第26卷 第11期2005年11月
半 导 体 学 报
CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS
Vol.26 No.11
Nov.,2005
3国家自然科学基金(批准号:60225010,90207024)和国家高技术研究发展计划(批准号:2004AA3Z1142)资助项目 江慧华 男,1981年出生，硕士研究生，现从事硅材料杂质及缺陷的研究.
杨德仁 男,1964年出生，教授，现从事硅材料、太阳能电池和纳米材料的研究.Email :mseyang @zju.edu 2005203229收到,2005206217定稿
Ζ2005中国电子学会
3
江慧华 杨德仁 田达晰 马向阳 李立本 阙端麟
(浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州 310027)
摘要：通过单步长时间退火(650～1150℃/64h )和低高两步退火(650℃/16h +1000℃/16h 和800℃/4～128h +
1000℃/16h )，研究锗对重掺硼硅(HB 2Si )中氧沉淀的影响.实验结果表明，经过退火后，掺锗的重掺硼硅中与氧沉
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淀相关的体微缺陷密度要远远低于一般的重掺硼硅，这表明锗的掺入抑制了重掺硼硅中氧沉淀的生成，并对相关的机制做了初步探讨.
关键词：重掺硼直拉硅；锗；氧沉淀
PACC :7820C ;6170T ;6710Q
中图分类号:TN30411+2 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)1122107204
1 引言
氧是大规模集成电路制造使用的直拉(CZ )硅
单晶中的最主要杂质.热处理过程中，过饱和的氧杂质将聚集形成氧沉淀，氧沉淀在器件制作工艺过程中的作用至关重要.因此，前人对直拉硅的氧沉淀进行了大量的研究工作[1～4].近年来，掺锗直拉硅单晶引起了人们广泛的兴趣.锗掺入硅单晶中不会提供载流子而影响硅单晶的导电性能，但微量的锗能够抑制轻掺硼直拉硅中的void 缺陷[5]和热施主[6]的生成，而促进了新施主和氧沉淀的形成[6,7].锗对轻掺硼直拉硅的氧沉淀行为的影响前人已经做了很多的研究工作，张维连等人认为锗不能作为氧沉淀的核心[8].最新的研究结果却表明,800～1000℃单步长时间热处理时，掺入硅中的锗原子将与空位以及间隙氧原子反应生成相关的复合体Ge 2V m 和Ge 2V m 2O n (m ,n ≥1)，这些复合体将成为氧沉淀的异质形核中心[9].氧沉淀形核、长大时，由于轻掺硼硅单晶的晶格畸变很小，应力效应可以忽略，而在重掺硼硅样品中应力效应很显著. 在p/p +外延硅片中，由于使用了重掺硼的硅衬底，经常会出现由于晶格失配引起的失配位错.若在
p +硅衬底中掺入适量的锗(原子半径比硅大)不但
可以减小重掺硼硅衬底的晶格畸变[10]，而且还可以钉杂硅晶体中的位错，提高硅片的机械强度[11].然而，到目前为止，还没有研究涉及锗对重掺硼直拉硅中氧沉淀行为的影响.
本文研究了掺锗的重掺硼硅(Ge codoped HB 2Si )和一般的重掺硼硅(HB 2Si )分别在长时间单步退火(650～1150℃/64h )和低高两步退火(650℃/16h +1000℃/16h 和800℃/4～128h +1000℃/16h )过
程中的氧沉淀行为，从而揭示了锗对重掺硼直拉硅的氧沉淀行为的影响.
2 实验
在相同的生长条件下拉制了两根100mm 重掺硼的p 型〈111〉直拉硅单晶，其中一根硅单晶中还另外掺入锗.按照文献中报道的工艺[12]，在HAMCO C G 23000单晶炉中，装料13kg ，拉速为5～10cm/h ，锅转9r/min ，晶转15r/min.在硅熔体中，硼的掺杂浓度均为[B ]=2×1019cm -3，对于掺锗的单晶来说，熔体中锗的掺杂浓度为[Ge ]=1148×1020cm -3.实验样品选自两根硅单晶头部的相同部位，电阻率为6～615m Ω・cm ，经计算掺锗样品中的锗浓度约为
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[Ge ]≈1020cm -3(锗在掺锗的重掺硼直拉硅单晶中
防喷盒的有效分凝系数为0168[12]，远远高于其在一般掺锗
的轻掺硼直拉硅单晶中的有效分凝系数0133).两种重掺硼硅片的初始氧浓度使用型号为Leco RO2416氧测定仪GFA 测定，为916×1017/cm -3左右.
