（材料物理与化学专业论文）直拉硅单晶的氧沉淀及内吸杂的研究.pdf

浙江大学博士论文直拉硅单品的氧沉淀及内吸杂的研究 摘要 直拉硅( c z ) 单晶广泛地用于集成电路的制造中，一个很重要的原因就是 它具有与氧沉淀及其诱生缺陷相关的内吸杂( i g ) 功能。在器件制造的过程中， 硅片中产生的氧沉淀及其诱生缺陷可以有效地清除硅片表面的有害金属杂质，从 而有利于提高器件的成品率。随着超大规模集成电路( u l s l ) 的特征线宽的不 断减小，直拉硅片的i g 变得愈加重要。本论文主要研究了不同的热处理步骤、 热处理条件以及氮杂质和中子辐照缺陷对直拉硅中的氧沉淀和i g 的影响，获得 了以下一些结果： 研究了低温( 3 0 0 7 5 0 0 c ) 预处理对直拉硅在后续低温或者低一高退火过程 中氧沉淀的影响，发现不同的低温预处理，尤其是低温阶段线性升温( r a m p i n g ) 对氧沉淀有很强的促进作用，认为在低温退火过程中形成了类氧分子( o z i ) ，它 是一种快速扩散物质，能够促进氧的扩散和氧沉淀的形核。在掺氮直拉( n c z ) 硅中，氮在低温下与氧形成的n z 0 。是氧沉淀的异质形核中心，并且0 2 。的存在 可能加快n 2 0 。的形成。在此基础上，提出了基于低温r a m p i n g 的i g 工艺，这 种工艺能够缩短热处理的时问，降低热预算。 研究表明低温r a m p i n g 预处理对硅片在低一高退火后形成的氧沉淀的形貌有 影响：在经过低温r a m p i n g 预处理的样品巾，氧沉淀密度高，尺寸较小，主要 是对称性较高的球形氧沉淀；而在没有经过低温r a m p i n g 预处理的样品中，氧 沉淀密度较低，尺寸较大，主要是片状的氧沉淀。 研究了热处理气氛( a r ，n 2 ，n 2 + s t e a m ，0 2 和0 2 + s t e 砌) 对直拉硅在常规高- 低一高三步退火1 g 工艺中氧沉淀的影响，发现不同的热处理气氛对硅中间隙氧原 子的外扩散没有明显的影响，但对体内的氧沉淀有显著的影响。在氧气或者水汽 气氛下，硅片表而的氧化会向硅片体内注入高浓度的自问隙硅原子，从而抑制氧 沉淀的形核和长大，因此硅片中氧沉淀密度较低，洁净区( d z ) 比较宽；而在 氮气氛下，硅片表面的氮化会向硅片体内注入高浓度的空位，促进氧沉淀的形核 和长大，并且氮原子的内扩散也会促进氧沉淀的生成，因此硅片中氧沉淀密度较 高，d z 较窄。 研究了n c z 硅巾的氧沉淀和常规高一低一高三步退火i g 工艺，发现经过高一 低一高三步退火后在n c z 硅片中形成m 型的氧沉淀分布。我们认为，氮在低温 下能够与氧结合生成n 2 0 。复合体，在高温下与氧、空位结合形成n 2 v 2 0 。复合 体，这两种复合体作为氧沉淀的异质核心可以促进氧沉淀，因此氮杂质在高一低一 高三步退火过程中会影响硅片中氧沉淀的分布；另外，氮原予在硅中的扩散速率 浙江大学博士论文 比氧原子更快，所以硅片近表面的氮浓度很低，不足以促进氧沉淀的形成。因此 n c z 硅片经过常规高一低一高i g 工艺可以形成完整的d z ，满足u l s i 的需要。 研究了c z 和n c z 硅片中基于快速热处理( r t p ) 的“魔幻洁净区”( m d z ) 的形成及其热稳定性。结果表明：通过r t p + l o h i 热处理可以在c z 和n c z 硅 片中形成m d z ，在r t p 及后续高温处理中硅片近表面的氧原子已经充分的外扩 散，因此这两种硅片中的m d z 在后续热处理中能够稳定存在；氮杂质不会影响 m d z 的形成，但对硅片中氧沉淀的分布有影响，这是因为硅片近表面区域的氮 原子在高温下充分地夕 扩散，浓度很低不会促进氧沉淀的产生，而在硅片体内的 氮原子与r t p 引入的空位结合形成n 2 v 2 ，抑制了空位的外扩散和与自间隙硅原 子的复合，使得r t p 处理后硅片中空位的浓度分布比较均匀，因此受空位浓度 分布控制的氧沉淀密度分布也比较均匀。 研究了中子辐照缺陷对直拉硅中热施主的影响，发现中子辐照缺陷会引入受 主能级，影响热施主在低温f t i r 光谱中的吸收峰，即在中子辐照硅的低温f t i r 光谱中出现了单电离态热施主的红外吸收峰。此外，中子辐照硅中的氧一空位缺 陷还可以作为核心促进热施主的生成，而热施主是氧沉淀在低温热处理中形成的 氧沉淀先驱体，因此中子辐照硅中的氧一空位缺陷可以促进氧沉淀核心的形成。 研究了中子辐照直拉硅中氧空位复合体对氧沉淀的影响。发现中子辐照引 入的空位型缺陷对氧沉淀的形核和长大都有促进作用，但对高温下氧原子的外扩 散却没有明显的影响。实验还观察到了中子辐照硅中氧沉淀的o s t w a l d 熟化现象， 且发现空位促进了热稳定性较差的片状氧沉淀的生成。在中子辐照n c z 硅中， 氮和空位都会促进氧沉淀的产生，其中氮对氧沉淀的促进作用主要表现在9 0 0 0 c 以上的高温阶段，而空位对氧沉淀的促进作用主要表现在7 0 0 1 0 0 0 0 c 的温度 段。 