第
’&
卷 第
!!
期
#%%(
年
!!
月
（
I&!%(/%.
!%%%/$#*%I#%%(I’& !!
）
物
理
学
报
0JK0 LMNOPJ0 OPQPJ0
R=:- ’&
，
!!
，
Q=-
Q=SC7TCU
，
#%%(
!
#%%( JH9+- LH<1- O=E-
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ""
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
½温退火对重掺砷直拉硅片的氧沉淀½核的½用
!
"
#
奚光平
!
）
马向阳
!
）
田达晰
!
））
曾俞衡
!
）
宫龙飞
#
）
杨德仁
!
）
（
杭州
!
）浙江大学硅材料½家重点实验室，
（
宁波
#
）宁波立立电子股½有限公司，
$!%%#&
）
$!’(%%
）
（
#%%(
年
)
月
*
日收到；
#%%(
年
’
月
!#
日收到修改稿）
通过对比研究重掺砷直拉硅片和½掺
+
型直拉硅片经过½温
)’%
—
(%%,
）
（
和高温
!%%%,
）
（
两步退火的氧沉淀
行为，
阐明了½温退火对重掺掺砷直拉硅片的氧沉淀½核的½用
-
研究指出：
重掺砷硅片在
)’%,
和
.’%,
退火时的
这与½掺硅片的情况截然相反；
此外，
与½掺硅片相比，
重掺砷硅片在
)’%,
氧沉淀½核比在
(%%,
退火时更显著，
和
.’%,
退火时氧沉淀的½核得到增强，
而在
(%%,
退火时氧沉淀的½核受到抑制
-
分析认为，
重掺砷硅片在
)’%,
和
.’%,
退火时会½成砷
/
空½
/
氧
01 2
!
2 3
）
（
复合½，
它们促进了氧沉淀的½核；
而在
(%%,
退火时
01 2
!
2 3
复
合½不½稳定的存在而缺少氧沉淀½核的前驱½，
并且重掺砷会导致硅晶½中的晶格压应力，
因此氧沉淀½核被
显著地抑制
-
实验还表明，
在重掺砷硅片中掺入氮杂质可以促进½温退火时的氧沉淀½核，
这种促进½用在
(%%,
退火时表现得更加明显，
这与氮引入的异质½核中心有关
-
关键词：重掺砷直拉硅片，氧沉淀½核，½温退火
!"##
：
.).%4
，
.!&%4
，
..$%5
!F
引
言
退火时进行
!%
-
对于½掺直拉硅片
!%%%,
及以上）
而言，
氧沉淀½核的合适温度范围在
)’%
—
(%%,
，
退
火时间较短的情况下，
相对较高的温度
（如
.’%
—
［
$
½
更有利于½核
-
对重掺砷直拉硅片来说，
高
(%%,
）
此外，
重掺砷导致
浓度的砷原子会导致晶格压应力，
的高电子浓度½得费米½级的½½非常接近于导带
［
底，
从而½空½浓度比½掺硅片要高很多
!!
½
-
这些
［ ½
硅集成电路½是采用直拉硅片制造的，
其根本
原因在于直拉硅片中含有氧杂质
-
氧杂质一方面增
［
强了硅片的机械强度
!
½
，
另一方面与之相关的氧沉
淀可以½直拉硅片具有吸除金属沾污
（即内吸杂）
的
［
½力
#
½
，
这两方面的½用可提高集成电路的制造成
因素½可½½重掺砷硅片中的氧沉淀行为有别于½
掺硅片的
-
因此，
½温退火对氧沉淀½核的½用½现
在½掺硅片和重掺砷硅片上可½会有所差异，
揭示
这种可½存在的差异正是本文的目的之一
-
业已表明，
在½掺直拉硅片中掺氮可以促进氧
［
沉淀，
从而提高硅片的内吸杂½力
!#
—
!.
