快速退火氣氛對(duì)300mm硅片內(nèi)潔凈區(qū)和氧沉淀形成的影響

1、第27卷第1期2006年1月半導(dǎo)體學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.27No.1Jan.,2006快速退火氣氛對(duì)300mm硅片內(nèi)潔凈區(qū)和氧沉淀形成的影響3馮泉林1,2, 史訓(xùn)達(dá)2劉斌2劉佐星2王敬1周旗鋼1,2(1北京有色金屬研究總院,北京100088)(2有研半導(dǎo)體材料股份有限公司,北京100088)摘要:300mm硅片中厚度合適的潔凈區(qū)和高密度氧沉淀,有利于對(duì)器件有源區(qū)金屬沾污的吸除,改善柵氧化物的完整性.文中使用Ar,N2/NH3混合氣作為快速退火(RTA)氣氛,研究RTA氣氛對(duì)潔凈區(qū)、氧沉淀形成的影響.研究發(fā)現(xiàn)N2/NH3混合氣氛處理的硅片表層潔凈

2、區(qū)明顯薄于Ar氣氛處理的硅片,氧沉淀密度明顯高于Ar氣氛處理后的硅片.同時(shí)發(fā)現(xiàn)在兩種氣氛下,延長(zhǎng)恒溫時(shí)間都可以降低潔凈區(qū)厚度,增加氧沉淀密度.基于空位增強(qiáng)氧沉淀成核和氮化空位注入的基本原理,就RTA氣氛和恒溫時(shí)間對(duì)潔凈區(qū)和氧沉淀分布的影響進(jìn)行了討論.關(guān)鍵詞:潔凈區(qū);氧沉淀;單晶硅片;內(nèi)吸雜;RTAPACC:7280C;8130M;6780M中圖分類號(hào):TN30411+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):025324177(2006)01200682051前言集成電路制造工藝中,硅片表面的金屬沾污將破壞柵氧化物完整性,導(dǎo)致器件運(yùn)行失效.以Fe和Cu為例,在器件制造熱工藝中會(huì)在SiO2/Si界面處生成2Fe

3、Si和富Cu硅化物,這將導(dǎo)致SiO2薄膜的擊穿電壓降低1.ITRS(internationaltechnologyroadmapforsemiconductor)2中對(duì)硅片表面金屬雜質(zhì)的濃度限制在(0151)1010cm-2.吸雜技術(shù)是一種降低表面金屬沾污的重要手段,根據(jù)吸雜中心引入的位置可以分為內(nèi)吸雜和外吸雜.外吸雜技術(shù)是利用背損傷、多晶硅沉積,磷擴(kuò)散等處理在硅片背面引入缺陷中心,而內(nèi)吸雜是通過(guò)熱處理在硅片內(nèi)引入氧沉淀及其周圍形成的高應(yīng)力區(qū)作為吸雜中心3,4.300mm硅片工藝中引入的雙面拋光工藝,造成外吸雜在300mm工藝中的實(shí)施面臨困難,因而內(nèi)吸雜技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛1.以300mm硅

4、片為襯底的器件工藝趨向于低溫工藝,且器件有源區(qū)的厚度會(huì)不斷降低,為了保障m),提高吸吸雜效率需要降低潔凈區(qū)厚度(5201,6雜區(qū)氧沉淀密度.傳統(tǒng)內(nèi)吸雜技術(shù)是高2低2高三步退火技術(shù),利用熱處理在硅片內(nèi)部形成氧沉淀及其衍生缺陷作為3國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2002AA3Z1110) 通信作者.Email:fqlmail2005207214收到,2005209207定稿吸雜中心,同時(shí)在表層形成無(wú)缺陷的潔凈區(qū),在潔凈區(qū)上制造器件有源區(qū).該工藝的熱預(yù)算較高,工藝實(shí)施時(shí)受硅片內(nèi)初始間隙氧濃度限制較大,所以在應(yīng)用中受到一定局限35.Falster等人提出的MagicDenudedZone技術(shù)