关键词：直拉硅，氧沉淀，内吸杂，快速热处理，中子辐照 浙江大学博士论文直拉硅单品的氧沉淀及内吸杂的研究 a b s t r a c t o n ep r i m a r y r e a s o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fc z o c h r a l s k i ( c z ) s i l i c o ni nt h e f a b r i c a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i t si st h a tc zs i l i c o np o s s e s s e si n t e r n a lg e t t e r i n g ( i g ) c a p a b i l i t yr e l a t e dt oo x y g e np r e c i p i t a t i o na n di t si n d u c e dd e f e c t s d u r i n gt h ep r o c e s s o fd e v i c ef a b r i c a t i o n ，t h eo x y g e np r e c i p i t a t e sa n dt h e i ri n d u c e ds e c o n d a r yd e f e c t si n t h eb u l ko fs i l i c o nw a f e rc a na c ta st h ee f f e c t i v eg e t t e r i n gs i t e sf o rt h eh e a v ym e t a l s t h e r e f o r e w i t ht h ee v e r - d e c r e a s i n gf e a t u r es i z eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ei g c a p a b i l i t y o fc zs i l i c o nw a f e ri si n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t f o r i m p r o v i n g t h e m a n u f a c t u r i n gy i e l do fu l t r a l a r g e s c a l ei n t e g r a t e d ( u l s i ) c i r c u i t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h ee f f e c t so f a n n e a l i n gs c h e m e s ，a n n e a l i n gc o n d i t i o n s ，n i t r o g e n d o p i n ga sw e l l a st h e n e u t r o n - i r r a d i a t i o no no x y g e np r e c i p i t a t i o na n di gi nc zs i l i c o nh a v e b e e n i n v e s t i g a t e d l i s t e db e l o wa r et h es i g n i f i c a n tr e s u l t so b t a i n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee f f e c t so fp r e - a n n e a l i n ga tl o wt e m p e r a t u r eo no x y g e np r e c i p i t a t i o ni nc z s i l i c o nd u r i n gt h es u b s e q u e n tl o wt e m p e r a t u r ea n n e a l i n go rl o - - h it w o - s t e pa n n e a l i n g h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h ep r e a n n e a l i n ga tl o wt e m p e r a t u r e ( 3 0 0 - 7 5 0 0 c ) ，e s p e c i a l l y t h e r a m p i n ga n n e a l i n gf r o m 3 0 0 0 ce x h i b i t e d s t r o n g e n h a n c e m e n to no x y g e np r e