½
-
重掺锑直
［
拉硅片的氧沉淀被抑制已多有报道
&
—
*
½
，
成为研究
品率
-
因此，
在过去的几十年中，
直拉硅中的氧沉淀
已经得到广泛而深入的研究
-
然而，
其中的绝大部分
［
)
研究½是以½掺直拉硅片½为对象的
$
，½
-
关于重掺
直拉硅片的氧沉淀研究，
大½集中在重掺硼和重掺
［
锑直拉硅片
’
—
*
½
-
而事实上，
重掺砷直拉硅片由于比
重掺锑直拉硅片具有更½的电阻率，
因而更多地用
于硅外延片的衬底
-
显然，
硅外延片的内吸杂½力取
决于衬底的氧沉淀
-
因此，
关于重掺砷直拉硅片的氧
沉淀的研究具有重要的理论和实际意义
-
然而，
目前
关于这方面的研究还很少报道
-
众所周知，
直拉硅中的氧沉淀过程由½核和长
大两个阶段组成
-
氧沉淀½核通常在½温
（一般½于
退火时进行，
而氧沉淀长大则在高温
（一般在
(%%,
）
者普遍接受的观点
-
如前所述，
重掺砷直拉硅片的氧
沉淀还很少被研究，
其是否与重掺锑直拉硅片的氧
沉淀行为相似还未有定论
- G9>
等人的研究表明重掺
砷直拉硅片在经过
(%%,
，
H
加
!%%%,
，
H
两步
)
!.
［
热处理后的氧沉淀密度明显½于重掺硼硅片
!&
½
-
那
么，
在重掺砷直拉硅片中掺氮½否促进氧沉淀抑或
如½促进氧沉淀是值得研究的问题，
目前还没有相
（批准号：
、
’%.&#%(’
）教育部新世纪优秀人才支持计划和长江学者和创新团队发展计划资助的课题
-
!
½家自然科学基金
"
通讯联系人
- 6/789:
：
7;<=>+?@ AB>- CD> - E+
44
期
奚光平等：½温退火对重掺砷直拉硅片的氧沉淀½核的½用
>48C
关的研究报道
!
本文 利 用 扫 描 红 外 显 微 术
"#$%%&%’ &%()$)*+
（
和择优腐蚀的方法对比研究了重掺
0123
）
,&#)-"#-./
，
砷直拉硅片和½掺直拉硅片经过½温和高温两步退
火后的氧沉淀行为，
揭示了重掺砷和½掺直拉硅片在
½温退火时氧沉淀½核的差异，
并指出在重掺砷直拉
硅片中掺氮可以促进½温退火时的氧沉淀½核
!
和高温两步退火中的氧沉淀所产生的½响
!
经过热处理后，
一方面利用
0123
测量样品中
的氧沉淀密度
!
需要说明的是，
0123
是微区测量手
段， 本 实 验 中， 描 的 微 区 面 积 为
4@8
!
A 4@8
在
扫
,
我们
,
为½测量得到的氧沉淀密度更具代表性，
!
，
将这
48
个区域
在每个样品上选取
48
个区域测量，
的氧沉淀密度的平均值½为每一样品的氧沉淀密度
值
!
另一方面采用择优腐蚀法显示样品中的氧沉淀
!
为了清晰地显示缺陷，
适用于重掺硅片和½掺硅片
的择优腐蚀液应有所不同
!
通过多次试验后，
选取
［ ½
用于
M$%’4
腐蚀液
4@
（
8=7 ,-NIO P)Q
?
R 6CS TG U 4 R 4
）
<=
实
验
在几 乎 相 同 的 条 件 下， 长 了 两 根 重 掺 砷，
生
晶向，
直径为
478 ,,
的直拉硅单晶，
其中在一
［
444
½
根单晶中利用气相掺氮法掺入氮杂质
!
然后，
在两根
单晶的等效½½切片，
加工成厚度为
;>7
!
的抛光
,
片，
它们的电阻率为
8=88?>
"
#,!
在下文中，
・
我们
把不掺氮的重掺砷硅片称为普通重掺砷硅片
!
用二
测得普通和掺氮的重掺砷硅片
（
次离子质谱仪
0130
）
的氧浓度分别为
4=4@ A 48
4@
#,
B ?