5、是傳統(tǒng)內(nèi)吸雜技術(shù)的改進(jìn),是利用N2氣氛快速退火處理硅片形成特殊的空位分布,在器件熱處理工藝中這種分布將決定氧沉淀和潔凈區(qū)的分布68.該工藝有效地降低了熱預(yù)算,工藝穩(wěn)定性好,對(duì)間隙氧濃度的依賴性進(jìn)一步降低.但m),RTA恒溫溫不足之處在于潔凈區(qū)較厚(40度較高.隨后,Akatsuka等人發(fā)現(xiàn)Ar氣氛下也可以形成潔凈區(qū)9,10.國(guó)內(nèi)劉斌11最早發(fā)表了關(guān)于RTA獲得潔凈區(qū)的文章,可是RTA處理時(shí)間較長(zhǎng);余學(xué)功12在Ar氣氛下RTA處理硅片也獲得潔凈區(qū),同樣不能解決RTA恒溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、潔凈區(qū)較厚的問(wèn)題.這些研究中,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)RTA氣氛在形成潔凈區(qū)和氧沉淀過(guò)程中的重要作用,但是氣氛(特別是N2/NH3

6、混合氣氛)的作用沒(méi)有被報(bào)道.本文著重研究RTA退火氣氛(特別是N2/NH3混合氣氛)和RTA恒溫時(shí)間對(duì)潔凈區(qū)和氧沉淀的影響,期望對(duì)該工藝進(jìn)一步優(yōu)化.2實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用p型(100)取向的300mm硅拋光2006中國(guó)電子學(xué)會(huì)第1期馮泉林等:快速退火氣氛對(duì)300mm硅片內(nèi)潔凈區(qū)和氧沉淀形成的影響69片,間隙氧含量為27ppma左右(ASTM279標(biāo)準(zhǔn),檢測(cè)設(shè)備為Bio2rad公司的QS2312型傅立葉紅外光譜氧碳測(cè)量?jī)x).RTA處理分別采用N2/NH3混合氣和Ar氣作為RTA保護(hù)氣氛,處理過(guò)程中只改變RTA氣氛和恒溫時(shí)間,其他參數(shù)保持一致.恒溫溫度為1200,降溫速率為90/s.RTA處理后的硅片需

7、要作后序退火處理(8004h+100016h)才可能使得硅片內(nèi)間隙氧聚集生成氧沉淀,后序熱處理是對(duì)CMOS工藝中熱歷史的模擬.后序的兩步退火完成后,將硅片沿110面解理,在室溫下用Wright腐蝕液腐蝕5min后在光學(xué)顯微鏡下測(cè)量氧沉淀的密度及分布.后序退火完成后對(duì)硅片內(nèi)間隙氧含量進(jìn)行測(cè)量獲得Cpost,利用間隙氧含量變化的差值Oi(Oi=27-Cpost),可以間接衡量生成的氧沉淀量.3結(jié)果與分析圖1為N2/NH3氣氛下RTA處理以及后序熱處理(8004h+100016h)完成后,光學(xué)顯微鏡下觀察到硅片解理面上潔凈區(qū)和氧沉淀分布圖.圖中黑色的小點(diǎn)是氧沉淀被Wright腐蝕液腐蝕后的結(jié)果,表層

8、顏色較亮無(wú)氧沉淀的區(qū)域稱為潔凈區(qū).實(shí)驗(yàn)中改變RTA恒溫時(shí)間,其他RTA工藝參數(shù)保持不變,圖1(a)(c)相應(yīng)的恒溫時(shí)間分別為12,22,m.同時(shí)在32s,獲得潔凈區(qū)的厚度依次為40,19,10圖1(a)中可以看到氧沉淀密度明顯呈現(xiàn)“M”狀分布(如圖中所示白色曲線),圖1(b)和(c)中也有類似的分布,但逐漸趨于平緩.圖2所示潔凈區(qū)和氧沉淀分布為Ar氣氛下RTA處理的結(jié)果.實(shí)驗(yàn)中改變RTA恒溫時(shí)間,其他工藝參數(shù)保持不變,圖2(a)(c)相應(yīng)的恒溫時(shí)間分別為25,35,45s,獲得潔凈區(qū)的厚度依次為m,同時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氧沉淀有146,115,94“M”狀分布.對(duì)比N2/NH3氣氛下獲得的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)

