300mm直拉單晶硅生長缺陷研究

王思鋒

摘 要：本文針對微電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料—— 單晶硅進(jìn)行了其生長缺陷方面的研究，基于300mm摻氮直拉單晶硅的生長、原生氧沉淀等方面的熱處理進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時對極低電阻率的情況下分析了摻氮重?fù)缴楹椭負(fù)搅字崩鑶尉У纳L和氧沉淀等方面進(jìn)行了應(yīng)用分析。

關(guān)鍵詞：300mm直拉單晶硅 生長缺陷 熱處理

中圖分類號：TN304.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0238-01

單晶硅中的直拉單晶硅是非常重要的微電子產(chǎn)品原材料，其所有的硅基集成電路具有良好的電器特性，除了反向偏壓很高的器件以外，絕大多數(shù)半導(dǎo)體分立器件都是用直拉單晶硅制成的。與區(qū)熔單晶硅相比，直拉單晶硅的成本較低，比較容易大直徑化，一般情況下，區(qū)熔單晶硅的直徑能夠達(dá)到200 mm就已經(jīng)很好，但是直拉單晶硅直徑可以達(dá)到達(dá)到450 mm，廣泛應(yīng)用于太陽能電池的制造，且成本相對較低。在制作集成電路時，為了增加單晶硅的機(jī)械強(qiáng)度，需要在直拉單晶硅中摻氧，并且還可以使硅片具有內(nèi)吸雜的特性，這兩點是制作集成電路原件材料的比較重要的特性。同時，單晶硅的摻氧工藝非常復(fù)雜，是硅材料界研究比較多的問題。

1 單晶硅生長爐組成及特點

1.1 直拉法工藝

單晶硅的突出特點是通過硅原子周期性排列形成硅體，是一種比較好的半導(dǎo)體材料。由于硅的物理和化學(xué)特性根據(jù)硅向不同而存在較大的差別，因此在制作不同的電子器件時要結(jié)合硅的晶體特性進(jìn)行生長。工業(yè)領(lǐng)域最常用單晶硅晶向包括<100>、<110>及<111>三類，多數(shù)硅結(jié)型器件（如晶體管、集成電路等），大都采用<111>晶向硅片；對于表面器件如MOSFET、CCD等，大都采用<100>晶向。當(dāng)前單晶硅的生長方法主要就是從熔體中生長，其中包括直拉法和區(qū)熔法兩種比較常見，而直拉法生長占據(jù)單晶硅生產(chǎn)的75%左右。

所謂的直拉法是由切克勞斯基在1917年首次發(fā)明的，后來經(jīng)過多次完善，在1958年的時候由Dash基于完全排除位錯方法使得單晶硅生長大尺寸的工藝已經(jīng)形成，并且在近幾年也呈現(xiàn)不斷改進(jìn)的趨勢。使用直拉法單晶硅生長的工藝和設(shè)備都要求不是很苛刻，比較容易實現(xiàn)自動控制，適用于大規(guī)模生產(chǎn)單晶硅的工業(yè)領(lǐng)域，并且單晶硅中的雜志濃度可以得到有效控制，制成后的晶體具有低電阻率的特點。

1.2 直拉單晶硅的生長技術(shù)

目前工業(yè)上使用的將多晶硅制成單晶硅的生長方法有兩種，一種是使用石英坩堝的直拉法（Czochralski meth-od，CZ）。一種是不使用石英坩堝的區(qū)熔法（Float Zone method，F(xiàn)Z）。

FZ法是利用高頻線圈對垂直放置的多晶硅棒從頭部至尾部進(jìn)行加熱，這種方法的最大特點是多晶棒是從頭到尾逐區(qū)熔化的，并且可以在高頻電磁場的環(huán)境中長成單晶。同時，受到硅熔體表面張力和高頻電磁場的影響，可以最大限度地保證熔區(qū)的穩(wěn)定性。一般單晶硅生長時需要借助石英坩堝作為熔硅容器，而直FZ法不需要這種容器，因此區(qū)熔法制成的單晶硅其含氧濃度比較低。并且晶體中其他金屬雜志的含量也是比較低的。含氧濃度直接影響到晶體的機(jī)械特性，氧濃度低的晶體在高溫態(tài)下容易發(fā)生位錯滑移線，因此區(qū)熔單晶硅目前被廣泛應(yīng)用于制作大功率器件方面。