和
4=<4 A 48
4@
#,
B ?
，
掺氮重掺砷硅片中氮的浓度为
C=C A 48
4?
#,
B ?
!
此
外，
为了做对比实验，
我们还选取了½掺磷的
%
型
（在生产实际中，
½是½掺磷的
%
型硅单晶）
444
½
，
［
晶向的抛光直拉硅片，
其电阻率为
@=C
"
#,
，
・
其间
（
隙氧浓度由
D)EF*) 1G0 ;;HI0
型傅里叶红外
GJ12
）
光谱仪测得，
约为
4=<8 A 48
4@
#,
B ?
，
这里½用的½换
因子是
?=46 A 48
4>
#,
B <
!
在上述每一抛光片上切下若干大小为
< #, A ?
#,
的小片½为样品
!
三种样品½先经过
4<889
，
4<8
（
，
"
的快速热退火
2JK
） 以消除硅片中的原生氧沉
淀，
再经过以下不同的½温和高温两步退火处理：）
4
6789
，
:
加
48889
，
:
；）
6
4; < ;789
， 加
48889
，
6:
4;
:
；）
? @889
，
:
加
48889
，
: !
上述所有热处理½
6
4;
在
L)
气氛下进行
!
这里需要说明的是，
2JK
处理
在
冷却速度设½得足够小，
以½残留在硅片中的空
时，
½的浓度很½，
这样就可以½略空½对随后的½温
选取
M$%’
腐蚀
重掺砷直拉硅片，
腐蚀时间为
; ,&%
；
［
4@
½
液 （
4=7 ,-NIO P)Q
?
：
TG U 4 R 4
）
用于½掺硅片，
6CS
腐蚀时间为
6 ,&% !
择优腐蚀后，
QOM3KV0 3W78
用
光学显微镜观察腐蚀坑并拍照
!
? =
实验结果和分析
!"#" $%&’
和
(%&’
退火时的氧沉淀½核
图 （
$
）
5
）
#
）
（ （
普通重
4
， ， 分别给出了½掺硅片、
掺砷和掺氮的重掺砷硅片在
6789
，
:
加
48889
，
6
经择优腐蚀后的光学显微镜照片
!
4; :
的热处理后，
从图中可以看到，
与½掺硅片相比，
重掺砷硅片中的
其氧沉淀密度反而更高
!
这表
氧沉淀并没有被抑制，
明：
6789
退火
6 :
后，
经
在重掺砷硅片中½成了更
多的氧沉淀核心
!
众所周知，
½掺硅片在
6789
退火
时会½成热½主，
它们可以½为氧沉淀核心的前驱
½
!
而在重掺砷硅片中，
由于自由电子浓度很高，
热
［
½主的½成被抑制
4C
½
!
然而，
如上所述，
重掺砷硅片
中的氧 沉 淀 并 没 有 被 抑 制， 表 明 重 掺 砷 硅 片 在
这
6789
退火时氧沉淀核心的½成应½因于别的½核
机理
!
需要注意的是，
掺氮的重掺砷硅片的氧沉淀密
度比普通的重掺砷硅片的稍高一些
!
图
4
½掺硅片
$
）普通重掺砷硅片
5
）
（ 、
（ 和掺氮的重掺砷硅片
#
）
6789
，
:
加
48889
，
:
的热处理后，
（ 在
经择优腐蚀后的光学显
6
4;
微镜照片
:++’
物
理
学
报
&:
卷
图 （
"
）
#
）
$
）
（ （
普通和
!
， ， 分别给出了½掺硅片、
掺氮的重掺砷硅片在
%&’(
，
*
加
+’’’(
，
*
热
)
+%
处理后，
经择优腐蚀后的光学显微镜照片
,
同样地，
而
重掺砷硅片的氧沉淀密度显著高于½掺硅片的，
掺氮的重掺砷硅片的氧沉淀密度比普通重掺砷硅片
的稍高一些
,
图
!
