直拉硅單晶中微缺陷的特征及演變

佟麗英, 高 丹

(中國電子科技集團公司 第四十六研究所,天津 300220)

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直拉硅單晶中微缺陷的特征及演變

佟麗英, 高 丹

(中國電子科技集團公司 第四十六研究所,天津 300220)

直拉硅單晶拋光片經過高溫氧化后,腐蝕顯示出氧化誘生缺陷,包括漩渦缺陷和氧化層錯(oxidation induced stacking faults,OISF),其形狀和分布與單晶生長過程中形成的微缺陷有一定的對應關系。文章通過試驗顯示出漩渦缺陷的內部特征及OISF的密度變化,推測出其對器件性能產生的影響,并確定控制單晶質量的特征參數。

微缺陷;氧化誘生;漩渦缺陷;氧化層錯

0 引 言

在實際生長的半導體晶體中,總是存在著偏離理想情況的不完整現象。直拉硅單晶拉制過程中,固液界面生成的點缺陷為過飽和的,在單晶冷卻時,一部分形成微缺陷;另一部分未形成微缺陷的殘留點缺陷,會影響氧沉淀及氧化層錯(oxidation induced stacking faults,OISF)的產生[1]。體OISF一般認為成核于氧沉淀處[2-3],其反應驅動力為張應力和自間隙過飽和度,也有研究認為成核于體內的空洞處[4]。表面OISF形成的根本原因是熱氧化時硅-二氧化硅界面處產生自間隙硅原子[5-6],這些自間隙硅原子擴散至張應力或晶格點缺陷(成核中心)處而形成OISF并長大。

采用硅片作為襯底材料制備器件時,由于需要較長時間的熱過程,微缺陷及氧沉淀聚集在一起形成二次缺陷,導致材料的載流子壽命下降,不僅使大功率高反壓器件的性能劣化,而且使電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)產生暗電流尖峰,同時也嚴重影響集成電路的成品率。

直拉硅單晶中微缺陷采用文獻[7]氧化誘生的方法檢測,其原理是模擬器件的熱循環,然后進行化學腐蝕形成對微缺陷的綴飾放大作用,以便于檢測。晶向〈111〉拋光片的氧化誘生缺陷多數以霧的形式顯示;晶向〈100〉拋光片的氧化誘生缺陷以OISF的形式顯示。

1 試驗過程

試驗1 試驗中的樣片為晶向〈100〉和晶向〈111〉 2種共3個樣片,3片是單晶編號為1405432、1405433、0815-30的頭部樣片,取樣位置在單晶收肩后1/2直徑長度的地方,即等徑下方50 mm處。樣片在單晶中的位置如圖1所示,樣片的具體參數見表1所列。

圖1 樣片在單晶中位置示意圖

樣品晶向直徑/mm電阻率/(Ω·cm)厚度/μm14054321405433<100>100±0.520～40450±100815-30<111>100±0.534～46880±15

試驗條件如下:參照GB/T 4058-2009標準,硅片在1 100 ℃濕氧氧化2 h,然后去除氧化膜,用Schimmel腐蝕液A腐蝕4～6 min。腐蝕結果見表2所列。

表2 氧化誘生缺陷腐蝕結果

OISF在宏觀上可能形成同心圓、漩渦狀等圖形,微觀上為大小不一的船形、弓形、卵形及桿狀蝕坑。在硅單晶的拉制過程中由于拉速與熱場不匹配會形成漩渦,漩渦在宏觀上為同心圓、螺旋、波浪和弧狀等圖形,在100倍或更高放大倍數下呈不連續的蝶形(淺)蝕坑[7]。

試驗2 本試驗中3個樣片是從眾多批中篩選出的不合格品,其OISF密度及漩渦缺陷均超出產品要求,為了弄清OISF及漩渦缺陷的變化過程,從晶向〈100〉的編號為1405432和1405433的單晶拋光片中分別取2片和4片,在已拋光的基礎上進行第2次拋光,正面去除10 μm。然后重復試驗1的氧化腐蝕過程。編號1405432-008的局部缺陷腐蝕圖形如圖2a所示。

試驗3 檢測后的硅片進行第3次拋光,正面再去除10 μm。然后重復試驗1的氧化腐蝕過程。1405433-045的局部缺陷腐蝕圖形如圖2b所示。

按GB/T 4058-2009標準進行OISF密度測試,結果見表3所列。

圖2 OISF腐蝕圖形

個/cm2

試驗4 在試驗1中晶向〈111〉編號0815-30的樣片在檢測中有漩渦缺陷,如圖3a所示,沿〈110〉晶向解理面進行解理,結果如圖3b所示。解理后對2#條狀硅片按標準文獻[8]進行腐蝕,顯微鏡觀察微缺陷在解理面形成一個弧形帶示意圖,如圖3c所示,從其形狀判斷與拉晶時結晶前沿有對應關系。

對圖3c中解理面A、B區域再放大200倍進行顯微鏡觀察。由于解理面A、B區域是解理后直接進行腐蝕的,按原生缺陷顯示。顯微鏡觀測腐蝕圖形如圖4所示。在硅片表面下方有1個由微缺陷組成的缺陷帶,對應半球形與解理面相交部分的微缺陷。

圖3 晶向〈111〉樣片及解理面示意圖

圖4 晶向〈111〉樣片解理面原生腐蝕圖形

將此條狀硅片按試驗1中的條件進行氧化腐蝕后,其顯微鏡觀測圖形如圖5所示。

原生腐蝕顯示的帶狀微缺陷經過氧化誘生后顯示的OISF仍形成帶狀,OISF密度比微缺陷密度減小而形狀增大。

圖5 晶向〈111〉樣片解理面氧化誘生腐蝕圖形

2 分析與討論

引起OISF的因素一般有機械損傷產生的殘余應力、單晶內部微缺陷及表面沾污。在確保表面清洗工藝一致的情況下,機加工和單晶內部缺陷是引起OISF的主因。通過試驗1～3可以看出,后續的拋光工藝在原來拋光片的基礎上又去除10～20 μm,對機加工的殘余應力去除比較充分,應該降低OISF密度,結果反而增加了,由此可推斷,OISF的誘因是單晶內部微缺陷引起的。