c i p i t a t i o n i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h em o l e c u l a ro x y g e n ( 0 2 i ) f o r m e da tl o wt e m p e r a t u r e si saf a s td i f f u s e r , w h i c hc a ne n h a n c et h ed i f f u s i o no f o x y g e na n dt h e r e f o r et h en u c l e a t i o no fo x y g e np r e c i p i t a t i o n i nn i t r o g e n d o p e dc z ( n c z ) s i l i c o n ，t h en i t r o g e nc a na l s oe n h a n c et h en u c l e a t i o no f o x y g e np r e c i p i t a t i o nb y c o m b i n i n g w i t ho x y g e na t o m st of o r mn 2 0 na tl o wt e m p e r a t u r e s ；f u r t h e r m o r e ，t h e0 2 i m i g h tf a c i l i t a t et h ef o r m a t i o no fn 2 0 a n o v e li gp r o c e s sb a s e do nr a m p i n ga n n e a l f r o mal o wt e m p e r a t u r eh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hc a nr e d u c et h ea n n e a l i n gt i m ea n d t h e r e f o r et h et h e r m a lb u d g e t i tw a sr e v e a l e dt h a tt h ep r i o rr a m p i n ga n n e a lf r o mal o wt e m p e r a t u r ec o u l da f f e c t t h em o r p h o l o g i e so fo x y g e np r e c i p i t a t eg e n e r a t e db yt h es u b s e q u e n tl o h it w o 。s t e p a n n e a l i n g i tw a sv e r i f i e dt h a tt h ep r i o rr a m p i n ga n n e a lc o u l d r e s u l ti nt h eg e n e r a t i o n o fs p h e r e l i k eo x y g e np r e c i p i t a t e sw i t hh i g hd e n s i t yb u ts m a l ls i z e ，w h i l em o s to ft h e o x y g e np r e c i p i t a t e si nt h es a m p l e sw i t h o u tt h ep r i o rr a m p i n ga n n e a lw e r eo fp l a t e l e t s i nl a r g es i z e t h ee f f e c to fa n n e a l i n ga t m o s p h e r eo no x y g e np r e c i p i t a t i o ni nc zs i l i c o n a b s t r a e t 浙江大学博十论文 s u b j e c t e dt ot h ec o n v e n t i o n a lh i l o h it h r e e s t e pi gt r e a t m e n th a sb e e ni n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n gi nv a r i o u sa t m o s p h e r e sr e s u l t e di n a l m o s ti d e n t i c a lo x y g e no u t - 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s t e pa n n e a l i n g t h eo x y g e ni nt h en e a r - s u r f a