9、經(jīng)過(guò)Ar氣氛RTA處理獲得的潔凈區(qū)厚度明顯變厚、氧沉淀密度降低.通過(guò)在高倍顯微鏡下對(duì)N2/NH3,Ar氣氛下處理獲得的氧沉淀形貌的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在兩種氣氛中氧沉淀都呈現(xiàn)片狀,且伴有氧化層錯(cuò)的出現(xiàn).圖1N2/NH3混合氣氛下,不同RTA恒溫時(shí)間處理獲得的潔凈區(qū)和氧沉淀分布圖(a)恒溫12s;(b)恒溫22s;(c)恒溫32s,圖中白色曲線顯示氧沉淀密度的變化趨勢(shì)Fig.1Cross2sectionalmicroscopeimagesofoxygenprecipitationdepthdistributionunderN2/NH3mixturegasseswithdifferentdurations(

10、a)12s;(b)22s;(c)32s圖3所示2條曲線為不同氣氛下Oi和RTA恒溫時(shí)間的關(guān)系.在圖中可以看到隨著恒溫時(shí)間的延長(zhǎng),兩種RTA氣氛處理的樣品Oi值都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì):在N2/NH3混合氣氛下RTA處理時(shí),Oi值由11178ppma逐漸增加到2111ppma;而Ar氣氛處理時(shí),Oi值由513ppma逐漸增加到812ppma.通過(guò)Oi值和恒溫時(shí)間的關(guān)系可以知道:(1)在相同RTA恒溫條件下,N2/NH3氣氛RTA處理獲得的氧沉淀密度明顯高于Ar氣氛處理的硅片;(2)延長(zhǎng)RTA恒溫時(shí)間可以增加Oi,即氧沉淀密度增加.在現(xiàn)代集成電路制造工藝中,大部分器件只工m以內(nèi),所以理想的潔凈區(qū)的厚度作在

11、硅片表層5m之內(nèi),以便表層金屬能被迅速吸除.應(yīng)在520經(jīng)過(guò)快速退火處理后的硅片,潔凈區(qū)的厚度主要受空位濃度分布的限制,這使得工藝的可控性進(jìn)一步70半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第27卷圖2Ar氣氛下,不同RTA恒溫時(shí)間處理獲得的潔凈區(qū)和氧沉淀分布圖(a)恒溫25s;(b)恒溫35s;(c)恒溫45sFig.2Cross2sectionalmicroscopeimagesofoxygenprecipitationdepthdistributionunderArwithdifferentdurations(a)25s;(b)35s;(c)45s核、長(zhǎng)大中的作用可以由公式(1)來(lái)表示,空位能夠緩解氧沉淀形成時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力

12、應(yīng)變,同時(shí)空位可以和氧原子組成復(fù)合體加速間隙氧原子擴(kuò)散13,14.(1+y)Si(s)+xOi+nV=SiOx+ySii+stress(1)圖3不同氣氛下,RTA恒溫時(shí)間和Oi的關(guān)系:N2/NH3混合氣氛;:Ar氣氛Fig.3InterstitialoxygenconcentrationlossvalueasafunctionoftheRTAhightemperatureduration提高.在N2/NH3混合氣氛下RTA處理的硅片,可以獲得較薄潔凈區(qū)、高密度的氧沉淀,且氧沉淀區(qū)伴有層錯(cuò)的形成,這樣的結(jié)構(gòu)可以確保吸雜效果與質(zhì)量.相對(duì)而言,Ar氣氛處理后的硅片,吸雜區(qū)氧沉淀密度較低、潔凈區(qū)較厚,

