实验。氦微孔在双面抛光硅片上显示了很好的吸杂效率和均匀性，7 7 的注 氦微孔二极管经过热处理，。值从0 0 8 1 1 趔c m 2 降到了0 0 3 2 ，埘c m 2 以下； h e + 注入粗糙背面的二极管也有相当好的吸杂效果，但总体上要弱于抛光背面的 吸杂效果：且单、双面抛光片的l 值的最大降低幅度都达三个数量级，证明了 氦微孔强大的吸杂能力。 关键词：氦微孔吸杂热处理二极管漏电流 摘要a b s t r a c t s t u d y o n g e t t e r i n g o fl o wc o n t a m i n a t i o n b y h e l i u m - i m p l a n t a t i o n - - f o r m e d c a v i t i e si ns i l i c o n m a j o r ：c o n d e n s e d m a t t e r p h y s i c s s t u d e n t t a n gy o u q i n g a d v i s o r g o n g m i n m e t a l i m p u r i t i e su n i n t e n t i o n a l l y i n t r o d u c e di n t os iw a f e r sd u r i n gv a r i o u s d e v i c ep r o c e s ss t e p sa r ev e r yh a r m f u lt od e v i c ep e r f o r m a n c e s m a n yg e t f e f i n g t e c h n i q u e s h a v eb e e n w i d e l y s t u d i e dt oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m sb y r e m o v i n gm e t a l i m p u r i t i e s f r o mt h ea c t i v e r e g i o n o fad e v i c e r e d u c t i o ni nd e v i c es i z ea n d i n t r o d u c t i o no fn e wm o r a l i z a t i o n p r o c e s s e sr e q u i r e m o r ee f f i c i e n t g e r e r i n g t e c h n i q u e sw o r k i n ga t l o w e rt e m p e r a t u r e s r e c e n t l y , an e wg e t t e r i n gt e c h n i q u e ， w h i c hc a v i t i e sf o r m e db yh i g h - d o s eh e l i u m - i m p l a n t a t i o na n ds u b s e q u e n ta n n e a l i n g a tl o w e r t e m p e r a t u r e i s e f f i c i e n t l y a t g e t t e r i n g m e t a l i m p u r i t i e s ，h a s b e e n c o n c e n t r a t e d s o m e p r e v i o u se x p e r i m e n t sh a v e s h o w e dt h a tc a v i t i e sh a dm o r e e f f i c i e n tg e t t e r i n gt h a np - d i f f u s i o n ，m e c h a n i c a ld a m a g ea n di o ni m p l a n t a t i o n m o s t o fs t u d i e sa b o u tc a v i t i e s g e t t e r i n g a r ec o n c e n t r a t e do nt h ep e c u l i a r i t yo fc a v i t i e s g e t t e r i n gm e t a li m p u r i t i e si n t e n t i o n a l l yi n t o s i l i c o nw a f e rf r o mt h ev i e w p o i n to f b a s i c s t u d y t h i st e c h n i q u ee s p e c i a