c er e g i o no ft h es i l i c o nw a f e r d i f f u s e do u ts u f f i c i e n t l yd u r i n gt h em d zf o r m a t i o np r o c e s s ，s ot h em d z sw e r es t a b l e a n dc o u l ds u r v i v ei nt h es u b s e q u e n tr i g o r o u sa n n e a l i n g i tw a sf u r t h e rc o n f i r m e dt h a t t h en i t r o g e n d o p i n gh a dl i t t l ee f f e c to nt h ef o r m a t i o no fm d zi nn c zs i l i c o n ， h o w e v e r ，d u n n gt h er t pt r e a t m e n t ，t h en i t r o g e na t o m sc o u l dc o m b i n e w i t hv a c a n c i e s t of o r mn 2 v 2 ，w h i c hr e s t r a i n e dt h eo u t d i f f u s i o no fv a c a n c i e sa n dp a i r - a n n i h i l a t i o n r e a c t i o no fv a c a n c i e sa n ds i l i c o ni n t e r s t i t i a l s s ot h ev a c a n c yc o n c e n t r a t i o np r o f i l ei n i v 浙江大学博士论文直拉硅单晶的氧沉淀及内吸杂的研究 n c zs i l i c o na f t e rr r i pt r e a t m e n tw a su n i f o r l t la n dt h u sr e s u l t i n gi nt h eu n i f o r l t l d i s t r i b u t i o no fo x y g e np r e c i p i t a t e sf o r m e di nt h es u b s e q u e n tl o - h ia n n e a l i n g ，w h i c h w a sn o tt l l ec a s ei nt h ec o n v e n t i o n a lc zs i l i c o n t h ee f f e c to fn e u t r o ni r r a d i a t i o no nt h ef o r m a t i o no ft l l e r m f l ld o n o r sh a sb e e n s t u d i e d i tw a sf o u n dt h a ts o m ei r r a d i a t i o n i n d u c e dd e f e c t si n t r o d u c e da c c e p t o rl e v e l s ， w h i c hc o u l da f f e c tt h ef o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t l r ) s p e c t r ao ft h et h e r m a l d o n o r sm e a s u r e da tl i q u i dh e l i u mt e m p e r a t u r e ，i e s o m ei n d i v i d u a li ra b s o r p t i o n l i n e sr e l a t e dt os i n g l yi o n i z e dd o n o r sw e r ea p p e a r e di nt h ef t i rs p e c t r ao ft h e n e u t r o n i r r a d i a t e ds i l i c o nb u tn o ti nt h o s eo f t h en o n - i r r a d i a t e ds i l i c o n f u r t h e r m o r e ，i t w a sp r o v e dt h a tv o hd e f e c t sc o u l df a c i l i t a t et h ef o r m a t i o no ft h e r m a ld o n o r s ，w h i c h w e r es u g g e s t e dt ob eo x