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《浙江大学》 2004年
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大规模集成电路用直拉硅单晶的缺陷工程

余学功  
【摘要】:深亚微米集成电路(ULSI)的快速发展对硅单晶材料提出了“大直径,无缺陷”的要求,使得大直径直拉硅的“缺陷工程”受到了巨大挑战。这主要涉及三个方面:第一,传统的3-5mm的Dash缩颈工艺很难用于将来的大直径直拉硅的生长;第二,大直径直拉硅单晶中氧含量的降低,使得集成电路制造过程中硅片的内吸杂能力降低;第三,在大直径直拉硅中出现的新的空洞型缺陷(VOID)使得集成电路栅氧化层完整性(GOI)降低。本论文针对上述问题,通过在直拉硅中掺入一些杂质来改善硅单晶的性能,首先系统研究了掺氮和重掺硼对直拉硅中位错、氧沉淀和空洞型缺陷的影响行为并揭示了其机理,完善了这两种掺杂直拉硅的缺陷工程理论;并且在国际上首次提出通过掺锗来控制和利用直拉硅中的微缺陷,取得了如下一批创新性的成果,这些成果对解决目前ULSI对大直径直拉硅单晶缺陷工程的迫切要求具有非常重要的意义。 1)研究了掺氮、掺锗和重掺硼在籽晶中对晶体引晶生长过程中位错产生行为的影响,发现了掺氮、掺锗籽晶与重掺硼籽晶一样,可以有效的抑制热冲击位错的产生,能用于大直径直拉硅晶体的无缩颈生长技术,因而解决了重掺硼籽晶只能用于生长p型直拉硅的局限性。而且发现籽晶在热循环过程中生成的位错环极易在生长的硅晶体中产生出新的位错,并揭示了其机理,从而指出了这些掺杂籽晶在无缩颈生长技术实际应用中要避免多次重复使用。 2)研究了掺氮和重掺硼对大直径直拉硅中氧沉淀的影响行为,发现掺氮直拉(NCZ)硅中原生氧沉淀主要在晶体生长过程中低、高两个不同的特征温度范围内形成,揭示了氮对氧沉淀影响的机理,指出了氮氧(N-O)复合体是低温阶段氧沉淀的形核中心,而N_2-V_2-O复合体是高温阶段氧沉淀的形核中心。而且发现了NCZ硅中不同类型缺陷区(VOID区和OSF环区)的氧沉淀行为与普通直拉硅的截然相反,指出这是由于作为氧沉淀异质形核中心的不同氮关复合体在晶体生长过程中的生成行为受到空位浓度分布的影响而导致的结果。同时发现重掺硼是从1150℃开始促进氧沉淀生成,指出了硼在高温下与空位复合后,容易进一步与氧结合形成B_2O_3复合体,从而促进了氧沉淀的形核。这些新的实验结果进一步深化了我们对掺氮和重掺硼直拉硅中氧沉淀的理解。 3)研究了掺氮和重掺硼对大直径直拉硅中VOID的影响行为,明确指出掺氮和重掺硼在直拉硅晶体生长过程中促进高密度、小尺寸VOID的生成,而抑制大尺寸VOID的形成;同时发现与普通直拉硅相比,掺氮和重掺硼直拉硅片近表面区的VOID能够在比较低的温度下消除,而且其中无VOID缺陷的洁净区宽度要比普通CZ硅大很多,这对提高集成电路的GOI具有非常重要的意义。 4)研究了掺锗对直拉硅中对氧沉淀和空洞型缺陷的影响行为,发现锗在直 拉硅晶体生长过程中,从1 150oC开始促进原生氧沉淀生成,并且在随后的低温 和高温范围退火都可以促进氧沉淀的生成。基于我们的实验事实,指出锗在高温 和低温下分别与氧和/或空位反应形成GeVO和GeO复合体,从而促进氧沉淀的 形核。比较重要的是,我们发现锗也可以促进小尺寸VoID的生成,而抑制大尺 寸的VOID,它们在退火过程中容易被消除,有利于提高集成电路的Gol。总之, 掺锗直拉硅的发明进一步拓宽了缺陷工程应用的前景。 5)基于我们实验中发现的掺氮、重掺硼和掺锗对大直径直拉硅中原生缺陷影 响行为的共性,提出了一种新的关于这些杂质对大直径直拉硅中原生缺陷影响的 模型。指出由于这些杂质在晶体生长过程中VOID形成之前的高温阶段促进了原 生氧沉淀,从而消耗了部分空位,使得VOID的形核驱动力降低,因而最终抑制 了大尺寸VOID的生成,而导致了高密度、小尺寸的VOID生成,这些VOID具 有较低的热稳定性,在退火过程中容易被消除。 6)利用这三种杂质在高温下具有促进直拉硅中氧沉淀的特性,发明了这三种 掺杂直拉硅片的一步高温退火内吸杂的新工艺,指出一步高温退火能在这些掺杂 硅片的近表面形成氧沉淀的洁净区并且消除VoID,同时在体内形成足够高密度 的氧沉淀,保证了对硅片表面有害金属具有强的内吸杂能力。这种新的内吸杂工 艺与传统的高一低一高三步退火工艺相比,很大程度上节省了集成电路内吸杂工艺 的热预算成本。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN304