l l ya p p l i e d t ol o w c o n t a m i n a t i o n p r o c e s s ， h o w e v e lh a s n o tb e e n c a r e f u l l ys t u d i e d ，w h i e h s h o u l db e i m p o r t a n t t ot h e s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g i nt h i sw o r k , t h er e v e r s e dl e a k a g e c u r r e n to fs i l i c o np l a n a rd i o d ew a su s e dt o i n d i c a t et h em e t a l c o n t a m i n a t i o n a no p t i m i z a t i o no ft h e r m a lp r o c e s sw a so b t a i n e d ， w h i c hm a d et h ec a v i t i e sh a v et h eb e s tg e t t e r i n gp e r f o r m a n c ei nt h ee x p e r i m e n t s s o m eo ft h es i l i c o np l a n a rd i o d e sm a d eo nt h ed o u b l es i d e sp o l i s h e dw a f e rw e r e 3 摘要a b s t r a c t i m p l a n t e d w i t h1 10 1 7 c m 2h e + i o n so f10 0 k e ve n e r g ya n dt h eo t h e r sw i t h o u t i m p l a n t a t i o n w e r eu s e da sc o n t r o l s a m p l e s c a v i t y - g e t t e r i n g w a ss t u d i e d b y c o m p a r i n gv a r i e s o fr e v e r s e dl e a k a g e - c u r r e n t j r o fa b o v et w ok i n d so fd i o d e s b e f o r ea n da f t e rt h e r m a l p r o c e s s a l lo ft h es a m p l e sw e r ef i r s t l ya n n e a l e da t7 0 0 cl h rt of o r mc a v i t i e sb a n di n s i l i c o n t h es a m p l e st h a ta n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n tc o o l i n g w a y s ( f a s t o rs l o w ) ，s e p a r a t e l y , w a sc o m p a r e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a t t h et e m p e r a t u r ea n dt h ec o o l i n g - w a yo ft h eg e t t e r i n gp r o c e s sw e r ev e r yi m p o r t a n t f o rt h eg e t t e r i n ge f f i c i e n c y t h u s ，a l lo p t i m i z e dg e t t e r i n gp r o c e s so b t a i n e dw a s8 0 0 a n d f o l l o w i n gas l o wc o o l i n g t h ee f f i c i e n c ya n dt h eh o m o g e n e i t yo fc a v i t i e s g e t t e r i n gw e r ea n a l y z e db ym e a s u r i n g t h el e a k a g e c u r r e n tf o rt h ed i o d e si naw a f e r , w h i c hw a st h e r m a l l yt r e a t e da tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ，t h a ti s7 0 0 。