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引言
? ? ? 電子工業(yè)中用于集成電路的典型硅片是由直拉法生長的硅單晶錠切割而成的。這種單晶是從石英坩堝中的熔體中拉出的，該坩堝將氧原子結(jié)合到硅晶體中。氧原子占據(jù)硅晶格中的間隙位置，并能形成二氧化硅團(tuán)簇的核。這種硅晶體的熱處理引起氧擴(kuò)散和氧沉淀物的生長。晶體生長過程中每個晶片的熱歷史負(fù)責(zé)晶體不同部分中間隙氧和氧化物核的各種分布。本文研究了不同溫度工藝后直拉硅單晶中的氧沉淀，研究了不同溫度預(yù)退火對氧沉淀的影響，其中溫度歷史沒有完全消除，只是達(dá)到了不同的抑制階段。通過紅外(IR)吸收光譜測量使用不同溫度和時間的沒有和具有TR預(yù)退火的樣品，并將結(jié)果與化學(xué)蝕刻和透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行比較。本文還討論了從錠頭和錠尾觀察到的晶片溫度歷史的影響。
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實驗
? ? ? 我們探討了從兩個1.5毫米厚的硅晶片上切下的樣品中氧的沉淀過程。一個樣本是靠近直徑為150毫米的直拉法生長晶錠的起點{S}和另一個靠近終點{E}切片。該晶錠摻硼，電阻率為3-5Ω·cm，晶片表面的晶體取向為（111）。
? ? ? 兩個晶片{S，E}被一起分成10個系列的矩形樣品(尺寸約為20 mm × 15 mm):五個系列的樣品來自錠頭{S}，另外五個系列的樣品來自錠尾{E}。每個系列進(jìn)行各種TR退火:TR 1和TR 2–分別在1000℃和1100℃下退火6分鐘，TR 3和TR 4–在與TR 1和TR 2相同的溫度下退火24分鐘，加上一個標(biāo)為R的系列作為參考，沒有TR過程。在下一步中，使用以下三步處理對所有樣品進(jìn)行退火:600℃退火8小時(成核)，800℃退火4小時(均化)和1000℃退火不同時間t(沉淀)。每個系列包含幾個具有合適的沉淀時間t范圍的樣品。選擇時間t，使得間隙氧的衰減在溫度1000℃下很好地向平衡氧濃度ceq收斂。由于實驗的目的是研究TR對降水的逐漸影響，只是部分消除了熱歷史，所以我們使用1000℃和1100℃的預(yù)退火溫度來代替其他工作中使用的RTA。兩種晶圓通用的熱處理概述如表1所示。
? ? ? 所有樣品的溫度處理都是在傳統(tǒng)的實驗室爐中使用氮氣流大氣中進(jìn)行的。晶片在退火前進(jìn)行化學(xué)拋光，以消除樣品邊界上滑動錯位的產(chǎn)生。通常在退火前后通過化學(xué)清洗去除20mm厚的表層。
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表1 對兩個樣品系列進(jìn)行熱處理:從鑄錠開始{S}和從鑄錠結(jié)束{E}
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結(jié)果和討論
? ? ? 文中給出了透射光譜的測量結(jié)果，以便獲得二氧化硅沉淀的純吸收光譜。通過減去含有最少量間隙氧(8.6×1015cm-3)的浮動區(qū)硅譜，從硅譜中去除了多聲子吸收帶。為了區(qū)分間隙氧和氧沉淀的貢獻(xiàn)，將在77 K下測量的退火樣品的光譜與在生長的參考樣品上測量的光譜進(jìn)行了比較。
? ? ? 根據(jù)前文所述的理論，由橢球體沉淀的長徑比雙驅(qū)動的變化去極化因子Li控制了吸收光譜中最高最大值對應(yīng)的吸收帶的位置。球形二氧化硅沉淀的最大值略低于1100cm-1，而二氧化硅圓盤沉淀的最大值約為1250cm-1。對于橢球體的氧氣，根據(jù)長寬比沉淀最大位移。
