摘要：对国内外在重掺硅中氧沉淀方面的研究做了综合阐述，对氧沉淀研究现状和存在问题进行了讨同时就热处理，掺杂剂对氧沉淀的影响做了浅析，使人们对重掺硅衬底中氧沉淀这一领域有更深的认识。
关键词：重掺硅；氧沉淀；掺杂剂；退火 中图分类号：tn305．3 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2004)06-0076-04 1 引言 器件性能的提高，需要器件工艺的改善，另外还要有基础材料质量的保证。材料的发展更能促进器件发展的飞跃，而材料的性能又取决于其内部结构。半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为当代电子工业中应用最多的半导体材料。
从50年代开始，氧在硅中的行为就已经得到广泛的研究。人们已经知道氧在硅中是处于过饱和状态的，并且发现了氧对硅片的机械增强作用。在60年代，人们一度认为硅中氧的行为已经得到了很好的理解，并且在60年代中期，外延晶体管工艺有了较大的发展。由于管芯制作在外延层中，因此对衬底单晶中氧的研究没有引起人们的足够重视。70年代中期，集成电路从中规模发展到大规模、超大规模，成品率下降。起初人们只把注意力集中在器件工艺上，忽视了衬底影响。而实际上，当集成电路发展到超大规模、线宽缩小到微米、亚微米级时，由衬底氧沉淀所诱生的缺陷向外延层延伸的影响已相当严重，单个缺陷就足以引起管芯短路，而导致电路失效。tan<1>在70年代末发现了氧沉淀的吸除效应，即一定密度的氧沉淀和其诱发二次缺陷具有内吸杂特性<2>，能有效地吸除硅单晶体内的点缺陷和器件工艺中引入的重金属杂质，降低对表面有源区的污染，从而获得高质量的表面洁净区(dz)。这就是半导体工业中广泛使用的内吸杂(ig)工艺。从此，对于氧的研究已从单纯追求降低氧含量及其沉淀密度变为氧和氧沉淀的控制和利用。 近年来，先进vlsi-cmos工艺使n／n+和p／p+外延片的优越性得到了充分体现。研究表明，重掺衬底／外延层结构与ig技术的结合是解决α粒子引起的软失效和闩锁效应的最佳途径。有鉴于此，重掺硅衬底材料引起了国内外研究者的广泛兴趣。 2 重掺硅中氧沉淀的形成 氧是直拉硅(czsi)单晶中最主要的非故意掺杂元素，其量级一般在1017～1018之间，以间隙氧形态存在于硅单晶中。硅中的氧来源于拉晶过程中石英坩埚的熔解，石英坩埚与硅的反应如下 si+sio2=2sio 大约有99％的氧以sio形式蒸发掉，所以掺入晶体中的氧只是溶解氧量的很小部分。由于氧是在高温(硅熔点1420℃)下结合进入晶体的，氧在硅熔点时的最大溶解度为3×1018cm-3。随着温度的下降，其溶解度也下降，因而常温下氧处于过饱和状态。氧沉淀就是由于氧被硅中平衡溶解度限制，过饱和间隙氧和硅基体、掺杂剂或缺陷作用，咯种形态在硅单晶体中沉淀下来而形成的。 实际上，氧沉淀是非常复杂的问题，影响因素很多，不仅涉及到氧初始浓度分布、存在形态，而且涉及到掺杂剂原子的浓度及分布，热处理的温度、时间等因素<3>。 近年来，重掺硅单晶中氧沉淀行为得到了许多研究者的广泛关注。研究结果表明，重掺硅单晶中氧沉淀行为和轻掺杂硅单晶中氧沉淀行为有明显的差异。 3 热处理对氧沉淀的影响 3.1 单步退火 总体讲，在各温度单步退火时，随退火时间的延长，间隙氧含量逐渐降低，氧沉淀体积逐渐增大，氧沉淀密度逐渐增加。在低温退火时，氧浓度变化很小，氧沉淀含量很少，这被归因于此时间隙氧的过饱和大，形核临界半径小，氧沉淀易于形核，且密度较大，但由于温度较低，氧的扩散较慢，激活能也小，所以氧沉淀核心极小，难以长大，甚至在电镜下也难以分辨，此时的退火又称形核温度退火<4>；中温退火时，氧沉淀量大增，此氧的扩散能力强，自间隙硅原子的迁移率高，氧沉淀核心极易长大，所以又被称为长大温度退火<5>；高温退火时，氧沉淀的量也较少，这被认为是由于退火温度很高，作为氧沉淀核心的空位群或自间隙原子团分解，大部分氧沉淀核心收缩，重新溶入基体中去，最终抑制了氧沉淀<6>。单步退火实际上是对氧沉淀形态的确定，为衬底材料打下技术应用基础。 3．2 两步退火 研究氧沉淀的形核长大过程，往往采用两步退火，它可分为低温-高温、高温-低温两种形式。在低温退火时，沉淀易形核，沉淀密度大，但难以长大；在高温退火时，沉淀的形核速率小，但沉淀易
张红娣，刘彩池 | (河北工业大学半导体材料研究所，天津 300130) |