y g e np r e c i p i t a t e se m b r y o sa tl o wt e m p e r a t u r e ，s ot h ev o h c o u l de n h a n c et h ef o r m a t i o no fo x y g e np r e c i p i t a t e sd u r i n gt h ea n n e a l i n ga tl o w t e m p e r a t u r e i tw a sv e r i f i e dt h a tt h ev a c a n c i e si n t r o d u c e db yt h en e u t r o n i r r a d i a t i o nc o u l d e n h a n c e dt h en u c l e a t i o na n dg r o w t ho f o x y g e np r e c i p i t a t e si nc zs i l i c o n ，b u th a dl i t t l e e f f e c to nt h eo u t d i f f u s i o no fo x y g e na th i 曲t e m p e r a t u r e t h eo s t w a l dr i p e n i n go f o x y g e np r e c i p i t a t e si nn e u t r o n - i r r a d i a t e ds i l i c o nw a so b s e r v e di no u re x p e r i m e n t ， w h i c hw a sd u et ot h ev a c a n c ye n h a n c e m e n to ft h ef o r m a t i o no fp l a t e l e t l i k eo x y g e n p r e c i p i t a t e s t h a tw e r er e a d i l yd i s s o l v e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r et r e a t m e n t i nt h e n e u t r o n i r r a d i a t e dn c zs i l i c o n ，b o t ht h en i t r o g e na n dv a c a n c yc a ne n h a n c eo x y g e n p r e c i p i t a t i o n ，b u tt h ee n h a n c e m e n te f f e c to fn i t r o g e no p e r a t e sa tt e m p e r a t u r e sa b o v e 9 0 0 0 c ，w h i l e t h a to f v a c a n c yo p e r a t e s m a i n l y i n t e m p e r a t u r er a n g e o f 7 0 0 1 0 0 0 0 c k e y w o r d s ：c z o c h r a l s k is i l i c o n ，o x y g e np r e c i p i t a t i o n ，i n t e r n a lg e t t e r i n g ，r a p i d t h e r m a lp r o c e s s i n g ，n e u t r o n i r r a d i a t i o n v 浙江大学博士论文直拉硅单晶的氧沉淀及内吸杂的研究 第1 章前言 半导体微电子材料已成为2 1 世纪信息社会中高技术产业的基础材料，它的 发展会使通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗以及武器装 备的微型化、智能化等这些对于国民经济和国家安全都至关重要的领域产生巨 大的技术进步。硅单晶是半导体微电子材料中最重要的也是应用最广泛的材料， 世界上9 8 的半导体器件是由硅片制造，硅片需求量的年均增长率在8 以上。 目前，集成电路的特征线宽已经缩小到9 0 r a n ，据美国“硅工业协会”( s i l i c o n i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，s i a 预测川，到2 0 15 年，特征线宽将缩小到2 5 r i m 。超 大规模集成电路( u l s i ) 特征线宽的不断减少不仅对硅片的加工技术和加工设备 提出了更高的要求，而且对硅片本身也提出更高的要求，硅单晶材料正向“大 直径、无缺陷”的方向发展，目前国际上先进的器件生产厂都使用了直径为2 0 0 3 0 0 r a m 的硅片，并且对硅片中微缺陷的控制也变得越来越重视。 