论文摘要
以N型重掺直拉硅单晶片为衬底的硅外延片被广泛用于集成电路以及功率器件的制造。为了提高器件的成品率,通常要求外延硅片具有内吸杂能力,这就要求作为衬底的重掺硅片在器件制造过程中能形成足够的氧沉淀及其诱生缺陷。近十年来,高温快速热处理（RTP）被证明是促进直拉硅单晶中氧沉淀的有效手段。然而,已有的针对高温RTP对氧沉淀影响的研究几乎都是针对轻掺直拉硅单晶的。系统地理解N型重掺直拉硅单晶经过高温RTP预处理后的氧沉淀行为,对开发具有高内吸杂能力的外延硅片具有重要的实际意义。近二十年来,关于共掺直拉硅单晶的研究日益受到重视。其中,掺锗直拉硅单晶由于具有机械强度高和内吸杂能力强等优点而引起研究者的关注。空洞型缺陷是直拉硅单晶中一类重要的原生缺陷,它会破坏MOS器件的栅极氧化层的完整性而降低器件的成品率。而掺锗对直拉硅单晶中空洞型缺陷形成的影响还有待深入研究。本论文重点研究了N型重掺杂对直拉硅单晶在高温RTP预处理条件下空位相关复合体缺陷和氧沉淀形成的影响。此外,首次采用扫描红外显微术（SIRM）无损检测直拉硅单晶中的空洞型（void）缺陷,研究了掺锗和N型重掺杂对空洞型缺陷形成的影响。论文取得如下具有创新意义的结果：（1）研究了高温RTP热处理对重掺杂（P、As或Sb）N型直拉硅单晶电阻率的影响。发现上述硅单晶经过1000、1150和1250℃的RTP预处理后,电阻率都呈一定程度的增加；而经过后续低温（300-650℃）热处理后,电阻率会逐渐恢复到初始值。这是因为高温RTP产生了高浓度的空位（V）,而一部分掺杂原子（D）和空位形成D-V复合体,使这一部分掺杂原子失去了电活性,从而导致电阻率增加；在后续低温热处理过程中,D-V复合体逐渐分解,相应的掺杂原子重新获得电活性,电阻率随之恢复到初始值。通过电阻率的变化,可以估算出RTP注入的空位浓度。对于重掺P、As和Sb硅单晶而言,注入的空位浓度分别为1018cm-3,（2-3）×1017cm-3和（2-5）×1016cm-3。（2）研究了高温RTP热处理对重掺As或重掺Sb硅单晶中氧沉淀在300℃的形核。发现经过高温RTP预处理后,即使在300℃这样低的温度氧沉淀依然显著形核,经过1000℃热处理后这些核心会长大形成高密度的氧沉淀。由于只有经过高温RTP预处理氧沉淀才能显著形核,所以将氧沉淀的形核归因于高温RTP引入空位对氧沉淀形核的促进作用。空位与As或Sb形成Asx-V或Sbx-V复合体会导致掺杂原子失去电活性。自由载流子的减少导致电阻率增加,将增加的电阻率转化为失去电活性的掺杂原子浓度,结果失去电活性的掺杂原子浓度在1017cm-3数量级,也说明了高温RTP后约有1017cm-3数量级的空位被保留在硅单晶体内。在后续的300℃热处理过程中,电阻率逐渐恢复到初始值并释放出高温RTP过程中保留的空位。高浓度的空位可能会与其他杂质形成VO2和AsVO或者SbVO等复合体,这些复合体作为氧沉淀的异质形核中心促进氧沉淀。（3）研究了高温RTP引入的空位对重掺As和重掺Sb直拉硅单晶中氧沉淀行为的影响。发现在800、900和1000℃热处理空位都会促进重掺Sb直拉硅单晶中氧沉淀,而在重掺As直拉硅单晶中只有在800℃热处理空位才对氧沉淀的形核有促进作用。密度泛函理论计算结果表明在重掺As和重掺Sb直拉硅单晶中AsVO和SbVO复合体是能量最优的结构。这些复合体在适当的条件下可以作为氧沉淀形核的前驱体。基于密度泛函理论的结算,解释了在重掺As和重掺Sb硅单晶中空位对氧沉淀形核影响不同的原因。（4）首次通过SIRM研究了掺杂对直拉硅单晶中空洞型缺陷void的影响。研究结果表明低浓度掺锗对单体void缺陷的密度和尺寸只有微弱甚至没有影响。掺锗对void缺陷的微弱影响与之前的结果是一致的,原因归结为Ge对空位的捕获能力非常微弱,因此对空位的平衡浓度影响也很小。但是当掺杂浓度较高时,Ge对多体void会表现出明显的抑制作用。（5）利用SIRM研究了N型重掺对void缺陷的影响。对于掺杂浓度相对较低的重掺Sb硅单晶（≈（1.6-3.4）×1018cm-3）而言,void缺陷的形成得到了显著的促进。对于掺杂浓度较高的重掺As硅单晶而言,在单晶头部（≈1.9×1019cm-3）的void缺陷的形成被促进,而在单晶尾部（≈3.8×1019cm-3）的void缺陷密度显著降低。而对于掺杂浓度更高的重掺P单晶（≈4.6×1019cm-3）而言,void缺陷的形成则被更加显著的抑制,以至于SIMR检测不到void缺陷。根据重掺杂对空位浓度的影响,尝试对上述现象进行了解释。
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标签：型重掺直拉硅单晶论文; 电阻率变化论文; 氧沉淀论文; 空洞型缺陷论文;