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高温氩退火对提高硅片质量的研究

作　者: 李宗峰
导　师: 周旗钢；何自强
学　校: 北京有色金属研究总院
专　业: 材料科学与工程
关键词: 高温氩退火 空洞型微缺陷 氧沉淀 洁净区 内吸杂 栅氧化层完整性
分类号: TN304.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


目前,集成电路正朝着大直径化和高集成度化方向迅速发展,对硅基材料的要求也越来越高,尤其是对大直径单晶硅中VOID缺陷的要求,变得越来越严格。随着线宽的减小,VOID的存在会严重降低栅氧化层完整性,进而影响MOS器件质量。研究表明,高温退火能够有效地消除大直径硅片近表面区域的VOID缺陷,提高硅片质量。此外,还可利用退火工艺在硅片内部形成氧沉淀来提高硅片的内吸杂能力,进而提高硅片质量。基于此,本文主要研究了高温退火对300mm硅片中空洞型微缺陷的消除作用,并通过热退火工艺优化提高了硅片内吸杂能力。本文利用氩气在高温下对硅片进行热处理,首先是利用高温退火使硅片表面区域的间隙氧向外扩散,进而消除硅片近表面区域的空洞型微缺陷,在硅片表面形成一个洁净区；然后利用低高两步退火工艺在硅片内部形成大量的氧沉淀和二次缺陷,这些缺陷可作为金属吸除的陷阱,从而起到内吸杂作用。本文主要研究了不同退火温度和时间对微缺陷的消除以及对内吸杂的影响。研究发现,硅片经过1200℃的高温退火能够有效消除硅片表面的空洞型微缺陷。随着退火温度的增加和退火时间的延长,表面VOID缺陷的密度也进一步降低。然而,高温退火并不能消除硅片中所有空洞型微缺陷,仅能消除距离表面10μm以内的空洞型微缺陷。此外,本论文对高温退火消除硅片表面空洞型微缺陷的机理进行了讨论。本论文还研究了三步退火工艺对硅片内吸杂能力的影响。研究表明,在硅片经过第一步高温退火后,再对其进行800℃/4h+1600℃/16h的后续热处理,能够有效提高硅片的内吸杂能力。实验表明,高温退火可以促进氧原子向外扩散,在1200℃及后续热处理后,会在硅片表面形成10μm左右的洁净区,同时在硅片内部形成高密度的氧沉淀,能有效提高硅片的吸杂能力。最后,本论文研究了高温退火对硅片GOI的影响。在第一步高温退火后,将原生硅片和退火硅片做成MOS电容器,测量其击穿电压Vbd的变化。实验发现,经过1200℃长时间高温退火后的硅片,MOS电容器的击穿电压有了明显的提高,这表明高温退火工艺能够有效改善MOS器件的GOI。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
引言  10-12
1 文献综述  12-34
  1.1 大直径CZ硅中的微缺陷  12-23
    1.1.1 空洞型微缺陷的发展  12-13
    1.1.2 空洞型微缺陷的分类  13-15
    1.1.3 空洞型微缺陷的形成  15-20
    1.1.4 杂质空洞型微缺陷的影响  20-21
    1.1.5 空洞型微缺陷的控制  21-23
  1.2 硅中的氧沉淀  23-29
    1.2.1 氧沉淀的作用  23-24
    1.2.2 氧沉淀的形成  24-26
    1.2.3 氧沉淀的形态  26-28
    1.2.4 氧沉淀的影响因素  28-29
  1.3内吸杂技术  29-34
    1.3.1 吸杂技术的分类  29-30
    1.3.2 内吸杂技术  30-34
2 试验样品和设备  34-36
  2.1 实验设备  34-35
    2.1.1 高温退火炉  34
    2.1.2 傅立叶红外光谱仪(FTIR)  34
    2.1.3 金相显微镜  34
    2.1.4 表面扫描检测系统  34-35
  2.2 样品制备  35-36
    2.2.1 样品的腐蚀  35
    2.2.2 MOS电容器的制备  35-36
3 高温退火对硅单晶中VOID的影响  36-48
  3.1 试验  36-37
    3.1.1 试验样品  36
    3.1.2 实验方案  36-37
  3.2 实验结果  37-43
    3.2.1 退火温度对COP的消除影响  37-39
    3.2.2 退火时间对COP的消除影响  39-41
    3.2.3 热处理后COP密度的深度分布  41-42
    3.2.4 热处理后硅片表面状态的变化  42-43
  3.3 分析讨论  43-47
    3.3.1 高温退火过程中间隙氧的行为  43-44
    3.3.2 高温退火过程中点缺陷的行为  44-47
  3.4 本章小结  47-48
4 高温退火对硅单晶中氧沉淀和洁净区的影响  48-57
  4.1 试验  48-49
    4.1.1 试验样品  48
    4.1.2 实验方案  48-49
  4.2 试验结果与讨论  49-56
    4.2.1 高温热处理对间隙氧含量变化的影响  49-51
    4.2.2 高温热处理对氧沉淀和洁净区的影响  51-56
  4.3 本章小结  56-57
5 高温退火硅片的GOI测试  57-61
  5.1 试验  57-58
    5.1.1 试验样品  57
    5.1.2 实验方案  57-58
  5.2 试验结果与讨论  58-60
  5.3 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
攻读硕士学位期间取得的学术成果  66-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 元素半导体 > 硅
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