大直径直拉硅片的一种新型内吸杂工艺研究

论文摘要

半导体硅材料是微电子产业的基础材料。多年来,人们一直在研究如何控制和利用直拉硅中的杂质和缺陷,即所谓的“缺陷工程”。其中内吸杂工艺是学术界和工业界普遍关注的重点领域。近年来,人们一直在致力于简化内吸杂工艺和减少内吸杂工艺的热预算。本文在此方面做了探索性的工作,提出了一种新型的内吸杂工艺,取得了如下的主要结果: 提出了一种新的直拉硅片的内吸杂工艺,我们称之为“L-H Ramping IG”工艺。该工艺的基本思想是:通过从适当的低温缓慢升温到足够的高温并保温一定时间,使得硅片体内的原生氧沉淀长大而形成体缺陷（BMD）,同时近表面区域的原生氧沉淀被融解,并发生氧的外扩散而形成洁净区（DZ）。这种新的内吸杂工艺充分利用了硅中原生缺陷的长大形成高密度的体缺陷,与传统的高-低-高三步退火工艺相比,很大程度上节省了内吸杂工艺的热预算。 对上述的内吸杂工艺的详细研究表明:起始温度越低,产生的体缺陷密度越高;升温速率的降低会导致体缺陷的密度增加;高温保温温度和保温时间决定了洁净区的宽窄,只有在足够高的温度下保温才会产生稳定的洁净区;只有在惰性气氛中热处理,L-H Ramping工艺才可能产生洁净区。进一步的研究还表明,L-H Ramping内吸杂工艺更适合于掺氮直拉硅单晶。 本文还研究了大直径直拉硅片在不同的退火制度中,氧气作为保护气氛对洁净区和氧沉淀形成的影响。研究表明,在氧沉淀的形成过程中,氧气氛保护退火主要影响氧沉淀的长大过程,而对氧沉淀形核的影响则不显著。研究还表明,在传统的H-L-H内吸杂工艺中,通过调整不同阶段的保护气氛,可以得到更好的内吸杂结构。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 目录
• 1 前言
• 2 文献综述
• §2.1 半导体硅材料
• §2.2 硅单晶的制备
• 2.2.1 区熔法（Floating zone，FZ）
• 2.2.2 直拉法（Czochralski，CZ）
• §2.3 硅中氧
• 2.3.1 氧的引入
• 2.3.2 氧的测量
• 2.3.3 氧的扩散
• 2.3.4 氧的沉淀及其影响因素
• §2.4 硅中的氮
• 2.4.1 氮的引入
• 2.4.2 氮的测量
• 2.4.3 氮对直拉硅缺陷行为的影响
• §2.5 内吸杂工艺
• 2.5.1 吸杂的类型
• 2.5.2 吸杂的基本规律
• 2.5.3 内吸杂工艺的研究进展及现状
• 3 实验设计及实验设备
• §3.1 实验设计
• §3.2 实验设备
• 3.2.1 常规热处理炉
• 3.2.2 傅立叶红外（FTIR）
• 3.2.3 光学显微镜（OM）
• 3.2.4 扩展电阻仪（SRP）
• §3.3 样品的制备
• 4 低-高缓慢升温（L-H Ramping）处理下内吸杂工艺的研究
• §4.1 前言
• §4.2 实验基本思想及方案
• §4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 L-H Ramping工艺中IG结构生成机理
• 4.3.2 高温退火温度和时间对IG结构的影响
• 4.3.3 起始退火温度对IG结构生成的影响
• 4.3.4 升温速率对IG结构生成的影响
• 4.3.5 L-H Ramping工艺形成的IG结构在后续热处理中的变化
• 4.3.6 L-H Ramping工艺中保护气氛对IG结构形成的影响
• 4.3.7 N对L-H Ramping工艺形成的IG结构的影响
• §4-4 结论
• 5 氧气氛保护热处理下内吸杂工艺的研究
• §5.1 前言
• §5.2 实验基本思想及方案
• §5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 L-H Ramping退火工艺
• 5.3.2 H-L-H三步退火工艺
• 5.3.3 L-H两步退火工艺
• §5.4 结论
• 6 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