專利名稱：一種具有高機械強度的摻鍺直拉硅片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻鍺直拉硅片及其制備方法，屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直拉單晶硅片廣泛應用于集成電路芯片的制造。硅片在集成電路制造過程 中各種熱處理工藝和熱應力條件作用下的幾何精度直接影響芯片的成品率。集 成電路特征線寬的不斷下降，對器件加工過程中的幾何精度控制提出了更加苛
刻的要求(ITRSRoadmap 2003-2007)。除了需要提高集成電路精密加工設(shè)備的 控制精度之外，人們對直拉硅片的機械性能要求也越發(fā)嚴格。對于制作微機電 系統(tǒng)的硅單晶而言，通過微機械加工得到的硅器件往往處于復雜的應力狀態(tài)， 硅材料本身的機械可靠性決定了器件的可靠性。因此，在日益復雜和精細的器
件加工過程中，保持并提高直拉硅的機械強度，抑制硅片中位錯的產(chǎn)生和運動， 是硅晶體生長、硅片加工和器件制作過程中亟需解決的重要問題(H. Shimizu, Jpn. J. Appl. Phys, (2000), 39, 5727)。
單晶硅在室溫下屬于脆硬性材料，只有當溫度不低于0.5Tm (Tm指硅的熔點 溫度)時才具有彈塑性，即使在外力作用下，硅片常溫下也很難產(chǎn)生位錯或發(fā) 生位錯滑移。但是，由于硅單晶的抗剪應力遠小于抗拉應力，因此在切片、研 磨以及機械拋光等加工過程中，硅片在承受較大剪切應力條件下會產(chǎn)生破碎， 從而影響硅片成品率。經(jīng)歷器件制作的復雜熱處理過程后，硅片體內(nèi)容易產(chǎn)生 熱應力，可能導致發(fā)生翹曲而降低光刻圖形套刻精度，也可能誘生出位錯及其 它結(jié)構(gòu)缺陷從而破裂或崩邊(S. Kishino， Y. Matsushita, M. Kanamori， T. Iizuka， Jpn,J.Appl.Phys.，(1982),21, 1)。隨著直拉硅片不斷大直徑化，日益增加的熱應 力和重力使得上述情況更趨嚴重。目前，在大規(guī)模器件生產(chǎn)過程中，人們往往 通過增加直拉硅片的厚度來提高其機械強度以保證硅片和器件的成品率(ITRS Roadmap2005)。
直拉硅片中一般含有1017 10180!11-3數(shù)量級的氧雜質(zhì)，它可以增強直拉硅片
的機械強度，減少由于器件工藝熱循環(huán)中導致的翹曲，從而保證器件光刻工藝
的套刻精度。但是對于直徑為150 200mm以上的大直徑直拉硅單晶而言，通 常需要利用磁場來抑制硅熔體在晶體生長過程中的熱對流運動，這將削弱硅熔 體對石英坩堝底部拐角的沖刷程度，使得進入硅中的氧濃度降低，從而引起硅 片機械性能變差(I. Yonenaga， K. Takahashi， Journal of Applied Physics, (2007)，101,053528)。通過在直拉硅單晶中引入一定含量的特定雜質(zhì)原子(如摻鍺、摻 碳、摻氮)進行雜質(zhì)共摻雜可以改善直拉硅片的機械性能，已有研究證實通過 在硅晶體中引入一定含量的碳原子(S. Danyluk， D. S. Lim, J. Kalejs， Journal of Materials Science Letters, (1985), 4, 1135)或氮原子(D. Yang, G. Wang, J. Xu, D. Li,
D. Que, C. Funke， H. J. Moeller, Microelectronic Engineering, (2003)， 66， 345)可以 提高直拉硅片的機械性能。但是， 一般認為過高含量的碳原子將在硅晶體中誘 生形成某些晶體缺陷從而破壞直拉硅片的電學穩(wěn)定性(A. N. Safonov, G. Davies，