所有的样品经化学抛光后，都在高纯氩气氛中进行1150℃下30min 的常规退火作均一化的处理(均一化处理后所有样品中的热历史可以认为基本一致)[13]，然后再在氩气氛下进行如下三种条件的
退火:(1)不同温度(650～1150℃
)单步长时间退火64h ;(2)在800℃退火4～128h ，使氧沉淀形核，然后在1000℃下退火16h 使氧沉淀充分长大;(3)650℃/16h +1000℃/16h.最后将退火后的样品用HNO 3∶H F =3∶1的化学腐蚀液腐蚀掉表面层几
十μm ，再用Sirtl 液腐蚀5min ，在光学显微镜下观
察与氧沉淀相关的体微缺陷.为方便起见，样品体微缺陷的密度用面密度表示.
3 结果和讨论
图1给出了掺锗的重掺硼硅(Ge codoped HB 2Si )和一般的重掺硼硅(HB 2Si )分别经过650,800,950,1050和1150℃,64h 单步热处理，再经Sirtl 液
仿真溜冰场腐蚀后的光学显微镜照片.可以看出，在经过800～1050℃处理的掺锗重掺硼硅样品中几乎没有与氧沉淀相关的体微缺陷(BMD )，而经过同样热处理的重掺硼硅样品中却有较密的微缺陷.这说明在800～1050℃热处理过程中，锗抑制了重掺硼硅中的氧沉淀的生成
.
图1 掺锗的重掺硼硅和一般的重掺硼硅样品分别在650～1150℃退火64h 后BMD 分布的光学显微镜照片
Fig.1 Optical images of BMDs in G e codoped HB 2Si and HB 2Si subjected to anneal at 650～1150℃for 64h
研究表明，直拉硅中氧沉淀的生成可由以下反应式[14]表示:
(1+γ)Si +2O i +β
V
SiO 2(氧沉淀)+γSi +<(张应力)
(1)
其中
γ是氧沉淀发射的自间隙硅原子数;β是生成SiO 2所消耗的空位(V )数;<；是产生的张应力.由于SiO 2的体积为硅原子的2125倍，因此，氧沉淀会对
硅基体造成张应力，通过吸收空位或发射自间隙硅原子，使应力得到释放.
业已表明，重掺硼硅在800～1050℃的温度范围退火时会形成B 2O 复合体[15～17]，上述实验结果再次证明了这个观点.对于重掺硼硅来说，由于硼的原子半径比硅小，大量硼的掺入给硅基体带来了压应力，而B 2O 复合体的形成通过应力补偿可以缓解
压应力(B 2O 复合体的体积比硼原子大)，因此在
800～1050℃温度范围退火时，在重掺硼硅中会形成大量的B 2O 复合体，这些复合体作为氧沉淀的形核中心，在长时间退火后形成氧沉淀.而对于掺锗的重掺硼硅来说，锗的原子半径大于硅，在这种情形下，无需通过形成B 2O 复合体来补偿掺硼导致的压应力.因此掺锗的重掺硼硅样品经过800～1050℃退火时,B 2O 复合体较难形成，由于缺乏氧沉淀核心，即使在上述温度下长时间热处理，亦很难形成氧沉淀，这就是在掺锗的重掺硼硅样品中很难观察到BMD 的原因.
从图1中可以推论，在650℃或1150℃退火时,B 2O 复合体很难生成，这与以前文献中报道的一致.在650℃单步退火时，氧沉淀的形核一般是以氧的
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第11期江慧华等: 锗对重掺硼直拉硅中氧沉淀的影响
过饱和度所致的同质形核为主[18]，在650℃/64h 处
理过程中掺锗的重掺硼硅样品和重掺硼硅样品的氧沉淀行为几乎可以认为是相同的，只是因为氧沉淀太小，不能被择优腐蚀显现；在1150℃退火时，作为氧沉淀异质核心的B 2O 复合体在两种样品中都很难形成，因此氧沉淀密度都非常低.
