硅中的缺陷和硅片热处理

文章编号 : 1005 - 2046 (2000) 04 - 0171 - 06收到日期 : 2000204207作者简介 : 闵 靖 (1941～ ) , 男 , 教授级高级工程师 1硅中的缺陷和硅片热处理闵 靖 , 邹子英(上海市计量测试技术研究院 , 上海 200233)摘 要 : 本文评述了近年来着重研究的 COP、 LSTD 、 FPD和 BMD 等硅中的微缺陷。介绍了硅片在氢或氩气中高温退火对消除硅中微缺陷 , 提高 GOI 合格率的实验结果。 研究表明 , 硅片的高温退火是提高硅片质量的一种技术途径。关键词 : 硅 ; 晶体原生颗粒缺陷 ; 激光散射断层缺陷 ; 流动图形缺陷 ; 体微缺陷 ; 栅氧化层完整性中图分类号 : TN304112 文献标识码 : A1 引 言90年代大规模集成电路的发展依然遵循摩尔定理 , 每 3 年器件的尺寸缩小 1/ 3 ,芯片的面积约增加 115 倍 , 芯片中的晶体管数增加 4 倍 , 现在已进入线宽为 0118μ m 的特大规模 ULSI 领域 。随着集成电路的飞速发展对 ULSI 用的硅片质量提出了更高的要求 。 归纳起来就是要求硅片的晶格缺陷更少以及对器件有害的杂质含量更低 。研究表明 , 缺陷的尺寸在 ULSI 特征线宽的 1/ 3 以上时 , 就成为致命的缺陷 [1 ] , 会导致器件失效 。 要提高硅片的质量 , 满足集成电路的要求 , 一方面要改进拉晶的工艺和硅片加工的质量 , 另一方面应用 80 年代提出的缺陷工程 [2 ] 来改善硅片的质量 。 缺陷工程广泛用于硅片生产和集成电路制备过程中的是内吸除和外吸除技术 。 硅片背面淀积多晶硅 、 背面软损伤等是已经在生产中应用的外吸除技术 , 用三步法退火利用硅片中氧在硅片体内形成高密度的氧沉淀 — — — 体微缺陷 (BMD)起杂质吸除中心而在硅片表面形成一层洁净区称之为内吸除 , 通常称为氧本征吸除 [3 ] ,这也是常用的提高硅片质量的一种吸除技术 。 使用内吸除技术需要高氧含量的硅片 ,三步法热处理工艺过程 ,还与硅片的 “ 热历史” 有关 ,所以影响了这种技术的有效应用 。90 年代起为适应 ULSI 对硅片质量的要求 , 国际上两种技术途径在研究开拓 : 一种是硅片热处理技术 ; 另一种是硅外延 。 硅片热处理以日本为代表 , 1993 年日本东芝陶瓷公司开发成功硅片高温氢处理的新技术 ,并生产了称为 “ High wafer” (高质量硅片 )的硅片 [4 ] 。 这种硅片质量好 , 而价格提高了一倍 , 这种硅片已为日立 、 富士通 、 IBM 等集成电路生产企业所采用 。 另一途径是使用硅外延片 , 因外延层含氧量低 , 没有晶体原生颗粒缺陷 , 并且硅外延片还能把吸除技术结合起来应用 , 所以硅外延片是制作半导体器件的一种很好的材料 。 对器件而言 , 硅外第 21卷 第 4 期 上 海 有 色 金 属 Vol121 No142 0 0 0 年 12 月 SHANG HAI NONFERROUS METALS Dec. 2 0 0 0延片具有能扼制闩锁效应 、 抗 α 粒子辐射等优点 , 因而倍受青睐 , 当然硅外延片成本比抛光硅片高 。本文介绍了近年关注的硅中的缺陷和硅片高温热处理对降低硅中的缺陷 、 提高硅片质量的效果 。2 硅中的几种晶格缺陷在单晶硅晶锭生产和硅片加工的过程中 , 由于种种原因会破坏硅单晶晶格的完整性 , 即形成晶格缺陷 。 在拉制硅单晶过程中形成的缺陷称为原生缺陷 , 而在硅片加工过程中及器件工艺过程中引入硅片中的缺陷称为诱生缺陷 。 随着集成电路对硅片质量提出更高的要求 , 近年来 , 硅中一些更微小的缺陷也引起人们的研究兴趣 。211 硅中的空位和填隙原子硅中的空位 (V ) 和硅的自填隙原子( I) 称为硅的本征缺陷 , 它们是在拉晶时在硅的固液界面形成的 。随着硅晶体的冷却 ,因温度和浓度梯度的作用向晶锭固体部分扩散 。 一般在硅片的中间区域是空位富集区 ,而在硅片的边缘区域是填隙原子富集区 , 如图 1 所示 。 经过适当高温缀饰处理 (例如水汽热氧化 ) , 氧化层错往往产生在 V 和 I 富集区的交界处 [5～ 7] 。 