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直拉硅单晶的氧沉淀及内吸杂的研究

2020-11-23阅读(312)

直拉硅单晶的氧沉淀及内吸杂的研究

论文摘要

直拉硅（CZ）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（IG）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（ULSI）的特征线宽的不断减小,直拉硅片的IG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IG的影响,获得了以下一些结果: 研究了低温（300～750℃）预处理对直拉硅在后续低温或者低-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（Ramping）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(O2i),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（NCZ）硅中,氮在低温下与氧形成的N2On是氧沉淀的异质形核中心,并且O2i的存在可能加快N2On的形成。在此基础上,提出了基于低温Ramping的IG工艺,这种工艺能够缩短热处理的时间,降低热预算。 研究表明低温Ramping预处理对硅片在低-高退火后形成的氧沉淀的形貌有影响:在经过低温Ramping预处理的样品中,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Ramping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（Ar,N2,N2+steam,O2和O2+steam）对直拉硅在常规高-低-高三步退火IG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,硅片表面的氧化会向硅片体内注入高浓度的自间隙硅原子,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（DZ）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,DZ较窄。 研究了NCZ硅中的氧沉淀和常规高-低-高三步退火IG工艺,发现经过高-低-高三步退火后在NCZ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N2On复合体,在高温下与氧、空位结合形成N2V2Om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-低-高三步退火过程中会影响硅片中氧沉淀的分布;另外,氮原子在硅中的扩散速率

论文目录

  • 第1章 前言
  • 第2章 文献综述
  • §2.1 引言
  • §2.2 直拉硅单晶中的氧
  • 2.2.1 硅中氧的引入
  • 2.2.2 硅中氧的基本性质
  • 2.2.3 硅中氧的测量
  • 2.2.4 硅中氧的扩散
  • §2.3 直拉硅单晶中的热施主
  • §2.4 直拉硅单晶中的氧沉淀
  • 2.4.1 氧沉淀的形核
  • 2.4.2 氧沉淀的形貌
  • 2.4.3 快速热处理（RTP）对氧沉淀的影响
  • 2.4.4 掺氮对氧沉淀的影响
  • §2.5 直拉硅单晶中内吸杂
  • 2.5.1 高-低-高内吸杂工艺
  • 2.5.2 MDZ内吸杂工艺
  • 2.5.3 掺氮硅片的内吸杂研究
  • §2.6 直拉硅单晶中辐照缺陷的研究
  • 2.6.1 辐照缺陷
  • 2.6.2 辐照缺陷对热施主的影响
  • 2.6.3 辐照缺陷对氧沉淀的影响
  • §2.7 本章小结
  • 第3章 实验方案和实验设备
  • §3.1 实验样品
  • 3.1.1 CZ和NCZ硅样品
  • 3.1.2 中子辐照硅样品
  • 3.1.3 热处理样品的制备
  • §3.2 实验方案
  • §3.3 热处理设备
  • 3.3.1 扩散炉
  • 3.3.2 RTP快速热处理炉
  • §3.4 测试设备
  • 3.4.1 FTIR光谱仪的构造
  • 3.4.2 FTIR光谱仪的工作原理
  • 3.4.3 FTIR光谱在硅材料测试中的应用
  • 第4章 低温预处理对直拉硅中氧沉淀行为的影响
  • §4.1 引言
  • §4.2 实验
  • §4.3 低温线性升温（Ramping）预处理对氧沉淀的影响
  • 4.3.1 300～750℃ Ramping对氧沉淀的影响
  • 4.3.2 低温Ramping的起始温度对CZ和NCZ硅中氧沉淀的影响
  • 4.3.3 低温Ramping过程中氧的快速扩散
  • 4.3.4 RTP预处理对低温Ramping处理的CZ硅中氧沉淀的影响
  • §4.4 低温恒温热处理对CZ和NCZ硅中氧沉淀的作用
  • §4.5 基于低温Ramping的内吸杂工艺
  • §4.6 低温Ramping处理对氧沉淀形貌的影响
  • §4.7 低温Ramping对氧化诱生层错（OSF）的影响
  • §4.8 本章小结
  • 第5章 直拉硅在普通炉热处理下的氧沉淀和内吸杂
  • §5.1 引言
  • §5.2 实验
  • §5.3 热处理气氛对CZ硅片内吸杂的影响
  • 5.3.1 热处理气氛对氧的外扩散的影响
  • 5.3.2 热处理气氛对氧沉淀的影响
  • 5.3.3 氧沉淀在不同气氛下的热稳定性
  • §5.4 掺氮对CZ硅片内吸杂的影响
  • 5.4.1 氮对硅中氧沉淀分布的影响
  • 5.4.2 NCZ硅中洁净区（DZ）的完整性
  • §5.5 本章小结
  • 第6章 快速热处理对直拉硅的氧沉淀和内吸杂的影响
  • §6.1 引言
  • §6.2 实验
  • §6.3 RTP对CZ硅片中氧外扩散的影响
  • 6.3.1 RTP温度和时间对氧的外扩散的影响
  • 6.3.2 RTP气氛对氧的外扩散的影响
  • §6.4 CZ硅片基于RTP的内吸杂研究
  • §6.5 NCZ硅片基于RTP的内吸杂研究
  • §6.6 氮对RTP预处理的硅片中氧沉淀分布的影响
  • §6.7 本章小结
  • 第7章 中子辐照硅中热施主和氧沉淀的研究
  • §7.1 引言
  • §7.2 实验
  • §7.3 中子辐照对CZ硅中热施主的影响
  • 7.3.1 辐照缺陷对CZ硅中热施主的影响
  • n复合体对CZ硅中热施主的影响'>7.3.2 VOn复合体对CZ硅中热施主的影响
  • §7.4 中子辐照对CZ硅中氧沉淀的影响
  • 7.4.1 VO复合体对低温热处理中氧沉淀的影响
  • 7.4.2 空位对高温热处理中氧外扩散的影响
  • 7.4.3 空位对高温热处理中氧沉淀的影响
  • 7.4.4 中子辐照硅中氧沉淀的Ostwald熟化现象
  • 7.4.5 中子辐照硅中氧沉淀的热稳定性
  • 7.4.6 掺氮对中子辐照硅中氧沉淀的影响
  • §7.5 本章小结
  • 第8章 总结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士期间发表和待发表的论文

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