13、所以很難保證吸雜效率.4討論Falster68等人認(rèn)為:RTA處理后的硅片內(nèi)可能形成一種特殊的空位分布(表層濃度低,中間濃度高),在器件熱處理工藝中,硅片內(nèi)間隙氧原子會(huì)非均勻成核、并長(zhǎng)大形成氧沉淀.氧沉淀的形成會(huì)受到空位分布的影響,在空位濃度高的體內(nèi)將有大量氧沉淀形成;在空位濃度較低的表層,氧沉淀核心形成受到抑制,即形成潔凈區(qū).空位在氧沉淀非均勻成RTA氣氛對(duì)潔凈區(qū)和氧沉淀的影響可以通過(guò)對(duì)RTA處理恒溫過(guò)程和降溫過(guò)程中點(diǎn)缺陷的分布來(lái)討論.在Ar氣氛下RTA處理恒溫時(shí),硅片內(nèi)空位(V)、自間隙原子(i)在Frenkel過(guò)程(Si替位=V+i)作用下逐漸達(dá)到各自的平衡濃度,Frenkel過(guò)程的反應(yīng)

14、速率可以通過(guò)公式(2)來(lái)計(jì)算,其中K代表反應(yīng)速率,CV,Ci3分別為點(diǎn)缺陷1200的平衡濃度.在RTA恒溫階段CV,Ci值會(huì)隨著恒溫時(shí)間增加而不斷變化,經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的恒溫時(shí)間CV,Ci會(huì)達(dá)到各自的平衡濃度.在降溫過(guò)程中,空位和自間隙原子會(huì)通過(guò)外擴(kuò)散、Frenkel逆向過(guò)程降低濃度.由于降溫速率快、空位擴(kuò)散速率相對(duì)較慢而且濃度較高(形成能低),只有表層的空位降低到平衡濃度,體內(nèi)大量的空位將被保留且處于過(guò)飽和.這種空位分布.33=-K(CV(x,t)Ci(x,t)-CiCV)t33=-K(CV(x,t)Ci(x,t)-CiCV)t(2)研究發(fā)現(xiàn)在NH3氣氛下熱處理硅片時(shí),摻雜原子P,B的擴(kuò)散速率降低

15、,而Sb原子的擴(kuò)散速率增加.這是因?yàn)楸砻娴磻?yīng)會(huì)導(dǎo)致空位生成,并向硅片內(nèi)擴(kuò)散,空位會(huì)促進(jìn)Sb原子的擴(kuò)散而抑制P,B原子的擴(kuò)散15,16.普遍認(rèn)為硅片表面的氮化層的生長(zhǎng)是依靠Si3N4/Si界面處自間隙硅原子的外擴(kuò)散第1期馮泉林等:快速退火氣氛對(duì)300mm硅片內(nèi)潔凈區(qū)和氧沉淀形成的影響71到達(dá)Si3N4表層,然后和N原子結(jié)合生成Si3N4.在自間隙原子外擴(kuò)散的過(guò)程中,Si3N4/Si界面處會(huì)有大量的空位生成并向硅片內(nèi)注入1518.在N2/NH3氣氛下RTA恒溫處理時(shí),硅片內(nèi)空位、自間隙原子的生成是空位注入和Frenkel過(guò)程的共同作用的結(jié)果,其分布隨著恒溫時(shí)間的變化可以通過(guò)公式(3)表示.方程

16、中等號(hào)右邊的二階偏微分式代表空位或者自間隙原子的擴(kuò)散項(xiàng),余下的項(xiàng)為Frenkel過(guò)程的反應(yīng)速率,DV,Di分別代表空位和自間隙原子的擴(kuò)散系數(shù),CV3,Ci3,K與公式(2)相同.目前,文獻(xiàn)中給出的DV,Di值各不相同,所以利用公式(3)來(lái)計(jì)算CV(x,t)和Ci(x,t)面臨一定的困難.但是通過(guò)公式(3)可以知道,表層空位的注入和Frenkel過(guò)程是一種協(xié)同的作用,在兩種過(guò)程同時(shí)作用下,CV,Ci迅速增加速率遠(yuǎn)超過(guò)單一的Frenkel過(guò)程.所以相同恒溫時(shí)間下,N2/NH3氣氛下恒溫處理時(shí),硅片內(nèi)CV,Ci值整體上高于Ar氣氛處理的硅片.當(dāng)在相同的降溫速率下降溫時(shí),經(jīng)過(guò)N2/NH3氣氛處理的硅片