? ? ? 圖1和圖2根據(jù)中描述的模型擬合，還顯示吸收系數(shù)光譜的模擬結(jié)果中使用三種不同長寬比的沉淀物。更多不同的類型會導(dǎo)致更好的擬合，但是擬合模型的條件會更少。由于在測量的光譜中可以清楚地觀察到三個吸收帶，我們將模型限制為三種不同的類型——長寬比，其中每種類型也可以具有不同的體積分?jǐn)?shù)和化學(xué)計量比。因此，沉淀物由三種共存的稀釋二氧化硅橢圓體表示，它們具有三種不同的縱橫比bi和體積分?jǐn)?shù)fi。從擬合吸收光譜獲得的二氧化硅x3圓盤的化學(xué)計量演化與測量值的比較如圖3所示，對于來自兩個晶片的所有樣品。結(jié)果表明，在接近晶錠開始的晶片中出現(xiàn)了片狀沉淀物。
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圖3 對于不同預(yù)熱的樣品組，繪制了板狀沉淀物(縱橫比cca 50和100)中氧的化學(xué)計量的演變
? ? ? 二氧化硅橢偏體的稀釋溶液模型也允許我們確定由吸收光譜強(qiáng)度確定的特定類型沉淀物的體積分?jǐn)?shù)fi，見等式。從所有三種假設(shè)類型的橢球體的體積分?jǐn)?shù)f獲得的沉淀物內(nèi)部氧濃度的增加如圖5所示。此外，沉淀氧總濃度的演變，如圖最左圖5所示，表明1000℃6min時TR過程的沉淀受到明顯抑制，而1100℃24min時的TR導(dǎo)致氧沉淀更類似于沒有TR的參考樣品。這種沉淀生長的延遲趨勢在所有假設(shè)類型的沉淀中都是明顯的。另外，在靠近鋼錠開始的晶片中，板樣沉淀在最長退火時達(dá)到長寬比，而TR處理過的樣品并非如此。在接近鋼錠末端的地方，預(yù)退火和未預(yù)退火的樣品之間的晶圓片的差異并不顯著，因為在這種情況下，溫度歷史要短得多。
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圖5 根據(jù)不同預(yù)熱樣品組的紅外光譜確定沉淀物內(nèi)部氧含量的增長
? ? ? 從鑄錠的開始和結(jié)束開始，在晶片中采用四種不同的TR過程實現(xiàn)了溫度預(yù)退火對沉淀的影響。退火過程中間氧損失值和氧沉淀擬合譜的參數(shù)對預(yù)退火具有顯著的敏感性。在沉淀過程中，我們觀察到在標(biāo)準(zhǔn)熱處理前使用較低的溫度和較短的TR，在沉淀退火過程中，Oi的衰減速度較慢。在沒有TR工藝的晶圓中，1000℃12h后氧氣已經(jīng)完全沉淀，但最短的TR工藝至少延長沉淀兩次，見Ref中接近錠種子的晶圓的結(jié)果。
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總結(jié)?
? ? ? 在本文中，我們研究了在籽晶處和晶錠端部切片的直拉硅片中的氧沉淀，這些硅片通過各種熱處理和各種高溫預(yù)熱進(jìn)行處理。從紅外透射光譜我們了解到沉淀物的形態(tài)已經(jīng)在成核和穩(wěn)定化退火過程中形成，而化學(xué)計量仍然在板狀團(tuán)簇的沉淀過程中演變。球形二氧化硅沉淀的化學(xué)計量變化低于檢測限。高溫預(yù)退火的效果影響所有的沉淀物，這些沉淀物的體積分?jǐn)?shù)隨著預(yù)退火溫度的降低而降低。這種效應(yīng)在來自晶錠籽晶的晶片中更明顯，在晶錠籽晶中，晶片的溫度歷史比接近晶錠末端的晶片更顯著。由于吸收光譜對盤狀沉淀物的敏感性增加，我們能夠更好地觀察到板狀沉淀物的化學(xué)計量和縱橫比的變化，而不是球狀沉淀物的變化。