c1 h r , t h e n8 0 0 c 6 h ra n ds l o w c o o l i n g d o w n t h er e s u l t so f t h e e x p e r i m e n t s w e r et h a t l e a k a g e - c u r r e n t s o ft h e7 7 d i o d e sh a v eo b v i o u s l yr e d u c e di nf o r mo 0 8 1 1 c m 2 t oav a l u es m a l l e rt h a no 0 3 2 倒c m 2 t h e r e f o r e ，t h eg e t t e r i n g e f f i c i e n c y a n dh o m o g e n e i t yh a sb e e nd e m o n s t r a t e do nd e v i c e s i tw a sa l s o c o n c l u d e dt h a t ，f r o mt h ee x p e r i m e n t s ，t h ec a v i t i e sb a n df o rg e t t e r i n go nt h ep o l i s h e d b a c k s i d eo ft h ew a f e rw a sm o r ee f f i c i e n tt h a nt h a to l lt h er o u g hs i d e 。t h r e eo r d e r s d e c r e a s i n g o ft h e l e a k a g e c u r r e n t v a l u eh a si n d i c a t e d s t r o n ga b i l i t y o fc a v i t y g e t t e r i n g k e yw o r d s = h e l i u m i m p l a n t a t i o n f o r m e dc a v i t y g e t t e r i n g t h e r m a l t r e a t m e n td i o d el e a k a g e c u r r e n t 4 引言 引言 自从1 9 4 9 年平面p n 结发明后，半导体硅工业的发展日新月异，半导体 器件各方面性能不断得到完善和提高，芯片的尺寸也不断缩小。器件尺寸的 缩小使器件对杂质和缺陷更加敏感，各种吸杂技术应运而生。从2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代早期，尽管人们对各项吸杂技术的各种物理性质、最优化工艺 条件等细节尚未掌握，但仍被应用于硅工业中并发挥着重要的作用。然而从 9 0 年代末以来，器件尺寸的进一步缩小，如a d m 公司最新推出的c p u 己采用 0 1 3 h f i 技术的生产工艺，因而现在半导体工业对硅中金属杂质含量的要求越 加苛刻，硅器件能容忍的金属杂质闽值含量急剧下降。而在硅器件生产工艺 中，热扩散、热氧化、离子注入、光刻等工序都不可避免的会引入杂质，其 中的过渡性金属杂质对器件的性能十分有害。它在禁带引入并在缺陷和位错 处淀积形成产生一复合中心。产生一复合中心会增大p n 结漏电流并减小少数载 流子寿命。会对器件造成增大p n 结的反向漏电流、造成p n 结的软击穿、增 大c c d 器件的暗电流、降低器件的小电流增益h 。增大器件的i f 燥声等后果， 严重影响器件的性能，降低产品的成品率。如何降低硅器件中的金属杂质含 量、对其中的杂质含量进行有效控制一直是人们研究的重点。因此不仅要求 现有的吸杂技术能找到可达到最佳吸杂效率的最优化工艺条件( 主要指各项 温度和时间条件) ，并催生新的杂质吸除技术的产生。目前广泛采用的是硅片 背面机械损伤吸杂，重掺杂磷吸杂，多晶硅吸杂，氧沉淀吸杂等。它们虽然 能有效的吸除f e 、c u 、n i 、a u 等金属杂质，但因各自工艺或吸杂效果等方面 的不足尚不能满足现代半导体工业水平的要求。微孔吸杂技术就是在此时被 提出并不断的研究的。 这种吸杂技术是通过高剂量离子注入h + 或h e + 并经热处理过程形成内表面 具有丰富悬挂键的微孔( v o i d ) 对金属杂质进行吸除的。目前关于微孔吸杂 的报道少见从器件角度且对微量金属杂质的吸除效果进行研究，而现在半导 体工艺中杂质吸除的重点就是对低浓度金属杂质的吸除。而从器件中杂质的 吸除效果的角度的研究是吸杂技术走向应用的必须一步，本实验将从二极管 引言 反向漏电流的角度，考察氦微孔对低浓度杂质的吸杂优化热处理工艺条件， 吸杂能力和均匀性方面进行研究。