氧是直拉硅单晶中最重要的杂质，它是在单晶生长过程中从石英坩埚中扩 散引入的。在硅的熔点温度，氧的平衡浓度为2 7 5 1 0a s c m 3 ，在原生的直拉硅 单晶中氧浓度高达5 1 0 ”2 1 0 1 m 3 ，远高于氧在器件热处理温度下的固溶 度，因此在过饱和度的驱动下，氧原予会聚集形成热施主和氧沉淀。此外，氧 原子还会与其它的杂质和点缺陷结合形成新的复合体缺陷【2 ，3 】，影响氧沉淀的行 为。随着直拉硅单晶不断朝着大直径的方向发展，硅中氧的作用越来越为人们 所重视：一方面氧可以增大硅片的机械强度，抑止硅片在高温时的塑性变形h5 1 ； 另一方面，氧沉淀以及随其诱生的二次缺陷可以有效地吸除工艺过程中引入的 金属杂质玷污 6 1 。因此，研究硅中点缺陷与杂质以及热处理温度、热处理工艺、 热处理气氛对氧沉淀的形核、生长的影响，对于了解氧沉淀形成的机理和提高 器件的成品率有非常重要的意义。 对u l s i 来说，硅片表面约1 0 p r o 宽的区域为器件的活性区，要求该区域性 质均匀且没有金属杂质和缺陷。为了达到这令目的，目前在集成电路工艺中广 泛采用了硅片的吸杂技术。硅片的吸杂技术分为外吸杂和内吸杂两种，外吸杂 是在7 0 年代就开始的利用硅片背面引入的损伤和多晶硅沉积来吸除硅片活性 区的金属杂质的技术1 7j ，但随着现在3 0 0 m m 直径的双面抛光硅片的大规模应用， 这种技术受到很人的限制。内吸杂技术是利用氧沉淀来实现吸杂的目的，即通 过热处理在硅片中形成大量的氧沉淀，而硅片表面形成约1 0 i _ t r n 宽的洁净区 ( d z ) 。目前在硅片中形成内吸杂结构的工艺有两种，一种是常规的高低一高三 步退火，先利用氧在高温下的外扩散在硅片表面形成d z ，然后硅片体内的氧在 低，高退火中形成氧沉淀。- ，j 一种是由著名的硅材料供应商m e m c 公司丌发出 第1 章前言沥扛大学博士论文 来的“魔幻洁净区”( m d z ) 工艺【2 l ，此工艺利用快速热处理( r t p ) 引入的空 位分布来控制硅片中氧沉淀的分布，从而达到内吸杂的效果。 掺氮硅单晶是当今硅材料研究的一大热门，国际上的研究者们从九十年代 起开始利用在溶硅中加入氮化硅颗粒的方法引入氮原子来抑制u l s i 用硅材料 的微缺陷，提高集成电路成品率。我们实验室的阙端麟院士则在十几年前就首 创了减压充氮生长微氮直拉硅单晶的技术【8 】，使得我们在掺氮硅单晶的研究上 走在了世界的前列。但目前，硅中氮杂质对氧沉淀和硅片内吸杂的影响，以及 其与空位的作用等相关的研究还不够深入。 中子辐照嬗变掺杂( n t d ) 技术被广泛的用于制造大面积功率器件，但中 子辐照会在硅单晶中引入大量的空位型缺陷，这些缺陷对硅单晶的电学性能和 体缺陷的产生有很大的影响 9 1 。同时，中予辐照在硅片中引入了高浓度的空位， 这为研究空位对热施主和氧沉淀等缺陷的影响的机理提供了方便。 本文主要采用傅立叶红外光谱仪( f t 取) 、扩展电阻仪( s r p ) 、透射电镜 ( t e m ) 、光学显微镜等仪器研究了不同的热处理步骤、热处理条件和氮杂质对 直拉硅单晶中氧沉淀的影响，研究了直拉硅单晶中的两种内吸杂工艺，探讨了 氮杂质对硅片内吸杂的影响，并且还研究了中子辐照引入的空位型缺陷对直拉 硅中热施主和氧沉淀的影响。论文的章节安排如下：第一章是前言，第二章综 述了前人关于硅中氧、热施主、氧沉淀、内吸杂以及辐照缺陷对热施主和氧沉 淀的影响等相关的研究，第三章介绍实验方案和实验设备，第四章介绍低温预 处理对直拉硅中氧沉淀的影响，第五章和第六章介绍了直拉硅中的两种内吸杂 工艺以及不同热处理条件和氮杂质对硅片内吸杂的影响，第七章介绍了中子辐 照缺陷对直拉硅中热施主和氧沉淀的影响，第八章总结了本论文的结果，最后 是致谢和在博士研究生学习期间发表的论文。 浙江大学博士论文直拉硅单品的氧沉淀及内吸杂的研究 第2 章文献综述 【摘耍】氧是直拉硅中最主要的杂质之一，它在热处理过程中会聚集生成氧沉淀及其相关缺 陷。硅中的氮杂质和点缺陷在热处理过程中会与氧结合形成各种复合体，中子辐照也会在硅 单晶中引入各种缺陷，所有这些缺陷都会对直拉硅中氧沉淀等相关缺陷的行为产生影响。本 章主要综述j ，前人在硅中氧杂质、热施主、氧沉淀和硅片内吸杂方面所作的一些研究工作， 并对前人所作的研究进行了评述，提出了一些尚未解决的问题。 2 1 引言 2 0 世纪6 0 年代以来，电子工业的迅速发展，带动了全球经济的增长和科技 的进步。在这4 0 多年的发展历程中，集成电路从6 0 年代的小规模集成电路发展 为现在的超大规模集成电路( u l s i ) ，并且特征尺寸也由几十个微米缩小到现在 的o 1 3 0 o m ，并向更小的尺度发展。目前i n t e l 、a m d 、v i a 等先进的半导体 芯片生产商都开始大规模地使用9 0 r i m 的新技术，并且积极开发6 5 n r n 技术，根 据美国“硅工业协会”( s i l i c o ni n d u s t r y a s s o c i a t i o n ，s i a ) 预测，到2 0 1 5 年，特 征线宽将缩小到2 5 n m 。