碳含量对直拉单晶硅片空位型缺陷的影响.pdf

陈加和，杨德仁，马向阳，阙端麟

（浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州。３１００２７）

摘要：最近的研究指出，碳不再被认为是硅单晶材料的有害杂质，高碳含量的直拉硅

单晶有望用于制造集成电路．本文研究了具有不同碳浓度的直拉硅片的空位型缺陷及其高

温退火行为．研究发现，随着直拉单晶硅体内碳浓度的提高，硅片原生空位型缺陷密度降

低，而且其高温热稳定性变差．碳的引入有利于抑制直拉单晶硅体内空位型缺陷的形成．

关键词：硅单晶；碳掺杂；空住型缺陷；半导体材料

１引言

早期研究发现碳不仅影响硅单晶中氧杂质行为【ｌＪ，而且易导致漩涡缺陷产生。甚至在晶体中析

出碳化硅沉淀【２ｌ，高浓度的碳还会显著增加ｐｌｎ结的漏电流，降低ｐ－ｎ结的击穿电压，严重影响功率

器件的成品率口】。因此，碳被认为是硅单晶中的有害杂质，而在晶体生长过程中被尽量避免引入【４１。

直拉硅单晶中碳的浓度一般被控制在２．５＂＂５×１０１５ｅｍ－３以下，即在红外光谱仪的探测极限以下。高碳

含量的直拉硅单晶一直未能应用于集成电路制造。然而，相比于功率器件，集成电路通常对反向击

穿电压的要求并不高，因此高碳直拉硅单晶能否用于制造集成电路需要重新审视。

杨德仁等人的研究工作表明，在高碳含量的直拉硅片中可以形成高质量的表面洁净区和体内缺

陷区【５ｌ，而且在随后的模拟器件制造热工艺过程中，洁净区的质量良好而体微缺陷区内吸杂能力稳

定１６】。这表明，掺碳直拉硅片的内吸杂效应有利于集成电路成品率的提高。最近，ＩＣＮａｋａｉ等人【７ｌ

的研究工作指出，碳与氮共掺能够抑制大直径直拉单晶硅片的空位型缺陷——晶体原生颗粒（ｃｏＰ），

这有利于提高ＭＯＳ器件的栅极氧化层完整性（ＧｏＩ）。但是，关于碳含量对直拉单晶硅片中的空位型

缺陷的影响规律目前还不是很清楚。事实上，空位型缺陷的表现形式与测试方法有关，一般可以分

为晶体原生粒子（ＣＯＰ），流动图形缺陷（ＦＰＤ）和激光层析散射缺陷０－，ＳＴＤ）。ＣＯＰ是在ＳＣｌ液腐蚀后

由激光计数器观察到的，ＦＰＤ是在Ｓｅｃｅｏ液择优腐蚀后观察到的，ＬＳＴＤ是由光散射层析摄影法０

观察到的。人们通常通过研究ＣＯＰ和ＦＰＤ的行为来研究空位型缺陷的性质。本文通过观察流动图

形缺陷（ＦＰＤ）原生分布及其高温退火行为，讨论碳的引入对直拉硅片空位型缺陷的作用机理。

２实验

ｍｉｌｌ，直径为１００

实验采用厚度为２ｍｉｌｌ，ｎ型掺硼，晶向为＜１１１＞的直拉硅单晶样品，它们的间

隙氧含量和电阻率分别为８－９Ｘ１０１７ｃｍ＂３和１０Ｑ·ｃｍ＂－２０。样品的碳含量分别为低于５Ｘ１０１５ｃｍ＂３，

２Ｘ１０１６锄’３和２Ｘ

１０１７ｃｍ．３，本文中分别称之为无碳单晶（ＮＣＣＺ），低碳单晶（ＬＣＣＺ）和高碳单晶

（ＨＣＣＺ）。这三种直拉单晶硅片的原生样品及经过高温热处理后的样品均在标准Ｓｅｃｃｏ腐蚀液（５０％

基金项目；教育部新世纪优秀人才支持计划和国家自然科学基金资助项Ｉ；ｔ

６Ｄｌ

Ｉ－ＩＦ：０１５ｔｏｏｌ

ＭＸ－５０型光学显微镜下观察流动图形缺陷特征，Ｆ进行密度分布统计。其中，高温热处理采用了不同

的热处理温度（１１００～１２００＂Ｃ），不同的保温时间（１～４ｈ）和不同的保护气氛（氲气、氮气和氢气）。

３实验结果与讨论

３ｌ原生ＦＰＤ分布

图１显示了不同碳含量的直拉单晶原生硅片在标准Ｓｅｃｃｏ腐蚀液室温腐蚀１５ｍｉａ后ＦＰＤ的典型

光学照片。一般认为．轻掺单晶硅片在Ｓｅｅｃｏ腐蚀液中腐蚀时．空位型缺陷与腐蚀液发‘￡反应所产

生的Ｈ２气泡随反应时间延长逐渐长大，依靠表面张力吸附在硅片表面．在浮力作用下将缓慢沿硅片

表面上移，从而最终脱缚硅片表面析出溶液。由于在Ｈ２气泡吸附硅片表面的过程中阻止了腐蚀渡对

缺陷附近区域腐蚀，因而在硅片表丽形成一个气泡运动的轨迹，这些轨迹就是所谓的“ＦＰＤ”㈣。从

照片上可以明显看出，随着硅片中碳含量的提高，原生硅片表面ＦＰＤ缺陷的密度降低，而且ＦＰＤ的

气泡流动区域减小。这是由于在腐蚀过程中，含有较高碳浓度的硅片空位型缺陷与腐蚀渡反应产生

的Ｈ２气泡数量较少尺≈较小所导致。由此说明，碳的引入抑制了直拉单晶硅片空位型缺陷的生成。