氢气氛下高温退火对直拉硅中氧的行为的影响

论文摘要

硅材料是微电子产业的基础材料。随着超大规模集成电路（ULSI）特征线宽的不断减小，对直拉硅中杂质和缺陷控制的要求越来越严格。氧是直拉硅单晶中最重要的非故意掺入杂质，与氧相关的氧沉淀及内吸杂技术的研究一直是硅材料研究的重要课题。本论文研究了高温氢气退火对直拉硅中氧沉淀、洁净区形成、热施主等氧的行为的影响，得到了以下结果：研究了直拉（CZ）硅片、掺锗直拉（GCZ）硅片、掺氮直拉（NCZ）硅片经氢气和氩气氛下低—高缓慢升温（L-H Ramping）处理即：从800℃以1℃／min的升温速率升温到1050℃或1150℃并保温4小时后氧沉淀和洁净区形成的情况。结果表明：经过氢气氛下L-H Ramping处理，在上述硅片体内生成了更高密度的体微缺陷（BMD），这是由于氢的引入导致了更高密度的氧沉淀核心。当高温温度为1050℃时，硅片没有形成洁净区（DZ），而高温温度为1150℃时，则形成了DZ。这表明只有在1150℃及以上温度时，硅片近表面区域的氧沉淀才能被消融。当高温温度为1150℃时，硅片经氢气氛下L-H Ramping处理形成的DZ更宽，这是由于高温下氢促进了氧的外扩散，从而促进了氧沉淀的消融。研究了CZ、GCZ和NCZ硅片经氢气或氩气氛下1200℃／2h高温预处理，再进行800℃／4h+1050℃／16h热处理后氧沉淀和洁净区形成的情况。结果表明：上述硅片经氢气氛下1200℃／2h高温预处理，体内产生了更高密度的BMD，这是由于高温预处理引入的氢促进了低温热处理时氧沉淀的形核。CZ硅片经氢气氛下高温预处理形成的DZ更窄，而GCZ和NCZ硅片经氢气氛下高温预处理形成的DZ更宽，对这一现象做了定性的解释。研究了氢气和氩气氛下1200℃／1h退火对CZ和GCZ硅片经过低温（300～750℃）Ramping处理形成的氧沉淀的消融的影响。CZ和GCZ硅片经过低温（300～750℃）Ramping处理，体内形成了高密度的氧沉淀，经氢气或氩气氛下1200℃／1h退火，体内氧沉淀的消融没有显著区别，但经氢气氛下1200℃／1h退火在硅片近表面形成了更宽的洁净区，这是由于高温下氢促进了氧的外扩散。上述结果表明：低温（300～750℃）Ramping处理结合随后的高温处理可以作为直拉硅片的一种新型的内吸杂工艺。显然，该工艺与传统高—低—高三步退火工艺相比具有低热预算的优点。研究了经氢气和氩气氛1150℃／2h预处理的CZ和GCZ硅片在450℃时氧热施主的生成情况。结果表明，经氢气氛下预处理的CZ硅片生成了更多的热施主，而GCZ硅片在两种情况下热施主的生成没有明显的区别。这是由于GCZ硅片中存在大量的锗氧复合体，抑制了氧原子的扩散，而高温氢气预处理引入氢的浓度较低，不能促进热施主的生成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 第2章 文献综述
• 2.1 硅的基本性质
• 2.2 硅单晶的制备
• 2.2.1 直拉法
• 2.2.2 区熔法
• 2.3 硅单晶中的氧
• 2.3.1 氧的固溶度
• 2.3.2 氧的扩散
• 2.3.3 氧的测量
• 2.4 硅单晶中的氧沉淀
• 2.4.1 氧沉淀形成的热力学和动力学
• 2.4.1.1 氧沉淀的形核
• 2.4.1.2 氧沉淀的长大
• 2.4.2 直拉硅单晶内吸杂
• 2.4.2.1 高—低—高三步退火
• 2.4.2.2 低—高两步退火
• 2.4.2.3 魔幻洁净区
• 2.5 掺锗对直拉硅单晶中氧沉淀和热施主的影响
• 2.5.1 掺锗对直拉硅中氧沉淀的影响
• 2.5.2 掺锗对直拉硅中热施主的影响
• 2.6 掺氮对直拉硅单晶中氧沉淀的影响
• 2.7 硅单晶中的氢
• 2.7.1 氢在硅中的基本性质
• 2.7.1.1 氢在硅中的固溶度
• 2.7.1.2 氢在硅中的扩散
• 2.7.2 氢对硅中氧扩散的影响
• 2.7.3 氢对硅中氧热施主生成的影响
• 2.7.4 氢对硅中氧沉淀的影响
• 第3章 实验设备与样品准备
• 3.1 退火设备
• 3.1.1 常规退火炉
• 3.1.2 氢气退火炉
• 3.2 测试设备
• 3.2.1 傅立叶红外干涉仪
• 3.2.2 金相显微镜
• 3.2.3 四探针电阻仪
• 3.3 样品的制备
• 3.3.1 样品的选取
• 3.3.2 样品的腐蚀
• 3.3.2 样品的清洗
• 第4章 氢气氛退火对直拉硅和掺锗直拉硅中氧沉淀和洁净区形成的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 样品参数
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 氢气和氩气氛下L-H Ramping退火对CZ和GCZ硅片氧沉淀和洁净区形成的影响
• 4.3.1.1 L-H Ramping高温温度为1150℃
• 4.3.1.2 L-H Ramping高温温度为1050℃
• 4.3.2 氢气和氩气氛下1200℃/2h预处理对CZ和GCZ硅片氧沉淀和洁净区形成的影响
• 4.3.3 氢气和氩气氛下1200℃/1h退火对CZ和GCZ硅片氧沉淀消融的影响
• 4.4 结论
• 第5章 高温氢气氛预处理对掺锗直拉硅中热施主的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 样品参数
• 5.2.2 实验方案
• 5.3 结果及讨论
• 5.4 结论
• 第6章 氢气退火对掺氮直拉硅中氧沉淀和洁净区形成的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 样品参数
• 6.2.2 实验过程
• 6.3 实验结果及讨论
• 6.3.1 氢气和氩气氛下L-H Ramping退火对NCZ硅片氧沉淀和洁净区形成的影响
• 6.3.2 氢气和氩气氛下1200℃/2h预处理对NCZ硅片氧沉淀和洁净区形成的影响
• 6.4 结论
• 第7章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录