本征缺陷在高温时是孤立的点缺陷 , 在晶锭冷却时点缺陷开始凝聚 , 在 V 富集区往往形成空位团 , 这种空位团称 D 缺陷 。 在 I 富集区 , 高浓度的填隙原子会形成非本征型 (插入型 ) 的位错环 。对直拉 (CZ) 硅单晶 , 根据拉速 v 和固液界面处轴向温度梯度 g 的不同 , V 和 I 富集区的大小会发生变化 。 研究表明存在一种Ccrit = 211 × 1025 cm2 s21 K21 参数 , 当 v/ g > Ccrit时 , 即高拉速或小的轴向温度梯度时 , 硅片中 V 富集区扩大甚至使 I 富集区消失 , 形成全部是 V 富集区 。当 v/ g 1025 A , 即判为栅氧化层击穿 。 经研究 , 影响 GOI 合格率的缺陷是 OSF、 COP、 LSTD 、 FPD、 D 缺陷以及硅片表面的微粗糙度 。图 7 是不同退火温度和气氛对 GOI 合格率的影响 [12 ] 。实验结果表明 , 抛光硅片经1200℃ 氩气或氢气气氛退火 , GOI 合格率较471 上 海 有 色 金 属 第 21 卷高 , 退火时间以 2 小时为佳 。图 7 不同的退火条件对 GOI合格率的影响图 8 是 CZ 抛光硅片 、高温氢处理硅片和硅外延片对器件合格率的影响 [16 ] , 器件用归一化合格率 。 统计显示后两种硅片合格率高 , CZ 抛光硅片合格率低 。经不同研究组的研究 , 抛光硅片经过氩气和氢气高温退火会减少或者消除 LSTD、 FPD、 OSF和 BMD等缺陷 , 提高 GOI 合格率 , 器件试验表明能提高器件的合格率 。 总之 , 硅片的高温氩或氢处理提高了硅片的质量 。图 8 3 种硅片上归一化器件合格率4 结 论(1) 随着集成电路的发展 , 对硅中微缺陷的研究在深入 。(2) COP、 LSTD、 FPD都是近年来研究发现的微缺陷 , 它们与硅中的空位和氧有关 。 这些缺陷连同 BMD 和 OSF 都影响硅片的质量 , 从而影响器件的性能和合格率 。(3) 硅片在氢或氩气中高温退火 , 会加速硅中氧外扩散 , 在硅片表面能形成一层低氧洁净区 , 极大地减少了与氧有关的缺陷 :COP、 LSTD、 FPD、 BMD 和 OSF, 提 高 了GOI 的合格率 。(4) 硅片在氢或氩气中高温退火是提高硅片质量的有效方法之一 。参考文献 :[1 ] Huff H R. J ElectronchemSoc , 1997 , 144: 243.[2 ] Chikawa J , et al. Defect Engineering, Ed. Chikawa,KTK, Sci Pub, 1987.[3 ] Tan T Y, Grander, E E , Tice W K. Appl Phys Lett ,1977, 30 : 175.[4 ] 新金属工业 , 1994 , 秋季号 , 317.[ 5 ] Wanger P. Procof 2nd Int Symp on AdvancedSci crystal originated particle ; laser scattering tomography defect; flow pattern defect; bulkdefect; gate oxide integrity上海金缘工业工程公司提供锡青铜带材二手专用生产设备一套(也可生产黄铜带 )1. 二辊开坯机 <305 × 400mm 电机 240kW2. 四辊轧机 <100Π <400 × 500mm 电机 75kW3. 四辊轧机 <100Π <305 × 400mm 电机 55kW4. 四辊轧机 <85Π <230 × 350mm 电机 45kW5. 二辊轧机 <200 × 400mm 电机 55kW6. 裁边机 <190 (附五辊打卷机 ) 15kW7. 真空地坑退火炉 <800 × 1200mm (二个不锈钢胆 ) 90kW8. 切头机 8 × 300mm 55kW9. 步进式加热炉 燃油 、 双排上述设备成色较好 , 价格优惠 。 需要者欢迎面谈 、 看货 。联系地址 : 上海市中山北一路 1250号 1 号楼 2004室 上海金缘工业工程公司工业项目部联 系 人 : 王先生 电话 (传真 ) : (021) 65425710 邮 编 : 200437671 上 海 有 色 金 属 第 21 卷