当掺锗的重掺硼硅样品和一般的重掺硼硅样品经过650℃/16h +1000℃/16h 退火，氧沉淀已经得到充分长大.与氧沉淀相关的BMD 的光学显微镜照片如图2所示.可以发现掺锗的重掺硼硅样品和重掺硼硅样品的BMD 密度都相当高，但掺锗的重掺硼硅样品的BMD 密度仍然低于重掺硼硅样品，这可能是由于锗掺入重掺硼硅中引入了张应力，根据(1)式，张应力不利于氧沉淀的长大
.
图2 两种样品经650℃/16h +1000℃/16h 退火后BMD 分布的光学显微镜照片 (a )掺锗的重掺硼硅;(b )重掺硼硅
Fig.2 Optical images of BMDs in G e codoped HB 2Si and HB 2Si subjected to 650℃/16h +1000℃/16h an 2nealing (a )G e codoped HB 2Si ;(b )HB 2Si
当掺锗的重掺硼硅样品和一般的重掺硼硅样品经800℃退火4～128h ，再经1000℃退火16h 后，与氧沉淀相关的BMD 面密度的变化如图3所示.从图中可以看出，掺锗的重掺硼硅样品的BMD 密度要比重掺硼硅低得多，这是由于，如上所述在800℃热处理时锗抑制了B 2O 复合体的形成，因而抑制了氧沉淀核心的形成.
4 结论
本文通过研究掺锗的重掺硼硅(Ge codoped HB 2Si )和一般的重掺硼硅(HB 2Si )在单步和两步退火中的氧沉淀行为，得到以下结论:
(1)在650℃单步长时间退火时，氧沉淀的形核一般是以氧的过饱和度所致的同质形核为主，但在该温度下形成的氧沉淀太小，不能被择优腐蚀显示
;
图3 重掺硼硅和掺锗的重掺硼硅经800℃退火不同时间后，再经1000℃退火16h 后的BMD 面密度
Fig.3 BMD planar density in HB 2Si and G e codoped HB 2Si subjected to 800℃/4～128h +1000℃/16h an 2neals
而经过低高两步退火(650℃/16h +1000℃/16h )后，氧沉淀得到充分的长大，但锗掺入重掺硼硅中引入的张应力不利于氧沉淀的长大，因此掺锗的重掺硼硅样品中的体缺陷密度低于一般的重掺硼硅样品.
(2)800～1050℃是B 2O 复合体形成的温度范
围，但锗的掺入给硅基体带来了张应力，抑制了可以
作为氧沉淀异质形核中心的B 2O 复合体的形成，所以经过800,950和1050℃单步退火以及低高两步退火(800℃/4～128h +1000℃/16h )后，掺锗的重掺硼硅样品中体缺陷密度都远远低于一般的重掺硼硅样品.参考文献
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薯片加工设备Jiang Huihua,Yang Deren,Tian Daxi,Ma Xiangyang,Li Liben,and Que Duanlin
(S t ate Key L aboratory of S ilicon M aterials,Zhej iang Universit y,Hangz hou 310027,Chi na)
Abstract:Oxygen precipitation in conventional heavily B2doped Czochralski(CZ)silicon(HB2Si)and heavily Ge2B codoped CZ silicon(G e codoped HB2Si)subjected to single step annealing at650～1150℃for64h or low2high two step annealing(650℃/ 16h+1000℃/16h and800℃/4～128h+1000℃/16h)are comparatively investigated.It is found that the density of bulk micro2 defects(BMDs)in G e codoped HB2Si is much lower than that in HB2Si.The mechanism of which is preliminarily discussed.
K ey w ords:heavily boron2doped Czochralski silicon;germanium;oxygen precipitation
PACC:7820C;6170T;6710Q
Article ID:025324177(2005)1122107204
3Project supported by t he National Natural Science Foundation of China(Nos.60225010,90207024),t he National High Technology Research and Development Program of China(No.2004AA3Z1142)
Jiang Huihua male,was born in1981,master candidate.He is engaged in research on t he impurity and defect in silicon materials.
Yang Deren male,was born in1964,professor.He is engaged in research on t he silicon material,solar cell,and nanometer material.Email: mseyang@zju.edu
Received29March2005,revised manuscript received17J une2005Ζ2005Chinese Institute of Electronics 0112
豫公网安备41160202000603
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