因此本工作的结果将对微孔吸杂技术在硅 器件、硅集成电路中的应用提供有益的参考。 第一章硅中杂质的吸除 第一章硅中杂质的吸除 1 1 吸杂技术概述 1 1 1 吸杂摄述 吸杂是减少硅片中金属杂质的一种行之有效的方法。吸杂技术就是在硅 片体内或背面人为的形成缺陷中心( 吸除中心) ，吸取表面有源区内的缺陷和 有害杂质，使表面器件区完美化。杂质吸除技术按其基本的物理原理可分为 r e l a x t i o n 吸杂和s e g r e g a t i o n 吸杂。 r e l a x t i o n 吸杂要求杂质在硅中是过饱和的，例如硅中的氧沉淀吸杂、在 远离器件区有意引入的异质结构吸杂。典型的情况就是硅片从高温的冷却的 过程中。杂质出现的过饱和现象。此时硅中可移动的和过饱和的杂质会在有 高浓度氧沉淀位置快速沉积，而在硅片的表面区( 器件区) 由于氧的耗尽， 几乎没有氧核存在，使杂质在此处沉积得很慢。沉积速率的不同使过饱和的 杂质从硅片表面吸除到体内吸杂区。 s e g r e g a t i o n 吸杂基于杂质在不同位置的固溶度不同，可将杂质溶解度低 的器件区的杂质吸除到杂质溶解度高的吸杂区内。s e g r e g a t i o n 吸杂有以下来 源：( 1 ) 硅生长时的分凝效应；( 2 ) 材料的不同，导致固溶度的不同；( 3 ) 硅中不同区域掺杂水平的不同，导致固溶度的不同；( 4 ) 存在能增加或减少 区域金属固溶度的张力。s e g r e g a t i o n 吸杂技术比r e l a x t i o n 吸杂技术的优越性 在于无需杂质的过饱和。因此从理论上讲，s e g r e g a t i o n 吸杂技术可在杂质得 很快得升温过程中，使器件区仍可保持低浓度水平，或使硅中杂质的低浓度 进一步降低。 吸除技术按其吸杂机构的引入方式的不同分为：内吸杂技术和外吸杂技 术。内吸杂技术是指仅仅依靠硅片本身的氧含量和退火方法实施吸除作用； 外吸杂技术是指依靠对硅片施加外部作用形成吸杂中心，产生吸除作用。【l 】 这类技术有金属膜淀积，溶解扩散，机械损伤，离子注入，激光损伤，s i 3 n 4 膜淀积，淀积多晶硅层、氯气氧化等【2 】。现在普遍认为内吸杂技术是一种 r e l a x t i o n 吸杂。而由于吸杂过程的物理机理非常复杂，通常一种吸杂技术很 难单一用r e l a x t i o n 或s e g r e g a t i o n 来确定。例如：离子注入产生的缺陷不仅能 第一章硅中杂质的吸除 改变注入区域的金属杂质的固溶度，产生的晶格缺陷还会作为r e l a x t i o n 吸杂 的杂质沉积位置。 对于吸杂工艺而言，最重要的参数是最优化的“p r o c e s s i n gw i n d o w ”。对 于r e l a x t i o n 吸杂，这是能使杂质过饱和，但仍能高效得移动到吸杂陷阱附近 的温度范围。对于s e g r e g a t i o n 吸杂，这是使杂质移动和吸杂中心吸杂效率最 强的温度范围。 1 1 ，2 硅中的主要杂质缺陷及其危害 有害杂质和缺陷对材料和器件有很大影响，了解缺陷和杂质的起因和危 害，从而进一步避免和减小其对器件的影响是半导体工艺中必须的工程： 金属杂质特别是过渡性金属杂质( f e 、n i 、c u 等) ，是半导体工艺线上最 为普通，也最为有害的杂质。过渡性金属杂质的有害性在于它们在硅中很高 的扩散速度和固溶度，特别是这些金属和它们的络和物在硅中极高的电活性。 它们通常会在单晶生长、离子注入、化学清洗、高温退火和氧化中被引入。 在材料中它们在硅中形成深能级，减小载流子寿命；产生金属杂质析出，影 响扩散分布，产生扩散管路。对器件性能的影响在于，增大反向偏置结的漏 电流，使器件寿命降低，造成“软”击穿，增大器件躁声、功率耗损、热产 生。为避免硅器件质量、产量的下降，半导体硅工业对生产线上金属杂质含 量有着严格的规定。如：现在半导体工业联合会( s i a ) 规定的f e 在硅器件 能接受的最大表面浓度为2 5 1 0 ”啪2 。 氧和碳作为杂质存在于初始的硅中，碳在拉单晶时被引入，氧在拉单晶 和氧化时被引入。它们通常在晶格中于晶核原子及半导体杂质形成络合物， 位错钉扎在这些位置上又进一步增加了形成其他缺陷的可能性，这些缺陷易 沉积金属杂质。对器件性能的影响在于，增大结漏电，降低载流子寿命。 半导体中还有位错和层错。位错主要由高浓度扩散时诱发的机械应力及 晶片在高温处理时的冷却雨引起的；而层错的起因是外延生长时的不完整性， 尤其是在外延层与衬底的界面处，硅中层错也可在氧化时产生。层错的主要 作用作为金属杂质的沉淀位置，杂质聚集在层错周围以释放晶格中的应力。 如果它们出现在器件位置，会增大结漏电，降低载流子寿命。 第一章硅中杂质的吸除 1 2 内吸除技术： 内吸除技术是利用c z 硅中的氧在高温下形成氧沉淀，造成的晶格缺陷 进行吸杂。