½掺硅片
"
）普通重掺砷硅片
#
）
（ 、
（ 和掺氮的重掺砷硅片
$
）
%&’(
，
*
加
+’’’(
，
*
的热处理后，
（ 在
经择优腐蚀后的光学显
)
+%
微镜照片
上述结果清楚地表明：
)&’
—
%&’(
退火时，
在
重
掺砷硅片的氧沉淀½核不½没有被抑制，
反而比½
掺硅片的还要更强烈一些
,
显然，
这个现象应该与重
高浓度的掺杂会½响硅中空½
掺砷有关
,
研究表明，
的浓度
,
一般认为，
在硅中同时存在中性空½
!
’
和
带电空½
!
-
和
!
.
，
它们的浓度分别可以由以下公
［
式得到
+!
½
：
"
!
’
!
/ 0 +’
!1
234
温度太高，
由于热运动的加剧，
½得
=> -
!
- B
复合
有理
½不½稳定地存在
,
根据前面给出的实验结果，
在
由认为，
)&’
—
%&’(
的温度范围内，
-
!
- B
复
=>
就可以理解图
+
和图
!
显示的
合½可以½成
,
这样，
重掺砷硅片的氧沉淀密度显著高于½掺硅片的实验
可以看到重掺砷硅片
事实
,
从图
+
和图
!
的比较中，
在
%&’(
退火时½成的氧沉淀核心比在
)&’(
退火
时½成的要更多一些
,
这主要是由于重掺砷硅片在
%&’(
时的带电空½的浓度要高于
)&’(
时的浓度
（根据
+
）（
1
）
（ —
式可以计算得到） 因此可以½成更
，
多的
=> -
!
- B
复合½，
进而½成更多的氧沉淀核
心
,
需要指出的是，
如前所述，
掺氮的重掺砷硅片中
的氧沉淀密度比普通重掺砷硅片要高一些，
½氮对
氧沉淀的促进½用表现得不是很显著
,
这一方面是
由于 氮 的 浓 度 较 ½； 一 方 面 则 是 由 于 在
)&’
—
另
%&’(
退火时，
=> -
!
- B
复合½仍然是掺氮的重掺
砷硅片的氧沉淀核心的最主要的前驱½，
它显著多
于由氮与氧相互½用而½成的
C - B
复合½，
在这
种情况下，
- B
复合½对氧沉淀½核的促进½用
C
在很大程度上被掩盖了
,
对于½掺硅片而言，
从图
+
和图
!
的比较中，
可
以看到氧沉淀的密度变化不大
,
这是由于在
)&’(
和
%&’(
退火时氧的过饱和度½很大，
氧沉淀的½
研
核主要 受 氧 的 扩 散 控 制
,
½ 是， 究 表 明 在
)’’
—
氧呈现异常扩散，
即氧的扩散系
:’’(
温度范围内，
［
数随温度的 变 化 并 不 遵 循 指 数 关 系
!’
½
,
有 报 道 指
(
- !5% 26
)
$7
#$
-1
，
（
+
）
（
%
8
-
%
!
-
）
-1
（
!
）
"
!
-
.
"
!
’
234
$7
，
#$
（
!
%
8
-
%
!
-
-
%
!
.
）
-1
"
!
.
.
"
!
’
234
$7
，（
1
）
#$
其中
#
为玻尔兹曼常数， 为绝对温度，
8
为费米
$
%
½级，
!
-
，
!
.
分别为带电空½
!
-
和
!
.
的½级
,
%
%
关于
%
!
和
%
!
在禁带中的具½½½还存在争论，
-
.
在本 文 中 取
%
!
-
.
%
9
- ’5&: 26
，
%
!
.
.
%
9
-
对于
;
型硅片来说，
8
越靠近导带
’5++ 26,
显然，
%
底，
带电空½的浓度
"
!
-
和
"
!
.
越高
,
在本文中，
重
掺砷硅片的电子浓度约为
+5< 0 +’
+/
$7
- 1
，
与½掺硅
片相比，
在同样的温度下，
其费米½级与
%
9
的距离
更小
,
因此，
重掺砷硅片中带电空½
!
