快速熱處理對直拉硅單晶氧沉淀和潔凈區(qū)的影響

快速熱處理對直拉硅單晶氧沉淀和潔凈區(qū)的影響

1碳硅材料的氧沉淀作用在直接拉硅單晶的生長過程中，由于石英粉的溶解，硅單晶中存在過飽和的氧。在處理過程中，細硅單晶體內(nèi)的過飽和氧聚集形成氧沉淀，氧沉淀吸收硅表面上的金屬雜質(zhì)，有效提高探測器的成品率。因此,在器件制備的多步熱處理工藝中,直拉硅單晶中氧沉淀的行為得到了廣泛的關(guān)注?？焖贌崽幚?RTP)已經(jīng)廣泛應用于當今器件生產(chǎn)中,它具有快速升溫的特點,可以顯著減少雜質(zhì)擴散和金屬沾污,同時RTP的熱電偶可以直接測量硅片的溫度,使溫度控制更加精確,而且魔幻潔凈區(qū)(MDZ)的出現(xiàn)也進一步突顯了其在器件工藝過程中的特殊作用。經(jīng)過研究,RTP可以使硅片中的空位形成從表面到體內(nèi)逐漸上升的濃度分布,這種空位機制會影響硅片體內(nèi)的氧沉淀的形成與分布,使得硅片體內(nèi)出現(xiàn)高密度的BMD,表面存在DZ。同時,RTP可以在一定程度上消除硅片的熱歷史。但是,RTP對CMOS器件的多步熱處理工藝中硅單晶中氧沉淀影響的研究還很少有報道。本文應用RTP(1250℃,50s)代替常規(guī)爐處理(1200℃,2小時)消融硅片的原生氧沉淀,研究了在模擬的CMOS器件熱處理工藝中,RTP對硅片體內(nèi)氧沉淀及DZ的作用。2熱處理cz實驗選取了直徑200mm,〈100〉晶向,電阻率為10~12Ω·cm,厚度為600μm左右的CZ硅片,樣品間隙氧濃度由傅立葉紅外測試儀(FTIR)測得為10.7×1017atom/cm3,轉(zhuǎn)換因子為3.14×1017cm-2。CZ樣品分為兩組,一組命名為groupC,應用常規(guī)爐處理(1200℃,2小時)消融原生氧沉淀;另一組命名為groupR,應用RTP(1250℃,50s)消融原生氧沉淀。之后,應用表1所示的熱處理工藝對消融原生氧沉淀后的樣品進行處理。實驗過程中,我們采取跟蹤測量的辦法。消除熱歷史后的groupC和groupR樣品分別命名為C-0和R-0;在表1所示的第1步,第2步,第4步,第6步熱處理之后取出部分樣品,依次命名為C-1,C-2,C-4,C-6和R-1,R-2,R-4,R-6。最后,取出的樣品的間隙氧濃度用FTIR測定,然后將樣品解理,用Sirtl液腐蝕3min后,用光學顯微鏡觀察其DZ和BMD。3熱處理條件對氧沉淀的影響圖1給出了在模擬的CMOS熱處理工藝過程中,樣品groupC和groupR的間隙氧濃度的變化情況;其中,點(g)代表原生硅片的間隙氧濃度,點(0)~(6)分別代表樣品C-0和R-0~樣品C-6和R-6的間隙氧濃度;整個熱處理過程中,樣品groupR的間隙氧濃度均高于groupC。從點(1)可以看到,經(jīng)過RTP(1250℃,50s)處理的樣品R-0的氧濃度升高,表明樣品的原生氧沉淀被部分消融了;而經(jīng)過常規(guī)爐退火(1200℃,2h)處理的樣品C-0的氧濃度未有明顯的變化。所以,RTP是一種更有效消融原生氧沉淀的手段。從點(1)可以看到,經(jīng)過第1步(濕氧氧化)熱處理后,樣品C-1和R-1的間隙氧濃度均略有下降。這是因為在經(jīng)過濕氧氧化處理時,硅片表面生成厚度約100nm的氧化層,使得大量的自間隙硅原子注入樣品體內(nèi),這些自間隙原子會抑制氧沉淀核心的生成和長大。從點(2)可看出,樣品C-2和R-2的間隙氧濃度下降明顯,并且樣品C-2的氧濃度的下降量高于樣品R-2的。