E. C. Lightowlers, Physical ReviewB， (1996)， 54, 4409)，而由于氮在硅中的分凝系 數(shù)很小導致過高含量氮原子的引入將給硅晶體的生長帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高機械強度的摻鍺直拉硅片及其制備方法。 發(fā)明的具有高機械強度的摻鍺直拉硅片，硅片中的氧濃度為5xl017
15xl017cm—3，鍺濃度為lxl015 lxl021cm—3，其特征是體微缺陷密度為lxl06 lx
1010cm-3。
具有高機械強度的摻鍺直拉硅片的制備方法，有以下兩種技術(shù)方案。 方案l，低溫單步熱處理
具有高機械強度的摻鍺直拉硅片的制備方法，其步驟如下將氧濃度為 5xl017 15xl017cm-3，鍺濃度為1><1015 1><1021011-3的直拉摻鍺硅單晶片，在氬 氣或氮氣的保護下，于擴散熱處理爐中在450 950。C保溫2 50小時，冷卻到室溫。
方案2，低溫-高溫兩步熱處理
具有高機械強度的摻鍺直拉硅片的制備方法，其步驟如下將氧濃度為 5xl017 15xl017cm-3，鍺濃度為lxl0" lxl0"cm—3的直拉摻鍺硅單晶片，在氬 氣或氮氣的保護下，先在擴散熱處理爐中于450 950。C保溫2 50小時，然后 在1000 1300°C保溫2 30小時，冷卻到室溫。
本發(fā)明的有益效果在于
將氧濃度為5xl0" 15xl017(^3，鍺濃度為lxl0" lxl0"cm-3的摻鍺直拉 硅單晶片經(jīng)熱處理工藝，可以在硅片體內(nèi)形成高密度的氧沉淀，并誘生出比未 引入鍺原子的普通直拉硅更高密度的體微缺陷，這些體微缺陷將釘扎硅片中的 位錯，抑制位錯的滑移運動，從而提高直拉硅片的斷裂強度，改善直拉硅片的 機械性能，提高集成電路的成品率。


圖1是普通直拉硅片(CZ-Si)和摻鍺直拉硅片(GCZ-Si)的應力-應變曲 線。圖中曲線l為GCZ-Si樣品實驗數(shù)據(jù)測試值，曲線2為CZ-Si樣品實驗數(shù)據(jù) 測試值；
圖2是普通直拉硅片(CZ-Si)和摻鍺直拉硅片(GCZ-Si)的光學顯微照片。 其中，(a)是經(jīng)過800。C退火16小時預處理的CZ-Si樣品放大200倍的光學顯 微照片，(b)是經(jīng)過800°C退火16小吋隨后再經(jīng)過1000°C退火4小時預處理 的CZ-Si樣品放大200倍的光學顯微照片，(c)是經(jīng)過800°C退火16小時預處 理的GCZ-Si樣品放大200倍的光學顯微照片，(d)是經(jīng)過800°C退火16小時 隨后再經(jīng)過1000°C退火4小時預處理的GCZ-Si樣品放大200倍的光學顯微照 片。
具體實施例方式
實施例1
選取氬氣保護生長的直徑為150mm的摻磷n型普通直拉(CZ-Si)硅片和 摻磷n型摻鍺直拉(GCZ-Si)硅片，其中硅片中的氧濃度約為9xl0"cm'3，電阻 率約為14歐姆.厘米，而GCZ-Si硅片中鍺的摻雜濃度為2xl018cm—3。從CZ-Si 和GCZ-Si晶體頭部的相同部位制備厚度為2mm的硅片，并切割成30mmx7mmx 2mm的長方體試樣。CZ-Si硅片和GCZ-Si硅片試樣在白腐蝕液(HF:HN03=1:3) 中腐蝕3分鐘去除表面損傷層后，在氬氣保護下置于擴散熱處理爐中在800°C 保溫16小時隨后再在1000。C保溫4小時的退火，冷卻到室溫。隨后通過ZWICK Z010/TN2S型萬能機械性能測試系統(tǒng)，利用三點彎法對試樣勻速施加載荷，其 中加載面為硅(100)晶面，加載速率為lOOmTnin"，跨距為20mm,利用微機控制 記錄得到如圖l所示的試樣應力-應變曲線。