内吸杂技术是一种r e l a x t i o n 吸杂。由于氧沉淀在体内形成，金属 杂质可以扩散很短的距离就达到氧沉淀处，大约仅1 0 2 0 1 a m 。因此它对杂质 的吸除是比较有效的。吸杂工艺的关键是对在体内产生微缺陷的热处理过程 的控制，一般分为三步退火步骤【3 】： ( 1 ) 硅片表面层吸净。将硅片加热到1 0 5 0 1 2 5 0 。c 之间，硅片表面层中 的氧分别向硅片外和硅片体内扩散，从而形成表面无氧区，称为吸净 区。 ( 2 ) 氧成核。在热过程条件下，氧在高能量的晶格位置( 如点缺陷、位错 处等) 产生氧成核。 ( 3 ) 氧析出及形成吸取中心。在器件的制造工艺温度范围，氧的成核位置 要发生氧析出，随之在这些氧析出部位产生晶格形变和位错，它们就 成为硅片体内的杂质吸取中心，使表面吸净区成为无缺陷、无有害杂 质区。 内吸除要求的热处理条件如表1 1 所示： 表1 - 1 内吸除要求的热处理条件“ 步骤过程温度时间( h r )环境气氛 第一步表面层吸净1 0 5 0 1 2 5 0 2 6n 2 、a r 或吼 第二步氧成核 5 5 0 8 0 0 2 6n 2 、a r 或0 2 第三步析出物生长9 0 0 1 2 5 0 依器件制造工艺而异n 。或0 ： 需要指出的是一些金属杂质经在氧沉淀吸除后并不稳定，往往在再次经 历超过7 0 0 * ( 2 8 0 0 的热过程会溶解，因此最后的冷却过程至关重要，缓慢 冷却过程有利于杂质的吸除。如果最后的吸除温度能以很慢的速度降至3 0 0 左右，可将一些快扩散的金属杂质( 如：f e 、n i 、c u 等) 吸除至很低的浓 第一章硅中杂质的吸除 度。 尽管内吸除技术己在硅工艺中被广泛应用，但其许多方面尚未被完全了 解。例如：过渡金属在氧沉淀处的结构非常复杂，可能因为硅片中初始的氧 浓度和生长方式的不同而有不同的形态。此外氧沉淀还会产生各种各样的缺 陷结构参与吸杂。 1 3 外吸除技术及相关模型： 半导体工业生产中通常对无意引入的金属杂质进行吸除，这些金属杂质 含量很低。因此各种外吸杂技术因对低浓度杂质良好的吸除效果而越来越受 到人们的关注。以下将介绍外吸杂的吸杂机理和各种外吸杂技术。 1 3 1 吸杂作用的物理效应： 目前，人们基本上认同关于吸杂作用的物理效应，认为吸杂作用必须有 以下的三个物理效应，这个吸杂过程用图卜l 表示： 器件区域吸杂区域 图卜1 包含释放、扩散、俘获的吸杂过程“ 1 、杂质的释放。金属杂质获得足够的能量从它的结合位置脱离出来。 2 、杂质的扩散。金属杂质从原来结合处扩散到吸杂区域。这个距离应该比杂 第一章硅中杂质的吸除 质的扩散长度短，以使杂质可以到达吸杂区域。杂质的扩散长度为2 ( 口f ) m 其中n 是杂质的扩散系数，f 是杂质的扩散时间【5 】。 3 、杂质的俘获。杂质进入吸杂陷阱( s i n k ) 中被俘获并固定。 132 吸杂的模型： 由于各种金属杂质与各个吸杂机构之间的结合方式非常复杂，虽然各种 外吸杂技术已实际应用于半导体器件的生产制造工艺中，但是其原理尚未被 人们完全理解，因此吸杂过程的理论模型尚没有统一的认识，目前常用以下 的理论模型解释吸杂过程： 一、增强金属固溶度模型”1 这个模型是用来解释溶解扩散吸杂的。如果在非有源区，故意引入的杂 质大大增强金属原子在此处的溶解度，有源区的金属原子通过扩散到吸杂区， 被大量的溶解而固定下来，达到吸杂的目的。增强扩散模型常用费米能级效 应( 电子相互作用) ，离子结对，化合物形成来解释。 费米效应认为如果硅中的杂质( 如p ) 的浓度大到影响了费米能级，那 么金属元素在硅中的溶解度会因此而改变【5 j 。以m o s 结构中常见的硼掺杂的 p p + 结构对f e 的吸除为例”1 ：p p + 结构是靠重掺杂的p 层的衬底增强金属杂质 固溶度的方式吸除外延p 层内的杂质。f e 在硅中的固溶度由以下三个形态的 溶解物在硅中的固溶度之和决定：中性的间隙态铁硭：间隙态铁离子层； 以受主的形式与像b 这样的掺杂原子结对f e b 。平衡时，硅中f e 的固溶度由 大量存在的霹的浓度决定，程的浓度只与温度有关，而不受掺杂( 费米) 水平的影响；而层、f e b 离子对在硅中的固溶度却由费米能级水平决定。在 重掺杂的p 层，由于费米能级的影响使e 、f e b 的固溶度增加，使一部分的 硭变成了离子态，p + 层的碟浓度降低，p 外延层中的碍就会扩散进入p + 层 以补充p 的损失，从而使外延层中的f e 的浓度下降，达到吸杂的目的。 离子结对模型认为离子的结对作用可能影响到金属杂质的溶解度口j 。离 子对的形成包括弹性作用力和库仑作用力。例如，在未掺杂硅中处于填隙位 置的原子f e 扩散到在硼掺杂的区域中与硼结对，处于替位晶格的位置，使这 第一章硅中杂质的吸除 些金属杂质固定，使低掺杂区的f e 扩散进来，相当于增加了这些金属的溶解 扩散。 化合物形成模型认为，金属原子和掺杂原子之间形成化合物会增强金属 原子的在硅中的溶解度。