17、內(nèi),只有表層很薄的區(qū)域空位濃度降低到平衡濃度,而硅片體內(nèi)大量空位處于過(guò)飽和;相比之下,經(jīng)過(guò)Ar氣氛處理的硅片內(nèi),只有表層較厚的區(qū)域空位濃度降低到平衡濃度,同時(shí)體內(nèi)空位的過(guò)飽和度較低.t=DV25x2-K(CV(x,t)Ci(x,t)-Ci3CV3)t=Di2x2-K(CV(x,t)Ci(x,t)-Ci3CV3)(3)圖4是不同RTA處理階段點(diǎn)缺陷分布的變化示意圖,其中圖4(a)為RTA處理開(kāi)始時(shí)點(diǎn)缺陷濃度分布示意圖,這時(shí)點(diǎn)缺陷濃度低于1200時(shí)點(diǎn)缺陷的平衡濃度(CVCV3(1200),Cit2)可以使得點(diǎn)缺陷分布變平緩,這與空位向硅片內(nèi)注入需要一定時(shí)間有關(guān).圖4(d)為RTA結(jié)束后空位分布示意

18、圖,曲線1,2分別對(duì)應(yīng)(b)圖的t2和t1曲線,曲線3對(duì)應(yīng)Ar氣氛處理的結(jié)果.可以看到空位濃度分布直接與恒溫過(guò)程相關(guān),在恒溫時(shí)獲得的空位濃度越高,降溫結(jié)束時(shí)保留在硅片內(nèi)的空位濃度越高.結(jié)合圖4(b)和(d)可以解釋NH3氣氛下獲得的“M狀氧沉淀分布的原因:當(dāng)恒溫時(shí)間太短時(shí),空位向硅片內(nèi)部擴(kuò)散不完全(t1變化為曲線2),所以降溫結(jié)束后呈現(xiàn)“M”狀分布,進(jìn)而在后序熱處理圖4在N2/NH3和Ar氣氛下,RTA處理各階段點(diǎn)缺陷分布的變化示意圖Fig.4Sketchmapsfortheconcentrationofpointde2fectsevolutionduringRTAprocessunderN2

19、/NH3andAr中氧沉淀分布呈現(xiàn)“M”狀,但是延長(zhǎng)恒溫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致這種分布消失.這也說(shuō)明空位向硅片內(nèi)部注入、Frenkel機(jī)制生成空位和自間隙原子都需要一定的時(shí)間,所以在其他工藝參數(shù)相同的條件下,延長(zhǎng)恒溫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致潔凈區(qū)變窄,氧沉淀密度增加.5結(jié)論在相同的條件下,N2/NH3混和氣氛中RTA處理后的硅片,由于恒溫過(guò)程中空位注入和Frenkel過(guò)程共同作用,使得RTA處理后獲得的空位過(guò)飽和度高,可以形成較薄的潔凈區(qū)和高密度的氧沉淀.純Ar氣氛RTA處理的硅片,由于恒溫過(guò)程中只有Frenkel過(guò)程在起作用,所以獲得的空位過(guò)飽和度低,形成的潔凈區(qū)較厚、氧沉淀密度較低.致謝感謝意大利的RobertFa

20、lster博士在理論分析過(guò)程中給予的討論和幫助.參考文獻(xiàn)1TsuyaH.PresentstatusandprospectofSiwafersforultralargescaleintegration.JpnJApplPhys,2004,43(7A):40552InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors2004update:FrontEndProcess,http:3PlummerJD.SiliconVLSItechnologyfundamentals,practicemodeling.Beijing:PublishingHouseofElec

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