2 300 mm摻氮直拉單晶硅的生長及其缺陷

本文使用外徑為22英寸的石英坩堝，先將90 kg高純多晶裝入石英坩堝內(nèi)，抽真空到滿足要求后開始如下步驟：化料；熔體穩(wěn)定；熔體表面溫度標(biāo)定；氣相摻氮；引晶；肩部生長；轉(zhuǎn)肩；等徑生長；收尾；保溫；冷卻等步驟。

2.1 300 mm摻氮直拉硅片原生缺陷

硅片中P區(qū)域的原生氧沉淀密度顯著高于V區(qū)域。此外，V區(qū)域中原生氧沉淀的尺寸分布呈現(xiàn)兩端化，即：尺寸小的原生氧沉淀小于900 ℃對應(yīng)的氧沉淀臨界尺寸，而尺寸大的原生氧沉淀則大于1000 ℃～1150 ℃之間某一溫度對應(yīng)的氧沉淀臨界尺寸rc；而P區(qū)中原生氧沉淀尺寸分布則是連續(xù)的。

我們認(rèn)為在硅晶體生長的冷卻過程中V區(qū)中原生氧沉淀的形成可以分為兩個階段，即：在空洞型缺陷形成之前，氮與空位共同作用促進(jìn)大尺寸原生氧沉淀的形成，此后經(jīng)歷了空洞型缺陷的形成而消耗了大量的空位，在此期間幾乎不形成原生氧沉淀，當(dāng)晶體冷卻到足夠低的溫度后，氮和氧相互作用形成復(fù)合體促進(jìn)小尺寸原生氧沉淀的形成。而對于P區(qū)來說，原生氧沉淀的形成過程則是連續(xù)的，由于在晶體生長過程中引入的空位濃度比V區(qū)低，因而與V區(qū)顯著不同的是，該區(qū)不會經(jīng)歷空洞型缺陷的形成，取而代之的是空位與氧、氮共同作用，促進(jìn)高密度原生氧沉淀的形成。

2.2 300 mm摻氮直拉硅片的空洞型缺陷消除

選取直徑為300 mm，晶向為<100>，電阻率約為16～17 Ω，厚度約為855 μm的P型CZ硅片。

用Bruker IFS/V/S型瑯傅里葉紅外光譜儀（FTR）測出硅片的初始氧濃度為1.2×1018 atoms/cm3，這里所用的轉(zhuǎn)換因子為3.14×1017 cm-2。直拉單晶硅片的原生樣品及經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗蟮臉悠肪跇?biāo)準(zhǔn)Secco腐蝕液中于室溫（25 e）下豎直放置腐蝕巧分鐘，然后在OLYMPUS MX-50型光學(xué)顯微鏡下觀察流動圖形缺陷特征并進(jìn)行密度分布統(tǒng)計。其計算方法為：FPD密度=FPD個數(shù)/視野面積。其中，高溫?zé)崽幚聿捎昧瞬煌Ｗo(hù)氣氛（氫氣，氮氣）、不同熱處理溫度（1100～1200 ℃）和不同保溫時間（l～4小時）的常規(guī)熱退火（CFA）以及不同保護(hù)氣氛（氫氣，氮氣和氧氣）、不同的熱處理溫度（1150 ℃～1250 ℃）和不同的保溫時間（30～120 s）的快速熱退火（RTP）。

在常規(guī)熱退火處理時，在氫氣保護(hù)氣氛下1200 ℃處理4h可以顯著地消除樣品中的空洞型缺陷。在RTA處理時，Ar保護(hù)氣氛下1200 ℃熱處理30 s并以每秒50 ℃的速率降溫時能顯著消除空洞型缺陷。

3 結(jié)論

在硅晶體生長的冷卻過程中V區(qū)域中原生氧沉淀的形成可以分為兩個階段，即：在空洞型缺陷形成之前，氮與空位共同作用促進(jìn)大尺寸原生氧沉淀的形成，此后經(jīng)歷了空洞型缺陷的形成而消耗了大量的空位，在此期間幾乎不形成原生氧沉淀；當(dāng)晶體冷卻到足夠低的溫度后，氮和氧相互作用形成復(fù)合體促進(jìn)小尺寸原生氧沉淀的形成。

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