如：磷掺杂区对a u 的吸除作用，在硅中p 与a u 会 形成化合物a u 2 p 3 。 6 , 7 1 二、延伸缺陷模型 延伸的缺陷和位错作为金属杂质的陷阱来吸除金属杂质，这个现象可以 用杂质与位错的相互作用表示。点缺陷和位错之间相互作用能可能有三个来 源is 1 ：( 1 扩散的杂质原子和体品格原子之间尺寸的不同而产生的弹性作用： ( 2 ) 如果杂质原子作为一个小区域，有着不同于体晶格的弹性常数而产生的 弹性作用；( 3 ) 位错因为悬挂键而有像受主那样的电学作用。位错的形成是 由于杂质原子在扩散过程中产生的力的作用，这取决于杂质原子浓度和尺寸。 通常各种外吸杂技术都可以用延伸缺陷模型解释。如磷扩散吸杂、背面 损伤吸杂、氧沉淀导致的缺陷和位错吸杂、离子注入引入的缺陷和位错吸杂 等。 三、自间隙硅的吸杂模型 自间隙模型是针对以间隙替位方式扩散的金属，目前的研究主要集中于 在硅中以替位方式大量存在的a u 、p t 上。 自间隙硅的吸杂模型认为5 1 自间隙硅本身并没有吸除杂质的作用，但能 在吸杂过程中起到促媒作用，极大得推动吸杂过程进行，提高吸杂效果。这 是因为吸杂过程中存在一种“k i c k - o u t ”机制： m 。七i 专m l m 。、m 分别为以替位式和间隙式存在于硅中的某种金属杂质，为自间隙 硅。 因此自间隙硅的存在可使迁移率低而溶解度大的替位式金属原子转变为 高迁移率但溶解度较小的间隙式金属原子，从而使金属杂质被吸除在界面上 由位错、缺陷及一些氧的沉淀物等组成的吸杂区上。 第一章硅中杂质的吸除 金属原子的吸除是通过间隙型金属原子扩散通过硅片，达到吸杂中心附 近时被俘获吸除。而对替位型的金属原予由于其扩散系数比间隙型金属原子 小的多，所以其吸杂过程的关键一步是如何从平衡态替位的间隙，这个过程 会被自间隙硅原子的“k i c k o u t ”作用而极大的加强。沉积的金属原子通过 大量的这个作用进入间隙态。判断金属沉积是否随间隙硅原子的增加而溶解、 变小的一个标准是，在金属沉积位置与硅晶格相比较每单位体积硅原子的数 目。例如，过量的间隙硅原子使替位金属“k i c k o u t ”到间隙位置，金属沉 积减小，大量的间隙硅原子的消耗使金属沉积区的间隙硅原子数目比硅晶格 中的少。 对于硅的自间隙模型，很多人做了相关的研究。b r o n n e ra n dp l u m m e r 1 6 1 认为在高温段( 1 0 5 0 ) 间隙硅的平衡浓度很高，足以把大量替位态金属 “k i c k o u t ”到间隙态。而在低温段( 1 0 5 0 ) ，间隙硅平衡浓度低，需要吸 杂工艺能够提供大量的间隙硅，例如背面机械损伤、高浓度的p 产生晶格缺 陷、背面离子注入等吸杂工艺。 1 3 3 外吸杂技术介绍： 一、磷扩散吸杂： 磷扩散吸杂技术 3 1 是一种对替位型金属杂质( 如：p t 、a u 、z n ) 特别有 效的吸杂技术，它需要高浓度和厚的磷扩散层。磷吸除通常安排在发射区、 基区扩散以前于硅片背面进行，以p o c i ，作源，以8 0 0 的低温在背面扩散 4 0 m i n 左右。 目前认为磷的吸杂可能有三种机理的综合作用：( 1 ) 以延伸缺陷模型解释。 磷杂质原子的直径与硅不一样大小，将其扩散到硅片背面就引起失配位错， 形成吸杂中心，对于吸除重金属杂质较为有效【3 l ：( 2 ) 以增强金属固溶度解释。 在未掺杂硅中处于填隙位置的原子( 如c u 、f e 、a u ) ，扩散到在磷掺杂的区 域中与磷结对，处于替位晶格的位置，使这些金属杂质固定，相当于增加了 这些金属的溶解扩散【4 】：( 3 ) 以自间隙硅模型解释。磷扩散产生缺陷的同时 也产生了大量的自间隙硅，有助于吸杂过程的进行。 另外，磷吸杂实际上也汇合了r e l a x t i o n 吸杂和s e g r e g a t i o n 吸杂效应。对 第一章硅中杂质的吸除 于重磷区的过饱和金属杂质有r e l a x t j o n 吸杂效应，对将器件区的杂质吸除到 重磷区显然是s e g r e g a t i o n 吸杂。有类似吸杂作用的还有锑、硼、砷。 二、损伤吸杂： 硅片背面机械损伤吸杂1 3 j 是通过一定的机械加工，在硅片的背面的浅表 层中引入机械损伤，利用机械损伤和硅片在器件加工流程中的热处理所诱生 出的晶格缺陷，起杂质吸除中心的作用。在背面引入机械损伤的方式有喷砂、 机械砂粒打磨、激光诱发损伤、离子注入( 常采用心、0 2 、p 、b 、s i 、a s 这些原子直径比较大的原子以产生较多注入损伤) 。 对于单纯的机械损伤可用延伸缺陷模型解释。对于p 、b 、a s 等这类原 子的注入，除了会带来机械损伤外，引入的掺杂剂还会改变注入区域硅费米 能级水平，带来金属固溶度的变化。另外注入产生的自间隙硅原子的 “k i c k o u t ”作用还会辅助吸杂过程。