由圖1可見，在硅片內(nèi)部中產(chǎn)生同 樣大小的應力，GCZ-Si硅片的應變程度明顯小于CZ-Si硅片的應變。通過將退 火后的CZ-Si和GCZ-Si樣品經(jīng)解理后在Sirtl擇優(yōu)腐蝕液中腐蝕3分鐘，然后用 OLYMPUS MX50型顯微鏡對硅片解理面的體微缺陷分布情況進行觀察拍照，發(fā) 現(xiàn)GCZ-Si硅片中的體微缺陷密度為lxl01Qcm—3，而CZ-Si硅片中的體微缺陷密 度僅為2xl09cm_3。這是由于摻鍺直拉硅片經(jīng)過低溫-高溫兩步熱處理而在體內(nèi)形 成了較高密度的尺寸較小的氧沉淀，并進而在硅片體內(nèi)誘生出較高密度的體微 缺陷，從而抑制了硅片中位錯的滑移運動，提高了直拉硅片的斷裂強度。由此 表明，通過低溫-高溫兩步熱處理可以使摻鍺直拉硅片獲得比不摻鍺的普通直拉 硅片更高的機械強度。 實施例2選取氬氣保護生長的直徑為200mm的摻硼p型摻鍺直拉(GCZ-Si)硅片， 鍺濃度為lxl0"cm'3，氧濃度為5xlO"cm— 電阻率為15歐姆.厘米。選取摻雜類 型、氧濃度和電阻率參數(shù)相近的沒有摻雜鍺原子的普通直拉(CZ-Si)硅片作為 參比樣進行對照實驗。將上述兩種類型的硅片在擴散熱處理爐中于氮氣中在 650°C下保溫8小時后取出，冷卻到室溫。隨后通過ZWICK Z010/TN2S型萬能 機械性能測試系統(tǒng)，利用三點彎法對試樣勻速施加載荷，其中加載面為硅(IOO) 晶面，加載速率為SOnrmin-1，跨距為25mm，利用微機控制記錄硅片試樣斷裂 時的應力數(shù)值，并根據(jù)三點彎公式計算得到硅片試樣的斷裂強度。此外，將退 火后的CZ-Si和GCZ-Si硅片樣品經(jīng)解理后在Sirtl擇優(yōu)腐蝕液屮腐蝕3分鐘，然 后用OLYMPUS MX50型顯微鏡對硅片解理面的體微缺陷分布情況進行觀察拍 照。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過上述退火后，CZ-Si和GCZ-Si硅片試樣的斷裂強度分別為 219MPa禾B 232MPa，硅片體內(nèi)的體微缺陷密度分別為^107(^—3和7xl07cm'3。 GCZ-Si硅片的斷裂強度高于CZ-Si硅片試樣，即通過低溫單步熱處理可以使摻 鍺直拉硅片獲得比不摻鍺的普通直拉硅片更高的機械強度。 實施例3
選取氬氣保護生長的直徑為150mm的摻硼p型摻鍺直拉(GCZ-Si)硅片， 鍺濃度為5xl017cm、氧濃度為15xl0"cn^,電阻率為20歐姆.厘米。選取摻雜 類型、氧濃度和電阻率都相同、沒有摻雜鍺原子的普通直拉(CZ-Si)硅片作為 對比片也經(jīng)歷以下的處理。將上述兩種硅片平均分為兩組，其中一組在氬氣保 護下于擴散熱處理爐中在800°C下保溫16小時冷卻到室溫后取出，另外一組在 氬氣保護下于擴散熱處理爐中在800°C下保溫16小時隨后在1000°C下保溫4 小時冷卻到室溫后取出。然后，再在CZ-Si和GCZ-Si硅片試樣的表面施加相等 的垂直作用于硅片表面的恒定壓力并在硅片表面引入相似的劃痕，在氬氣保護 下在擴散熱處理爐中于1000°C下保溫退火2.5小時并冷卻到室溫后取出。退火 后的硅片表面和硅片解理面均在Sirtl擇優(yōu)腐蝕液中腐蝕3分鐘，然后用 OLYMPUS MX50型顯微鏡對硅片表面由劃痕誘生出位錯滑移線的分布以及硅 片解理面的缺陷分布進行觀察拍照。