摘要：对国内外在重掺硅中氧沉淀方面的研究做了综合阐述，对氧沉淀研究现状和存在问题进行了讨同时就热处理，掺杂剂对氧沉淀的影响做了浅析，使人们对重掺硅衬底中氧沉淀这一领域有更深的认识。
关键词：重掺硅；氧沉淀；掺杂剂；退火 中图分类号：tn305．3 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2004)06-0076-04 1 引言 器件性能的提高，需要器件工艺的改善，另外还要有基础材料质量的保证。材料的发展更能促进器件发展的飞跃，而材料的性能又取决于其内部结构。半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为当代电子工业中应用最多的半导体材料。
从50年代开始，氧在硅中的行为就已经得到广泛的研究。人们已经知道氧在硅中是处于过饱和状态的，并且发现了氧对硅片的机械增强作用。在60年代，人们一度认为硅中氧的行为已经得到了很好的理解，并且在60年代中期，外延晶体管工艺有了较大的发展。由于管芯制作在外延层中，因此对衬底单晶中氧的研究没有引起人们的足够重视。70年代中期，集成电路从中规模发展到大规模、超大规模，成品率下降。起初人们只把注意力集中在器件工艺上，忽视了衬底影响。而实际上，当集成电路发展到超大规模、线宽缩小到微米、亚微米级时，由衬底氧沉淀所诱生的缺陷向外延层延伸的影响已相当严重，单个缺陷就足以引起管芯短路，而导致电路失效。tan<1>在70年代末发现了氧沉淀的吸除效应，即一定密度的氧沉淀和其诱发二次缺陷具有内吸杂特性<2>，能有效地吸除硅单晶体内的点缺陷和器件工艺中引入的重金属杂质，降低对表面有源区的污染，从而获得高质量的表面洁净区(dz)。这就是半导体工业中广泛使用的内吸杂(ig)工艺。从此，对于氧的研究已从单纯追求降低氧含量及其沉淀密度变为氧和氧沉淀的控制和利用。 近年来，先进vlsi-cmos工艺使n／n+和p／p+外延片的优越性得到了充分体现。研究表明，重掺衬底／外延层结构与ig技术的结合是解决α粒子引起的软失效和闩锁效应的最佳途径。有鉴于此，重掺硅衬底材料引起了国内外研究者的广泛兴趣。 2 重掺硅中氧沉淀的形成 氧是直拉硅(czsi)单晶中最主要的非故意掺杂元素，其量级一般在1017～1018之间，以间隙氧形态存在于硅单晶中。硅中的氧来源于拉晶过程中石英坩埚的熔解，石英坩埚与硅的反应如下 si+sio2=2sio 大约有99％的氧以sio形式蒸发掉，所以掺入晶体中的氧只是溶解氧量的很小部分。由于氧是在高温(硅熔点1420℃)下结合进入晶体的，氧在硅熔点时的最大溶解度为3×1018cm-3。随着温度的下降，其溶解度也下降，因而常温下氧处于过饱和状态。氧沉淀就是由于氧被硅中平衡溶解度限制，过饱和间隙氧和硅基体、掺杂剂或缺陷作用，咯种形态在硅单晶体中沉淀下来而形成的。 实际上，氧沉淀是非常复杂的问题，影响因素很多，不仅涉及到氧初始浓度分布、存在形态，而且涉及到掺杂剂原子的浓度及分布，热处理的温度、时间等因素<3>。 近年来，重掺硅单晶中氧沉淀行为得到了许多研究者的广泛关注。研究结果表明，重掺硅单晶中氧沉淀行为和轻掺杂硅单晶中氧沉淀行为有明显的差异。 3 热处理对氧沉淀的影响 3.1 单步退火 总体讲，在各温度单步退火时，随退火时间的延长，间隙氧含量逐渐降低，氧沉淀体积逐渐增大，氧沉淀密度逐渐增加。在低温退火时，氧浓度变化很小，氧沉淀含量很少，这被归因于此时间隙氧的过饱和大，形核临界半径小，氧沉淀易于形核，且密度较大，但由于温度较低，氧的扩散较慢，激活能也小，所以氧沉淀核心极小，难以长大，甚至在电镜下也难以分辨，此时的退火又称形核温度退火<4>；中温退火时，氧沉淀量大增，此氧的扩散能力强，自间隙硅原子的迁移率高，氧沉淀核心极易长大，所以又被称为长大温度退火<5>；高温退火时，氧沉淀的量也较少，这被认为是由于退火温度很高，作为氧沉淀核心的空位群或自间隙原子团分解，大部分氧沉淀核心收缩，重新溶入基体中去，最终抑制了氧沉淀<6>。单步退火实际上是对氧沉淀形态的确定，为衬底材料打下技术应用基础。 3．2 两步退火 研究氧沉淀的形核长大过程，往往采用两步退火，它可分为低温-高温、高温-低温两种形式。在低温退火时，沉淀易形核，沉淀密度大，但难以长大；在高温退火时，沉淀的形核速率小，但沉淀易
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