-
和
!
.
的浓
度显著高于½掺硅片的
,
我们认为，
由于库仑力的½
用，
电离的½主
=>
?
和带电空½将结合在一起½成
“
=> -
!
对
=> -
!
4"@A>
），
（
”在一定温度下，
它们与扩
散过来的间隙氧原子相互½用½成
=> -
!
- B
复合
½，
这些复合½可以½为氧沉淀核心的前驱½，
从而
促进氧沉淀的½核
,
可以理解，
-
!
- B
复合½的
=>
½成仅在一定的温度范围内发生，
即温度太½，
不利
而
于间隙氧原子的扩散，
½得
=> -
!
- B
不易½成；
出：
硅中的氧在
)&’(
时的扩散系数为
15+ 0 +’
- +)
而在
%&’(
的扩散系数为
15< 0 +’
- +)
$7
!
D>
，
两
$7
!
D>
，
［
者相½
!+
½
,
因此，
½掺硅片在
)&’(
和
%&’(
退火时
½成的氧沉淀核心的密度相差不大
,
**
期
奚光平等：½温退火对重掺砷直拉硅片的氧沉淀½核的½用
8***
!"#" $%%&
退火时的氧沉淀½核
图 （
"
）
#
）
$
）
（ （
普通重
!
， ， 分别给出了½掺硅片、
掺砷和掺氮的重掺砷硅片在
%&&’
，
)
加
*&&&’
，
(
经择优腐蚀后的光学显微镜照片
,
*+ )
的热处理后，
由该图可见，
½掺硅片比重掺砷硅片有更高的氧沉
淀密度，
这与图
*
和图
-
所示的退火温度为
(.&’
和
重掺砷硅片的氧沉淀
+.&’
的情½完全相反
,
此外，
密度比退火温度为
(.&’
和
+.&’
时的情½要½很
多
,
上述结果清楚地表明：
%&&’
热处理时，
在
重掺
图
!
½掺硅片
"
）普通重掺砷硅片
#
）
（ 、
（ 和掺氮的重掺砷硅片
$
）
%&&’
，
)
加
*&&&’
，
)
的热处理后，
（ 在
经择优腐蚀后的光学显
(
*+
微镜照片
砷硅片的氧沉淀½核已不再是以
/0 1
!
1 2
复合½
为前驱½
,
这应该是由于
/0 1
!
1 2
复合½在
%&&’
不½稳定地存在所导致的
,
对于½掺硅片而言，从图
!
与图
*
和图
-
的比
较可知，
%&&’
退火导致的氧沉淀密度显著高于退
火温度为
(.&’
和
+.&’
时的情½
,
在
%&&’
退火时，
½然氧的过饱和度比在
(.&’
和
+.&’
退火时的要
½一些，
½是氧的扩散系数显著增大
,
因此，
在热处
理时间较短的情况下，
%&&’
的退火更有利于氧沉淀
的½核
,
而对于重掺砷硅片而言，
%&&’
退火时，
在
如前所述，
1
!
1 2
复 合 ½ 不 ½ 稳 定 地 存 在
,
因
/0
此，
在普通重掺砷硅片中氧沉淀的½核主要由氧沉
而在掺氮的重掺砷硅片中
3 1 2
淀的过饱和度驱动，
1
!
复合½可以½为氧沉淀½核的异质核心
,
砷原
子的共价半径比硅原子的大，
由此导致重掺砷硅单
晶的晶格存在压应力，
这一方面½得氧沉淀½核的
临界尺寸增大，
另一方面不利于氧沉淀所导致的应
力的释放
,
因此，
普通重掺砷硅片在
%&&’
时的氧沉
而在掺氮的重掺砷硅片中，
晶
淀½核被强烈地抑制，
格应力对氧沉淀½核的抑制½用不及
3 1 2 1
!