而且根据m o o r e 定律，一个芯片上的晶体管的数目将每 1 8 个月增加一倍 1 0 i 。u l s i 特征线宽的不断减少不但对硅片的加工技术和加：i ：设 备提出了更高的要求，而且对硅片本身也提出了更高的要求，硅单晶材料正向“大 直径、无缺陷”的方向发展。采用大直径的硅单晶可以减少成本和提高效率，目 前国际上先进的器件加工厂采用的都是3 0 0 m m 直径的硅片。 随着集成电路的特征尺寸的减小，对硅单晶中缺陷的控制变得尤其重要。硅 片中的缺陷主要来自两方面，一方面是晶体生长的过程中产生的原生缺陷，如晶 体原生粒子( c o p s ) ，其尺寸由开始的几百个纳米缩小到了现在的几十个纳米， 由于集成电路的特征尺寸的不断减小，我们还要寻找到更好的叮以减少或消除原 生缺陷的方法：另一方面是硅片热处理过程中产生的缺陷，如氧沉淀，这些缺陷 如果在硅片表面的活性区，将对器件的性能有着破坏作用，使器件失效；如果在 硅片的体内，将起到吸除金属杂质的作用，对提高产品的成品率有着积极的作用。 以目前的晶体生k 技术来保证硅单晶的无缺陷是很困难的，所以为了提高器件的 成品率，半导体产业界把研究的重点放在如何控制和利用硅中的杂质和缺陷上， 即所谓的“缺陷工程”，其原理就是利用+ 一些特殊的工艺，如内吸杂工艺使硅片 达到集成电路制造的要求i l ”。然而，随着硅片直径的增长，硅中氧杂质的浓度不 断减少，1 i 利于氧沉淀的产生，因而硅材料界采用了掺氮和引入空位缺陷等方法 第2 章文献综述 浙江大学博士论文 来促进氧沉淀，提高硅片的内吸杂能力。 因此，研究硅材料中的杂质和缺陷对微电子工业的发展有着重要的意义，本 课题的目的就是研究直拉硅中氧沉淀相关缺陷的生成规律和硅片的内吸杂工艺。 2 2 直拉硅单晶中的氧 2 2 1 硅中氧的引入 硅单晶的生长主要有两种方法，一种是无坩埚的悬浮区熔法( f l o a tz o n e m e t h o d ，f z ) 1 1 2 ，另一种是直拉法( c z o c h r a l s k im e t h o d ，c z ) 1 3 - 1 5 】。这两种方法 各有所长，可以满足不同的应用需要。 f z 技术有利于硅中杂质，如磷、氧、碳等的挥发，硅中除硼外的其它杂质 分凝效应明显，可通过慢速区熔，将分凝系数k l 的杂质分凝到晶体的尾段， 因而可以获得纯度很高的硅单晶。但f z 法生长的晶体内应力很大，缺陷很多， 并且氧浓度很低( 1 0 ”c m 3 1 0 ”c m 3 ) ，因此f z 硅单晶的机械性能要比c z 硅单 晶差，影响了其在机械加工和器件工艺中的成品率，限制了其应用。并且f z 法 生长的硅单晶直径比较小，一般在3 - 6 英寸左右，也不利于降低成本。 c z 法生长硅单晶的技术相对比较简单，容易获得大直径的硅单晶。此方法 采用设计合理的加热器和保温措施，调整液面位置并使用一定速率的晶转和逆向 埚转，改善晶体、熔体之间的界面形状，能够很好的控制杂质的径向分布。因此， c z 硅单晶在各种电子器件及集成电路中得到广泛的应用，目前c z 硅单晶几乎 占硅市场的8 0 以上的份额。 c z 法生长硅单晶是由波兰科学家 j c z o c h r a l s k i 发明的。图2 1 显示了c z 法生长硅单晶的示意图l 1 6 。首先把高纯度 的多晶硅放在石英坩埚中加热，使温度到 硅的熔点温度( 1 4 1 0 o c ) 以上。此时，高 温的硅熔体会和石英坩蜗发生如下反应： s i + s i 0 2 斗2 s i o ( 2 - 1 ) 在拉制过程中，由于晶转和埚转会对硅熔 体的对流产生很大影响，再加上熔体自身 的热对流，导致进入熔体中的s i o 被输送 璐体的表面。此时，其中9 9 的s j o 会景：1 蒜鬻慧篆 在熔体的表面挥发掉，然后被a r 气带走，o f s i l i c o nc r y s t a lb vc zm e t h o d 新征大学鳟 沦文 直糟硅单品的氧苛c 淀厦内暇杂的醑兜 而剩余1 的s i o 会在硅熔体中分解： s i o 呻s i + o ( 2 - 2 ) 分解产生的氧在随后的晶体生长中进入硅单晶，并最终以间隙态存在于硅晶体 中。根据生长参数的不同，c z 硅中间隙氧浓度在5 1 0 1 7 2 1 0 。8 c m 3 之问【】7 】。 2 2 2 硅中氧的基本性质 直拉硅中的氧原子主要处于硅晶格的 间隙位置( 如图2 2 ) p g l 它是一种电中 性的杂质，尽管它的浓度比硅中掺杂剂的 浓度大三阳个数量级，但它本身并不影响 硅的电学性能。 硅中间隙氧的平衡浓度与温度有关， 般认为在硅的熔点温度，硅中氧的平衡 浓度约为2 7 5 x 1 0 1 8 c 一，并且随着韫度的 图2 2 硅中s i o s i 键的示意图“” 降低，硅中氧的固溶度也发生变化，