300mm直拉單晶硅生長缺陷研究

王思鋒

摘 要：本文針對微電子工業的基礎材料—— 單晶硅進行了其生長缺陷方面的研究，基于300mm摻氮直拉單晶硅的生長、原生氧沉淀等方面的熱處理進行了詳細分析，同時對極低電阻率的情況下分析了摻氮重摻砷和重摻磷直拉硅單晶的生長和氧沉淀等方面進行了應用分析。

關鍵詞：300mm直拉單晶硅 生長缺陷 熱處理

中圖分類號：TN304.12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0238-01

單晶硅中的直拉單晶硅是非常重要的微電子產品原材料，其所有的硅基集成電路具有良好的電器特性，除了反向偏壓很高的器件以外，絕大多數半導體分立器件都是用直拉單晶硅制成的。與區熔單晶硅相比，直拉單晶硅的成本較低，比較容易大直徑化，一般情況下，區熔單晶硅的直徑能夠達到200 mm就已經很好，但是直拉單晶硅直徑可以達到達到450 mm，廣泛應用于太陽能電池的制造，且成本相對較低。在制作集成電路時，為了增加單晶硅的機械強度，需要在直拉單晶硅中摻氧，并且還可以使硅片具有內吸雜的特性，這兩點是制作集成電路原件材料的比較重要的特性。同時，單晶硅的摻氧工藝非常復雜，是硅材料界研究比較多的問題。

1 單晶硅生長爐組成及特點

1.1 直拉法工藝

單晶硅的突出特點是通過硅原子周期性排列形成硅體，是一種比較好的半導體材料。由于硅的物理和化學特性根據硅向不同而存在較大的差別，因此在制作不同的電子器件時要結合硅的晶體特性進行生長。工業領域最常用單晶硅晶向包括<100>、<110>及<111>三類，多數硅結型器件（如晶體管、集成電路等），大都采用<111>晶向硅片；對于表面器件如MOSFET、CCD等，大都采用<100>晶向。當前單晶硅的生長方法主要就是從熔體中生長，其中包括直拉法和區熔法兩種比較常見，而直拉法生長占據單晶硅生產的75%左右。

所謂的直拉法是由切克勞斯基在1917年首次發明的，后來經過多次完善，在1958年的時候由Dash基于完全排除位錯方法使得單晶硅生長大尺寸的工藝已經形成，并且在近幾年也呈現不斷改進的趨勢。使用直拉法單晶硅生長的工藝和設備都要求不是很苛刻，比較容易實現自動控制，適用于大規模生產單晶硅的工業領域，并且單晶硅中的雜志濃度可以得到有效控制，制成后的晶體具有低電阻率的特點。

1.2 直拉單晶硅的生長技術

目前工業上使用的將多晶硅制成單晶硅的生長方法有兩種，一種是使用石英坩堝的直拉法（Czochralski meth-od，CZ）。一種是不使用石英坩堝的區熔法（Float Zone method，FZ）。

FZ法是利用高頻線圈對垂直放置的多晶硅棒從頭部至尾部進行加熱，這種方法的最大特點是多晶棒是從頭到尾逐區熔化的，并且可以在高頻電磁場的環境中長成單晶。同時，受到硅熔體表面張力和高頻電磁場的影響，可以最大限度地保證熔區的穩定性。一般單晶硅生長時需要借助石英坩堝作為熔硅容器，而直FZ法不需要這種容器，因此區熔法制成的單晶硅其含氧濃度比較低。并且晶體中其他金屬雜志的含量也是比較低的。含氧濃度直接影響到晶體的機械特性，氧濃度低的晶體在高溫態下容易發生位錯滑移線，因此區熔單晶硅目前被廣泛應用于制作大功率器件方面。

2 300 mm摻氮直拉單晶硅的生長及其缺陷

本文使用外徑為22英寸的石英坩堝，先將90 kg高純多晶裝入石英坩堝內，抽真空到滿足要求后開始如下步驟：化料；熔體穩定；熔體表面溫度標定；氣相摻氮；引晶；肩部生長；轉肩；等徑生長；收尾；保溫；冷卻等步驟。

2.1 300 mm摻氮直拉硅片原生缺陷

硅片中P區域的原生氧沉淀密度顯著高于V區域。此外，V區域中原生氧沉淀的尺寸分布呈現兩端化，即：尺寸小的原生氧沉淀小于900 ℃對應的氧沉淀臨界尺寸，而尺寸大的原生氧沉淀則大于1000 ℃～1150 ℃之間某一溫度對應的氧沉淀臨界尺寸rc；而P區中原生氧沉淀尺寸分布則是連續的。

我們認為在硅晶體生長的冷卻過程中V區中原生氧沉淀的形成可以分為兩個階段，即：在空洞型缺陷形成之前，氮與空位共同作用促進大尺寸原生氧沉淀的形成，此后經歷了空洞型缺陷的形成而消耗了大量的空位，在此期間幾乎不形成原生氧沉淀，當晶體冷卻到足夠低的溫度后，氮和氧相互作用形成復合體促進小尺寸原生氧沉淀的形成。而對于P區來說，原生氧沉淀的形成過程則是連續的，由于在晶體生長過程中引入的空位濃度比V區低，因而與V區顯著不同的是，該區不會經歷空洞型缺陷的形成，取而代之的是空位與氧、氮共同作用，促進高密度原生氧沉淀的形成。

2.2 300 mm摻氮直拉硅片的空洞型缺陷消除

選取直徑為300 mm，晶向為<100>，電阻率約為16～17 Ω，厚度約為855 μm的P型CZ硅片。

用Bruker IFS/V/S型瑯傅里葉紅外光譜儀（FTR）測出硅片的初始氧濃度為1.2×1018 atoms/cm3，這里所用的轉換因子為3.14×1017 cm-2。直拉單晶硅片的原生樣品及經過高溫熱處理后的樣品均在標準Secco腐蝕液中于室溫（25 e）下豎直放置腐蝕巧分鐘，然后在OLYMPUS MX-50型光學顯微鏡下觀察流動圖形缺陷特征并進行密度分布統計。其計算方法為：FPD密度=FPD個數/視野面積。其中，高溫熱處理采用了不同保護氣氛（氫氣，氮氣）、不同熱處理溫度（1100～1200 ℃）和不同保溫時間（l～4小時）的常規熱退火（CFA）以及不同保護氣氛（氫氣，氮氣和氧氣）、不同的熱處理溫度（1150 ℃～1250 ℃）和不同的保溫時間（30～120 s）的快速熱退火（RTP）。

在常規熱退火處理時，在氫氣保護氣氛下1200 ℃處理4h可以顯著地消除樣品中的空洞型缺陷。在RTA處理時，Ar保護氣氛下1200 ℃熱處理30 s并以每秒50 ℃的速率降溫時能顯著消除空洞型缺陷。

3 結論

在硅晶體生長的冷卻過程中V區域中原生氧沉淀的形成可以分為兩個階段，即：在空洞型缺陷形成之前，氮與空位共同作用促進大尺寸原生氧沉淀的形成，此后經歷了空洞型缺陷的形成而消耗了大量的空位，在此期間幾乎不形成原生氧沉淀；當晶體冷卻到足夠低的溫度后，氮和氧相互作用形成復合體促進小尺寸原生氧沉淀的形成。

參考文獻

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