直拉單晶硅的晶體生長及缺陷研究

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1、浙江大學材料科學與工程博士學位論文直拉單晶硅的晶體生長及缺陷研究姓名：田達晰申請學位級別：博士專業(yè)：材料物理與化學指導教師：闕端麟;楊德仁20090901摘要單晶硅是微電子工業(yè)的基礎材料，廣泛用于集成電路和功率半導體器件的制造，成為當今信息社會的基石。在可預見的將來，它仍將在信息社會中發(fā)揮極其重要的作用。隨著集成電路特征線寬的不斷減小，對直拉單晶硅片提出了“大直徑、無缺陷”的要求。目前，300mill的直拉硅片已經成為集成電路的主流材料。為了使集成電路的有源區(qū)無缺陷及增強硅片的內吸雜能力，包括浙江大學硅材料國家重點實驗室在內的國內外研究機構提出了在直拉硅中摻氮的新技術途徑。開發(fā)300ram摻

2、氮直拉單晶硅和研究其雜質和缺陷的性質，無疑具有重要的實際意義，可以為提供高質量的集成電路用硅片打下堅實的基礎。同時，開發(fā)極低電阻率的重摻N型直拉硅單晶、研究摻氮對改善重摻N型硅單晶性能的作用，對于開發(fā)高性能的功率半導體器件具有重要的現實意義。本文重點研究了300ram摻氮直拉硅單晶的晶體生長、原生氧沉淀、內吸雜以及原生缺陷在熱處理工藝中的演變；同時，研究了極低電阻率的普通和摻氮的重摻砷和重摻磷直拉硅單晶的晶體生長、氧沉淀以及它們在器件中的應用情況。本文在以下方面取得創(chuàng)新性的結果：1．在設計合理熱場和優(yōu)化晶體生長工藝參數(包括：拉速、晶轉、堝轉、堝位、保護氣體流量和工作氣壓等)的基礎上，采用具

3、有我國自主知識產權的氮含量可控的氣相摻氮技術，在國內首次成功地生長出300ram摻氮直拉硅單晶。2．研究了300mm摻氮直拉硅片的原生氧沉淀的形成規(guī)律。采取從低溫(600。C一10000C)開始緩慢升溫至高溫(11500C)并保溫若干時間的方法，使得直拉硅片中大于起始溫度對應的氧沉淀臨界尺寸的那一部分原生氧沉淀得以長大，研究了300mm摻氮直拉硅片的原生氧沉淀的徑向分布。研究表明：氧沉淀異常區(qū)域(稱為P區(qū))的原生氧沉淀密度顯著高于空位型缺陷區(qū)域(稱為V區(qū))；此外，V區(qū)中的原生氧沉淀的尺寸分布是不連續(xù)的，表現為高溫下形成的大尺寸原生氧沉淀和低溫下形成的小尺寸氧沉淀，而P區(qū)中的原生氧沉淀的尺寸分

4、布則是連續(xù)的，并闡述了其形成機制。3．研究了300mm摻氮直拉硅片的空洞型缺陷的消除技術。通過研究硅片流動圖形花樣缺陷(FPD)的密度隨高溫熱處理演變的情況，揭示了空洞型缺陷在高溫下的消除情況。研究表明：在常規(guī)熱退火處理時，在氬氣保護氣氛下1200"C處理4h可以顯著地消除空洞型缺陷。在快速熱處理(RTP)時，蔚保護氣氛下1200"C熱處理30s并以50℃／s的ii速率降溫時能顯著消除空洞型缺陷。4．研究了300mm摻氮直拉硅片的基于緩慢升溫CRamping)退火的新型內吸雜工藝。即：從低溫(800oC及以下的溫度)緩慢升溫至高溫(1050oC及以上)，并在該溫度下保溫，一方面使硅片體內的原

5、生氧沉淀長大而形成高密度的BMD，另一方面使近表面區(qū)域的氧沉淀在高溫下消融而形成潔凈區(qū)。SIRM以及擇優(yōu)腐蝕結合光學顯微鏡觀察都表明：經過適當的Ramping退火，NCZ硅片可以形成潔凈區(qū)和BMD區(qū)，從而具有內吸雜功能。研究還表明：在相同的高溫處理條件下，起始溫度越低，BMD密度越高而潔凈區(qū)寬度越?。欢谄鹗紲囟认嗤瑫r，終點溫度越高，BMD密度越低而潔凈區(qū)寬度越大。此外，在一定的高溫處理條件下，若起始溫度太低，將導致潔凈區(qū)不能形成。與常規(guī)的基于高-低一高三步熱處理的內吸雜工藝相比，上述基于Ramping退火的內吸雜工藝具有熱預算低的優(yōu)點。5．研究和開發(fā)了極低電阻率的普通和摻氮的重摻砷和重摻磷

6、直拉單晶硅的晶體生長技術。為解決重摻磷和重摻砷面臨的摻雜劑嚴重揮發(fā)、組分過冷和生長界面翻轉困難等因素對晶體生長造成嚴重障礙這一問題，設計了特定的熱場和摻雜工具，獲得3項國家發(fā)明專利。在此基礎上，通過優(yōu)化晶體生長工藝，成功生長出晶體頭部電阻率分別不超過0．003D．cm和0．0015Q．cm的極低電阻率的重摻砷和重摻磷直拉單晶硅，并實現了大規(guī)模生產，取得顯著的經濟和社會效益。同時，還研究了摻氮對重摻磷和重摻砷直拉單晶硅氧沉淀的影響，表明摻氮可顯著增強這兩種重摻N型單晶硅的氧沉淀。利用這一特點，開發(fā)了具有高內吸雜能力的以摻氮的重摻磷或重摻砷硅片為襯底的硅外延片。試驗表明，該種外延片用于制造MOS

7、FET功率器件時，可顯著減小漏電流。關鍵詞：直拉硅，缺陷，氧沉淀，空洞型缺陷，摻氮，內吸雜，重摻雜，熱場AbstractSemiconductorsiliconisthebasismaterialformicro-electronicindustry．Intheforeseeablefuture，itwillstillplayanextremelyimportantroleintheinformationso