這是因為第2步中所有的熱處理溫度均高于950℃,雖然不利于氧沉淀核心的形成,但是高溫下硅片中氧的擴散系數(shù)較大,而且高溫熱處理時間超過8小時,所以尺寸大于熱處理溫度下氧沉淀所需的臨界半徑的原生氧沉淀有充分的時間長大,樣品的間隙氧濃度下降。前面提到,RTP可以更有效地消融原生氧沉淀,所以R-2中殘留的原生氧沉淀量比C-2的少,因此R-2體內(nèi)可以在高溫過程中長大的原生氧沉淀的量也少于樣品C-2的,所以其間隙氧濃度的下降程度不像C-2那樣明顯。從點(4)可看到,樣品C-4和R-4的間隙氧濃度的下降最為明顯。熱處理工藝中第3和第4步可以看作是一次低-高兩步退火過程。樣品C-4在經(jīng)過第3步的處理時,其間隙氧濃度仍然比較高(由點(2)可知),氧沉淀的形核驅(qū)動力較大,所以其體內(nèi)會有大量的氧沉淀核心生成,這些核心和硅片體內(nèi)的原生氧沉淀會在第4步高溫熱處理時長大,使得樣品間隙氧濃度下降。對于樣品R-4,由于RTP的作用,在原生氧沉淀被有效消融的同時,樣品體內(nèi)的空位和自間隙原子也會快速地外擴散,形成從表面到體內(nèi)逐漸上升的濃度分布,由于自間隙原子的擴散系數(shù)更大,所以當兩者復合以后,空位剩余下來。在經(jīng)過第3步的處理時,樣品R-4體內(nèi)剩余的空位可以促進較大尺寸的氧化粒子(氧和空位的聚集體)的生成,因而高溫退火時這些氧化粒子能長大,促進氧沉淀,使得樣品的氧濃度下降。對于樣品C-6和R-6,雖然第5和第6步也可以看作是一次低-高熱退火,但此時硅片體內(nèi)的氧濃度接近于熱處理溫度下的平衡濃度,沉淀的核心難以生成,所以其間隙氧濃度下降不明顯。圖2為樣品C-1,2,4,6和R-1,2,4,6的解理面照片。眾所周知,體微缺陷通常與氧沉淀相關(guān)。因此,體微缺陷數(shù)量的變化就反映了氧沉淀數(shù)量的變化。顯然,經(jīng)過RTP處理的樣品groupR中BMD的數(shù)量相對少一些,意味著RTP消融原生氧沉淀的作用更顯著。從圖中還可以看出,隨著工藝的進行,樣品的BMD是逐漸增加的。樣品C-1,C-2和R-1,R-2體內(nèi)的BMD密度較小,表明硅片體內(nèi)的原生氧沉淀的密度并不高,同時表明:在工藝的第1和第2步處理過程中,樣品體內(nèi)基本沒有新的氧沉淀核心出現(xiàn)。在第3和第4步處理過程中,樣品C-3和R-3中BMD增加最快,并且大部分BMD的尺寸比較均勻,表明這部分BMD可能是工藝處理過程中新出現(xiàn)的氧沉淀核心的長大形成的。樣品C-4,R-4中BMD密度與樣品C-6,R-6的相差不大?？煽吹綐悠稡MD的變化趨勢與圖1給出的氧濃度的變化狀況一致。圖3中顯示了經(jīng)過CMOS熱處理工藝后,樣品C-6和R-6的DZ的狀況,可以看到兩者均擁有均勻的寬度約為20μm的DZ。樣品C-6的DZ形成的原因是硅單晶體內(nèi)間隙氧在高溫處理時外擴散,使近硅片表面的間隙氧濃度的過飽和度過低,氧沉淀的形核推動力不足,因而形成DZ。R-6樣品潔凈區(qū)形成的原因是硅片體內(nèi)的空位在RTP的作用下快速外擴散,形成從表面到體內(nèi)逐漸上升的空位濃度分布,并且只有在硅片的某一深度范圍內(nèi),才會有大量的空位存在,以促進氧沉淀核心的生成,而這個深度范圍以外很難形成氧沉淀并引發(fā)二次缺陷的出現(xiàn),并且由于工藝中有多步長時間高溫處理,樣品體內(nèi)的間隙氧原子也會不斷外擴散,使得硅片表面氧濃度很低,因而DZ得以形成。4直拉硅單晶的熱歷史檢測本文研究了RTP在模擬的CMOS工藝中對直拉硅單晶中氧沉淀和DZ的影響。通過對比是否