快速热处理对电子辐照直拉硅氧沉淀的影响

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1、快速热处理对电子辐照直拉硅氧沉淀的影响马晓薇，陈贵锋，郝秋艳，白云娜，薛晶晶，李养贤∗（河北工业大学材料学院信息功能材料研究所，天津300130）（浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州310027）摘要：研究了快速热处理（RTP，RapidThermalProcessing）以及热处理气氛对电子辐照直拉硅（CZ-Si）中氧沉淀和清洁区（DZ，DenudedZone）的影响。采用辐照能量为1.5MeV、辐照剂量为1.8×1018e/cm2的电子辐照直拉硅样品一部分在Ar、N2两种不同气氛下高温一步退火，另一

2、部分先进行不同温度的RTP预处理再进行高温一步长时间退火，研究样品中体缺陷和清洁区的形成。实验发现RTP预处理有助于氧沉淀的生成，且RTP温度越高氧沉淀的生成量越大；N2气氛下RTP预处理有助于后期退火中DZ和体缺陷（BMDs，bulkmicrodefects）的生成，在N2气氛下RTP退火形成的DZ比较窄，BMDs密度比较大，而且结构较为复杂；与Ar气氛相比，在N2气氛下退火更能促进电子辐照硅单晶中氧沉淀的进程。关键词：直拉硅，电子辐照，氧沉淀，清洁区中图分类号：TU411;TU472.5文献标识码：

3、A文章编号：1引言近年来，直拉硅中氧沉淀以及与氧有关的本征吸除效应研究很多，而且已经取得了许多有价值的结果[1,2,3,4]，但是关于电子辐照直拉硅中氧沉淀及其诱生缺陷演变的研究较少。单晶硅受到电子辐照时，可以产生位移效应，从而产生大量的空位（V）、硅自间隙原子（I）[5]。一部分空位和自间隙原子可直接复合，另一些逃脱最初复合的空位、间隙原子可以在硅中扩散运动，并能与硅中其它的缺陷或杂质(特别是氧、碳)相互作用生成空位型或间隙型辐照缺陷。在热处理过程中，部分缺陷将分解，相反稳定的缺陷将作为氧沉淀的核心从

4、而促进氧沉淀的形成。快速热处理技术具有快速升温和精确控温的特点，现已广泛应用于半导体器件的工艺过程中。在快速热处理（RTP，RapidThermalProcessing）过程中原生的氧沉淀核心将收缩，部分原生氧沉淀将分解。表面附近空位含量低于促进氧沉淀形成的临界浓度，在随后氧沉淀长大的过程中，表面区域的氧沉淀受限从而没有氧沉淀的生成。硅片体内空位浓度较高，利于氧沉淀的生成。另外，RTP能够在硅机体内引入足够浓度的空位，这些空位可以在较低温度下促进氧沉淀的形核。在快速退火过程中，辐照引入的大量空位型缺陷中

5、一部分缺陷在高温下将分解，而一部分比较稳定的缺陷将作为氧沉淀的核心进而促进氧沉淀的形成。在RTP过程中，氧并不外扩散，只是在降温过程中，空位扩散较快，从而实现了表面清洁区。另外，电子辐照在硅中引入大量的空位型缺陷，在快速退火过程中会对氧沉淀产生影响，同时已经证明RTP预处理能够产生空位进而促进氧沉淀[6]。由于不同的热处理气氛可以影响RTP处理后硅片体内的空位浓度分布[7]，因此不同的RTP处理气氛也可以影响硅片中氧沉淀的分布。本文对电子辐照样品在N2气氛下进行不同温度RTP预处理，再在扩散炉中进行高温

6、一步长时间退火，通过傅立叶红外变换光谱仪（FTIR，FourierTransformInfrared）及化学腐蚀—光学显微观察的方法研究N2气氛下退火*国家自然科学基金(50872028)、河北省自然科学基金(E2008000079)和河北省教育厅科研计划（2009318）资助项目†Correspondingauthor:LiYangxian;Tel:+86-22-60202214;E-mail:yxli@hebut.edu.cn的样品中体缺陷和清洁区的形成，并与Ar气氛下同样条件退火的样品进行了对比。

7、2实验实验选取直径为φ6"的n型<111>硅单晶的头部进行切片，样品径向电阻率分布不均匀，电阻率高于1300Ω·cm，原始氧浓度为11.7×1017atoms/cm3。选取部分样品A在Dynamitron电子加速器上进行电子辐照，辐照的能量为1.5MeV，辐照剂量为1.8×1018e/cm2，辐照温度为90℃。辐照后，样品经化学抛光，进行两种条件的退火：（1）在N2气氛和Ar气氛下，进行高温1100℃/8h和1100℃/10h退火；（2）在N2气氛下进行RTP温度分别为1200℃、1250℃和1280℃

8、的快速预处理，升降温速率均为50℃/s，处理时间为50s，然后再进行1100℃/8h和1100℃/10h退火。每次退火后用HF除去样品表面的氧化膜，用FTIR检测样品的间隙氧含量。将经高温热处理的样品解理，用Wright腐蚀液对其进行择优腐蚀，然后用OLYMPUS－STM6型光学显微镜观察样品解理面内清洁区、氧沉淀及诱生缺陷的产生情况。3实验结果与讨论3.1不同气氛下高温一步退火对电子辐照直拉硅氧沉淀的影响图1给出了样品A在Ar气氛和N2气