复
合½对氧沉淀½核的促进½用，
由此½得掺氮的重
掺砷硅片的氧沉淀密度显著高于普通重掺砷硅片
,
可
以预计，
若掺入氮的浓度增加时，
可½重掺砷硅片的
氧沉淀密度更高，
这一点将在以后的工½中进一步证
实
,
顺便指出，
½管重掺砷硅片在
%&&’
时的中性和带
½总的空½浓度仍
电空½的浓度比
+.&’
时的更高，
½然空½有利于氧
然比砷浓度½几个数量级
,
因此，
沉淀应力的释放，
½还远不½消除重掺砷所导致的晶
格压应力对氧沉淀应力释放的抑制½用
,
图
(
（
"
）½ 掺 硅 片、 通 和 掺 氮 的 重 掺 砷 硅 片 经 过 ½ 温
普
（
(.&’
，
和高温
*&&&’
）
（
两步退火后由
4567
测量
+.&’
和
%&&’
）
得到的氧沉淀密度的比较；
#
）普通重掺砷硅片经过
+.&’
，
)
（
(
加
*&&&’
，
)
热处理½成的氧沉淀的典型
4567
图像
*+
J..0
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理
学
报
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卷
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两步退火½成的氧沉淀密度的
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定量描述
以上，
通过择优腐蚀后的光学显微镜观察，
我们
定性地研究了½掺硅片与重掺砷硅片经过在½温和
高温两步退火后的氧沉淀行为
%
为定量地说明½温
½核退火对氧沉淀的½用，
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）
图 （ 给出了½掺硅片
与重 掺 砷 硅 片 经 过
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，
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和
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，
-
加
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，
-
两步退火后由
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测量得到的氧沉淀
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密度，
它定量地显示了不同硅片在相同热处理条件
下½成的氧沉淀密度的差异
%
图
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）
（ 则给出了一张
典型的氧沉淀的
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图像，
这里以经过
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，
-
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加
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，
-
两步退火后的普通重掺砷硅片样品
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为例
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需要指出的是，
可以显
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与择优腐蚀相比，
示更小的氧沉淀
%
图
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）
（ 所给出的
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测量结果
重掺砷硅片
在
清楚地表明：
&()*
和
+()*
退火时，
中½成的氧沉淀核心密度是½掺硅片的
0
—
1
倍；
而
在
,))*
退火时，
½掺硅片中的氧沉淀核心密度比
普通重掺砷硅片中的要高一个数量级，
比掺氮的重
掺砷硅片中的高约
&
倍
%
此外，
在各种情况下，
掺氮
的重掺砷硅片中的氧沉淀核心密度½比普通重掺砷
硅片中的要高，
尤其在
,))*
热处理时表现得更为
明显，
前者比后者高约
&
倍
%
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结
论
本文对比研究了½掺硅片和重掺砷硅片
（包括
普通 的 和 掺 氮 的 ） ½ 温
&()
—
,))*
） 高 温
经
（
和
（
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）
两步退火的氧沉淀行为，
目的在于探明第
一步½温退火对氧沉淀½核的½响
%
研究表明：
与½
掺硅片相比，
重掺砷硅片在
,))*
退火时氧沉淀½
核受到显著的抑制，
而在
&()*
和
+()*
退火时氧沉
淀½核得到明显的增强；
重掺砷硅片在
,))*
退火
时比在
&()*
和
+()*
退火时有更强的氧沉淀½核
这一点与½掺硅片的情况恰½相反
%
对上述结
½力，
果的唯象解释是：
重掺砷硅片在
&()*
和
+()*
退火
时会½成
34 5
!
5 6
复合½，
它们½为前驱½而促
½是，
,))*
退火时
34 5
!
5
在
进了氧沉淀的½核；
此时的氧沉淀½核会由于
6
复合½不½稳定存在，
重掺砷导致的晶格压应力而受到显著的抑制
%
值得
注意的是，
在重掺砷硅片中掺入氮杂质可以促进½
尤其在
,))*
时表现得更
温退火时的氧沉淀½核，
为明显，
这是由于
7 5 6
复合½½为氧沉淀½核的
异质中心所致
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