同上，根据具体情况分析，也可能汇合 了r e l a x t i o n 吸杂和s e g r e g a t i o n 吸杂效应。而关于多种吸杂效果的综合作用 j s k a n g 。1 等人提出了他们的看法( 见：1 3 ) 。 三、掺氯气氧化吸除法【如： 这是一种结合在氧化工艺中进行的吸除方法。即在器件制造的氧化工艺 中，在氧化气氛中掺以含氯的化合物气体进行氧化，含氯气体可以是h c i 、 c 2 h c l 3 或c 2 h 3 c 1 3 ，掺入比例约o 2 。掺氯氧化的吸除作用是将硅片中产生 的堆垛层错吸入到硅片体内，另外可吸除重金属杂质使表面层少子寿命增长。 四、背面淀积层吸除法： 用化学汽相沉淀法1 3 】在硅片背面淀积s i 抖4 、磷硼硅玻璃、多晶硅、a l 2 0 3 等均可达到硅片背面吸除的效果。其中的多晶硅吸杂又称为增强吸杂，其吸 除效果最好。就是在硅片背面淀积一层不掺杂的多晶硅，在热处理过程中利 用多晶硅的品格高度无序和晶粒间界起吸杂作用。它对硅不引起自掺杂和沾 污。s i 3 n 4 淀积在硅片背面，因为与硅的热膨胀系数不一致，在背面引起人为 应力层，可起吸除作用，通常氮化硅的厚度取4 0 0 0 a t m 。由于淀积层有不同于 第一章硅中杂质的吸除 体硅晶格的弹性常数而产生的弹性作用引起的位错，可用延伸缺陷模型解释； 如果由于淀积层对金属杂质固溶度比体硅区的大，而产生的吸杂作用还可用 增强固溶度模型解释。 1 3 多种吸杂的综合模型 从前面的分析可以看出，一种吸杂技术往往是多种吸杂机构综合作用的 结果。就几种吸杂机构的综合作用的表达方式，j s k a n g l 5 1 等人提出用以下数 学表达式来表示硅中的一种吸杂机构和多种吸杂机构吸除杂质的作用。 任意金属杂质m 在本征硅或轻掺杂硅中的固溶度。可表示为： 啦x p ( _ 剥 其中。表示每单位体积硅原子的数量；玩，表示金属杂质m 在硅中的激活能 任意金属杂质1 - 1 1 在某种吸杂机构中的固溶度虬。可表示为： k 即x 一割 ：， 这种吸杂机构司以是离子注入吸杂、磷吸杂、晶格损伤吸杂等吸杂方式产生 的吸杂机构。 其中帆表示的是与吸杂过程相关的因子，它表征了吸杂的有效性；瓦。表示 金属杂质m 在吸杂机构n 中的激活能。 所以金属杂质m 在包含吸杂机构n 的硅中的固溶度表示为： ” k 蛐x p ( 一刳“e x 一 一剥 m s ， 金属杂质m 在吸杂机构和本征硅之间的隔离系数k 可以表示为： k ：堑 卅 小知 掣 第一章硅中杂质的吸除 小鼎唧 字 所以，多种吸杂机构对多种金属杂质的联合作用，可用公式表示为 置= 1 + 瓦i 智n e x p 兰k 竺t n s t 1 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其中匕，= e 。一以。 ( 1 - 5 ) 式表明，吸杂机构对金属杂质的吸除能力与该吸杂机构的吸杂能 力、杂质的激活能和温度有关。多种吸杂机构对多种金属杂质的联合作用的结 果可用合集的方式表示。不可否认，此模型忽视了多种吸杂机构之间的相互作 用可能会加强或减弱各自的吸杂效能。在3 7 3 将对此进行讨论。 参考文献 1 m i n6 a oe ta l ，a p p l p h y s l e t t ，7 2 ，2 5 4 4 ，1 9 9 9 2 h z i m m e r m a n na n dh r y s s e l ，a p p l p h y s a ，a 5 5 ，1 2 1 ，1 9 9 2 3 电子工业生产技术手册7 ( 半导体与集成电路卷) 硅器件与集成电路，国防工 业出版社，1 9 9 1 4 施敏，超大规模集成电路技术，科学出版社，1 9 8 7 5 j s k a n g ，d k d c h r o d e r ，j a p p l p h y s ，6 5 ，2 9 7 4 ，1 9 8 8 6 g b b r o n n e r ，j d p l u m m e r ，j a p p l p h y s ，6 1 ，5 2 8 6 ，1 9 8 7 7 e d w o l l e ya n dr s t i c k l e r ，j e l e c t r o c h e m s o c ，1 1 4 ，1 2 8 7 ，1 9 6 7 8 a a i s t r a t o v ，h h i e s l m a i r ，a n de r w e b e r ，m r sb u l l e t i n ，j u n e2 0 0 2 第二章硅中氨微孔的吸杂原理 第二章硅中氦微孔的吸杂原理 随着超大规模集成电路( v l s i ) 的蓬勃发展，对硅中的杂质含量有着越来 越苛刻的要求。现在常用的吸杂工艺中存在的一些不足之处突显出来：磷吸杂、 背面损伤吸杂与半导体工艺融合的不是很好；氧沉淀吸杂中对氧沉淀的分布不 易控制：掺氯氧化、多晶硅吸杂的吸杂效果不理想。