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【引证文献】
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【参考文献】
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4 汤艳,杨德仁,马向阳,李东升,樊瑞新,阙端麟;超大规模集成电路硅片的内吸杂[J];材料导报;2003年05期
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【共引文献】
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8 王飞尧;孙新利;饶伟星;何国君;王伟棱;;过冷度对重掺B直拉Si单晶中小角晶界的影响[J];半导体技术;2011年05期
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10 林磊,杨德仁,马向阳,李立本,阙端麟;高温快速热处理对氧沉淀消融的作用[J];半导体学报;2004年10期
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【同被引文献】
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1 乔治;李同锴;刘彩池;冀建利;张彦立;;Ar气氛下快速退火对CZ-Si单晶中FPD的影响[J];半导体技术;2008年08期
2 余学功,杨德仁,马向阳,李立本,阙端麟;微氮硅单晶中的空洞型原生缺陷[J];半导体学报;2002年12期
3 余学功,杨德仁,杨建松,马向阳,李立本,阙端麟;大直径直拉硅中氮对原生氧沉淀的影响[J];半导体学报;2003年01期
4 余学功,马向阳,杨德仁;大直径直拉硅片的快速热处理[J];半导体学报;2003年05期
5 余学功,杨德仁,马向阳,杨建松,阙端麟;重掺直拉硅对重金属Cr的内吸杂能力[J];半导体学报;2003年06期
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7 金波;王曦;陈静;张峰;程新利;陈志君;;氧化对SOI基SiGe薄膜残余应变弛豫的影响[J];半导体学报;2006年01期
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10 王启元,王俊,韩秀峰,邓惠芳,王建华,昝育德,蔡田海,郁元桓,林兰英;Ramping热退火直拉重掺锑硅衬底片的增强氧沉淀[J];半导体学报;1999年06期
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2 崔灿;直拉硅单晶的氧沉淀及内吸杂的研究[D];浙江大学;2006年
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1 李春龙;直拉重掺硼硅单晶中氧沉淀的研究[D];浙江大学;2003年
2 牛新环;掺锗CZSi单晶光学性质及锗分布均匀性的研究[D];河北工业大学;2004年
3 李红;掺锗直拉硅单晶中微缺陷的研究[D];浙江大学;2004年
4 邓海;铸造多晶硅中原生杂质及缺陷的研究[D];浙江大学;2006年
5 吴昊;半导体存储器设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2006年
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3 张聪;坩埚表面Si_3N_4改性对定向凝固提纯多晶硅性能影响研究[D];昆明理工大学;2012年
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6 武显亮;;杂质及合金元素对镁合金耐蚀性的影响[A];2000年材料科学与工程新进展(下)——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年
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