通過試驗1和試驗4可以看出,解理面中氧化誘生腐蝕顯示的帶狀OISF也就是原生腐蝕顯示的帶狀微缺陷,氧化過程中以微缺陷為成核中心,吸收周圍的點缺陷,再次聚集,逐步長大形成OISF。OISF對表面的缺陷及金屬離子等沾污起內吸除作用,對應于漩渦缺陷的無霧區域,而無帶狀缺陷的區域對應于硅片表面有霧的區域。

當硅片經受熱高溫時,存在一個臨界成核尺寸,晶體中小于該臨界尺寸的原生微缺陷會縮小或湮滅,大于該溫度臨界尺寸的原生微缺陷會長大或轉化,并隨熱處理時間的增長,缺陷會變得愈來愈大。因此,對〈100〉晶向硅片,隨著氧化時間增加,OISF密度也增加,與試驗結果有較好的對應性。在第1次氧化時未顯示的微缺陷經過第2次、第3次高溫進一步聚集長大[9],因此增加氧化次數,OISF密度增加。而對〈111〉晶向硅片,經過氧化腐蝕后,漩渦缺陷將會更明顯。解理面氧化腐蝕后顯示,表面漩渦中無霧區域對應的解理面微缺陷逐步長大,而有霧區域對應的解理面微缺陷縮小或湮滅。由此可以認為,漩渦缺陷中無霧區域的內部缺陷比有霧區域的內部缺陷對后續器件性能的影響更大。

單晶在拉制過程中,微缺陷多數處于過飽和狀態,以氧碳作為成核中心,形成漩渦缺陷及氧化誘生缺陷。但是對于一顆單晶來說,漩渦缺陷多數出現在頭部或者尾部,而中間的大部分是沒有漩渦的,這與氧碳含量的分布沒有對應關系,因此影響漩渦缺陷形成的另一個主要因素是單晶的拉制條件,即V/G理論(V為拉速,G為熱場徑向溫度梯度),而氧碳含量是主要的成核中心。

3 結 論

本文通過對硅單晶拋光片進行原生微缺陷和氧化誘生缺陷的腐蝕顯示,清晰地觀測出其不同形狀和密度；通過進一步試驗,正確區分了單晶本身的微缺陷和加工損傷引起的缺陷，以此判別出單晶的質量,除了控制漩渦缺陷及OISF的指標之外,還要嚴格控制單晶中的氧碳含量。通過氧化誘生缺陷的檢測,對微缺陷的產生和演變有了進一步認識,但是氧化誘生檢測過程與器件研制的熱循環工藝過程有一定的差異,因此分析缺陷在器件研制過程中的變化以及對器件產生的影響,才能與用戶達成一致,實現更好的合作。

[1] 楊樹人,王宗昌,王兢.半導體材料[M].2版.北京:科學出版社,2009:98-101.

[2] RAVI R V，VARKER G J.Oxidation-induced stacking faults in silicon. I. Nucleation phenomenon [J].Journal of Applied Physics，1974，45(1)：263-271.

[3] MAHAJAN S，ROZGONYI G A，BRASEN D.A model for the formation of stacking faults in silicon [J].Applied Physics Letters，1977，30(2)：73-75.

[4] MONSONA T K，VAN VECHTEN J A. On the origins of oxidation-induced stacking faults in silicon [J].Journal of the Electrochemical Society，1999，146(2)：741-743.

[5] KAGESHIMA H，SHIRAISHI K. Silicon-kicking-out mechanism in initial oxide formation on hydrogen-terminated silicon(100) surfaces [J].Applied Surface Science，1998，130/131/132:176-181.

[6] KAGESHIMA H，SHIRAISHI K. First-principles study of oxide growth on Si(100) surfaces and at SiO2/Si(100) interfaces[J].Physical Review Letters，1998，81(26)：5936-5939.

[7] 全國半導體設備和材料標準化技術委員會.硅拋光片氧化誘生缺陷的檢驗方法：GB/T 4058—2009[S].北京:中國標準出版社,2009:2-3.

[8] 全國半導體設備和材料標準化技術委員會.硅晶體完整性化學擇優腐蝕檢驗方法:GB/T 1554—2009[S].北京：中國標準出版社，2009：2-3.

[9] 劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.超大規模集成電路襯底材料性能及加工測試技術工程[M].北京:冶金出版社,2002:231-236.

(責任編輯 胡亞敏)

Charateristics and transformation of microdefects in Czochralski silicon single crystal

TONG Liying, GAO Dan

(No.46 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Tianjin 300220, China)

After high temperature oxidation and etching， Czochralski(CZ) silicon single crystal polished wafers show oxidation induced defects including swirl defects and oxidation induced stacking faults(OISF)， whose shape and distribution correlate with microdefects during the single crystal growth process. The internal characteristics of swirl defects and the density distribution of OISF are experimentally demonstrated and the effect of the defects on the device performance is analyzed. The characteristic parameters of single crystal quality are also determined.

microdefect; oxidation inducement; swirl defect; oxidation induced stacking faults(OISF)

2015-05-05；

2015-11-09

國防基礎科研資助項目(A1120132018)

佟麗英(1965-),女，天津寶坻人,中國電子科技集團公司研究員.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.009

TN304.053

A

1003-5060(2016)09-1196-04