因此半导体工艺技术水平 的发展不断的催生新的吸杂技术的产生，氦微孑l 吸杂技术是上世纪九十年代才 出现的，因为其强大的吸杂能力和对吸杂效能、吸杂位置的精确控制而越来越 受到人们关注，有报道指出微孔吸杂的效果优于比磷吸杂o 、背面损伤吸杂“1 。 其对杂质的吸除效果、过程、机理正在被各国的科技人员深入的研究之中，本 论文将对微孔吸杂技术在硅器件上的应用做进一步的研究。 2 1 氦微子l 吸杂基本原理 微孔吸杂是通过离子注入的方式向硅片背面中注入高剂量的h + 或h e + ，至 少经过3 0 0 以上的退火过程【2 4 】，使氢或氦在硅中聚结成气泡，随着热过程的 持续，气泡内的压强增大，使气体向外扩散逸出硅表面，在硅中形成微孔。经 过适当的热过程，微孔的内表面可吸附并固定表面有源区内的金属杂质，达到 改善材料和器件性能的目的。目前，关于微孔与杂质的结合方式有两种观点： 一种认为这种微孔的内表面有洁净且具有丰富的悬挂键，对金属杂质，甚至是 低浓度的金属杂质 4 1 都有很好的化学吸附作用；另一种认为微孔的内表面与金 属是形成三维的硅化物【3 7 l 。有实验表明微孔一旦在最初的热过程中形成，之后 甚至经历1 0 0 04 c 左右的高温仍是稳定的【3 1 。并有实验证明它比磷吸杂、背面晶 格损伤吸杂有着更好的吸杂效果b t 6 j 。 氦诱生微孔对各种金属杂质的吸除机理正在研究之中，尚无定论。而对于 a u 、p t 、z n 这类以替位间隙方式在硅中扩散的金属，作者认为微孔形成时产 生的自间隙硅会非常有助于吸杂过程的进行。由于主要受微孔形成情况的限制， 微孔在硅中的吸杂热过程一般温度较低( 1 0 0 04 c ) 。而在较低温度的情况下， 硅中通过热过程产生的间隙硅数量很少。离子注入过程会产生大量的自间隙硅 原子，它在硅中有很高的扩散系数和寿命【7 】，能将处于替位位置的a u 第二章硅中氮微孔的吸杂原理 “k i c k o u t ”到间隙位置，相当于图1 1 所示的金属原子从最初陷落的势阱中 逸出。a u 在硅中以间隙态和替位态存在，而间隙态的扩散系数比替位态的扩散 系数要大的多。被“k i c k o u t ”到间隙态的a u 可以很快的扩散到微孔带附近 被吸除。 本实验采用未有意掺入杂质的硅器件，不能明确的知道其中的金属杂质种 类。根据本实验的硅材料和工艺情况，本实验中对二极管j 。值产生主要作用的 金属杂质可能是f e 、n i 等。由于不同的金属杂质在硅中的结合类型不同，而且 自间隙模型对不同的金属原子有不同的针对性。如果间隙硅对上述金属原子都 有促媒作用，那么自间隙硅模型能从加强金属原子的扩散的角度解释氦微孑l 强 大的吸杂能力。但是微孔吸杂能力仍主要取决于“s i n k ”的浓度。因此本实验 中自间隙模型能解释的范围有待进一步研究。 另外有实验认为，氦微孔不仅能有效的吸除a u 2 6 1 、f e 8 1 、n i l 9 1 、c u 10 1 、c o 1 1 】 等金属杂质，还对硅中的氧f 】2 j 和自间隙硅原子”3 l 有吸杂作用。我们知道微孔要 有比杂质在硅中其它的结合方式( 如键合界面的吸杂作用) 有更强的与杂质的 结合能力，才能将杂质从硅中吸除到微孔中。即图i l 所示微孔与杂质结合的 能量状态比杂质的其它结合方式的能量状态要低的多。也就是说，微孔要比硅 中无意引入的其他吸奈方式有更强的吸杂能力，才会看到杂质吸除的效果。 2 2 氦微孑l 的形成 氦微孔的形成主要分为两个步骤：一、一定能量且高剂量h e + 注入到硅中 二、注入了h e + 的硅片经一定条件的热处理过程，使h e + 在硅中聚结、逸出， 在硅中形成氦微孔。 2 2 1 离子注入 一、离子注入过程： 离子注入是将所需的注入元素电离成正离子，并使其获得所需的能量，以 很快的速度射入固体材料( 称为靶) 的技术。圆体靶是出原子核和电子组成的。 当具有定初始能量的入射离子射入固体靶时，要与靶中的原子核或电子发生 碰撞称为电子阻止和核阻止。对于轻的入射离子，电子阻止是主要的；对于 第二章硅中氨徽孔的吸杂原理 重的入射离子，核阻止是主要的。在碰撞过程中把一部分能量传给靶原子核或 电子，入射离子所具有的能量减少，运动方向发生偏折。紧接着此入射离子又 与另外的靶原子核或电子发生碰撞因此，具有一定初始能量的入射离子射 到靶中后，将走过一个十分曲折的路径，同时不断损失能量，最后在靶中的某 一点停止下来。 一、离子注入的射程分布： 离子注入到无定型靶中的杂质为高斯分布： ! 兰二墅! ( x ) = n 。2 越。9 ( 2 一1 ) 其中夏为离子的平均投影射程。一个离子从进入靶到停止点所通过路程的总 长度成为射程：射程在入射方向上的投影长度称为投影射程；大量入射离子投 影射程的平均值称为平均投影射程。 a r p 为劫的标准偏差，表示动的涨落。 v 一为x = 劫处的杂质浓度( 即最大浓度) 。 = 了面d 姐4 南 ( 2