經(jīng)過上述退火的CZ-Si和GCZ-Si硅片體內(nèi)的微缺陷密度分別為2xl08cm—3 和3xl09cm—3，說明通過低溫單步熱處理或者低溫-高溫兩步熱處理都可以在摻鍺 直拉硅單晶體內(nèi)形成較高密度的體微缺陷。經(jīng)過上述退火后，CZ-Si和GCZ-Si 硅片試樣表面由劃痕誘生出的位錯滑移線的放大200倍的光學顯微照片如圖2 所示。由圖2可見，不論是經(jīng)過800°C下保溫16小時或者是經(jīng)過800°C下保溫16小時隨后在1000°C下保溫4小時的退火，GCZ-Si硅片表面由劃痕誘生出的 滑移位錯線的滑移距離都比CZ-Si硅片的長，由此說明GCZ-Si硅片比CZ-Si釘
扎位錯滑移的能力更強。表明本發(fā)明提出的低溫單步熱處理或者低溫-高溫兩步 熱處理均可以使摻鍺直拉硅片獲得比不摻鍺的普通直拉硅片更高的機械強度。 實施例4
選取氬氣保護生長的直徑為200mm的摻磷n型摻鍺直拉硅片，其中鍺濃度 為lxl021cm-3，氧濃度為5xl0"cm— 電阻率為1歐姆.厘米。選取摻雜類型、氧 濃度和電阻率都相同、沒有摻雜鍺原子的普通直拉硅片作為對比片進行對照實 驗。將兩種類型的硅片置于擴散熱處理爐中在氬氣保護下于550°C下保溫2小 時。退火后的樣品經(jīng)解理后在Sirtl擇優(yōu)腐蝕液中腐蝕3分鐘，然后用OLYMPUS MX50型顯微鏡對硅片解理面的體微缺陷分布情況進行觀察，得到摻鍺直拉硅片 體內(nèi)的體微缺陷密度為lxl06Cm—3，而普通直拉硅片體內(nèi)基本觀察不到明顯的體 微缺陷。通過在硅片表面引入可比擬的劃痕以在高溫退火過程中誘生滑移位錯， 也可以發(fā)現(xiàn)通過低溫單步熱處理可以使摻鍺直拉硅片的機械強度比普通直拉硅 片的更高。
權(quán)利要求
1. 一種具有高機械強度的摻鍺直拉硅片，硅片中的氧濃度為5×1017～15×1017cm-3，鍺濃度為1×1015～1×1021cm-3，其特征是體微缺陷密度為1×106～1×1010cm-3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高機械強度的摻鍺直拉硅片的制備方法，其特 征是步驟如下將氧濃度為5xl017 15xl017cm'3,鍺濃度為lxio15 lxlo21cm-3 的直拉摻鍺硅單晶片，在氬氣或氮氣的保護下，于擴散熱處理爐中在450 950°C 保溫2 50小時，冷卻到室溫。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高機械強度的摻鍺直拉硅片的制備方法，其特 征是步驟如下將氧濃度為5xl017 15xl017Cm—3，鍺濃度為lxl015 lxl021cm—3 的直拉摻鍺硅單晶片，在氬氣或氮氣的保護下，先在擴散熱處理爐中于450 950。C保溫2 50小時，然后在1000 1300。C保溫2 30小時，冷卻到室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開的摻鍺直拉硅片，硅片中的氧濃度為5×10¹⁷～15×10¹⁷cm^-3，鍺濃度為1×10¹⁵～1×10²¹cm^-3，體微缺陷密度為1×10⁶～1×10¹⁰cm^-3。其制備方法為將上述氧濃度和鍺濃度的直拉摻鍺硅單晶片，在氬氣或氮氣保護下，于450～950℃保溫2～50小時；或者先在450～950℃保溫2～50小時，然后在1000～1300℃保溫2～30小時。將摻鍺直拉硅單晶片經(jīng)熱處理工藝，可以在硅片體內(nèi)形成高密度的氧沉淀，并誘生出高密度的體微缺陷，這些體微缺陷將釘扎硅片中的位錯，抑制位錯的滑移運動，從而提高直拉硅片的斷裂強度，改善直拉硅片的機械性能，提高集成電路的成品率。
文檔編號C30B33/00GK101423978SQ20081012237
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者楊德仁, 闕端麟, 陳加和, 馬向陽 申請人:浙江大學