[发明专利]一种具有高机械强度的掺锗直拉硅片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺锗直拉硅片及其制备方法，属于半导体技术领域。

背景技术

直拉单晶硅片广泛应用于集成电路芯片的制造。硅片在集成电路制造过程中各种热处理工艺和热应力条件作用下的几何精度直接影响芯片的成品率。集成电路特征线宽的不断下降，对器件加工过程中的几何精度控制提出了更加苛刻的要求(ITRS Roadmap 2003-2007)。除了需要提高集成电路精密加工设备的控制精度之外，人们对直拉硅片的机械性能要求也越发严格。对于制作微机电系统的硅单晶而言，通过微机械加工得到的硅器件往往处于复杂的应力状态，硅材料本身的机械可靠性决定了器件的可靠性。因此，在日益复杂和精细的器件加工过程中，保持并提高直拉硅的机械强度，抑制硅片中位错的产生和运动，是硅晶体生长、硅片加工和器件制作过程中亟需解决的重要问题(H.Shimizu，Jpn.J.Appl.Phys，(2000)，39，5727)。

单晶硅在室温下属于脆硬性材料，只有当温度不低于0.5T_m(T_m指硅的熔点温度)时才具有弹塑性，即使在外力作用下，硅片常温下也很难产生位错或发生位错滑移。但是，由于硅单晶的抗剪应力远小于抗拉应力，因此在切片、研磨以及机械抛光等加工过程中，硅片在承受较大剪切应力条件下会产生破碎，从而影响硅片成品率。经历器件制作的复杂热处理过程后，硅片体内容易产生热应力，可能导致发生翘曲而降低光刻图形套刻精度，也可能诱生出位错及其它结构缺陷从而破裂或崩边(S.Kishino，Y.Matsushita，M.Kanamori，T.Iizuka，Jpn.J.Appl.Phys.，(1982)，21，1)。随着直拉硅片不断大直径化，日益增加的热应力和重力使得上述情况更趋严重。目前，在大规模器件生产过程中，人们往往通过增加直拉硅片的厚度来提高其机械强度以保证硅片和器件的成品率(ITRSRoadmap2005)。

直拉硅片中一般含有10¹⁷～10¹⁸cm^-3数量级的氧杂质，它可以增强直拉硅片的机械强度，减少由于器件工艺热循环中导致的翘曲，从而保证器件光刻工艺的套刻精度。但是对于直径为150～200mm以上的大直径直拉硅单晶而言，通常需要利用磁场来抑制硅熔体在晶体生长过程中的热对流运动，这将削弱硅熔体对石英坩埚底部拐角的冲刷程度，使得进入硅中的氧浓度降低，从而引起硅片机械性能变差(I.Yonenaga，K.Takahashi，Journal of Applied Physics，(2007)，101，053528)。通过在直拉硅单晶中引入一定含量的特定杂质原子(如掺锗、掺碳、掺氮)进行杂质共掺杂可以改善直拉硅片的机械性能，已有研究证实通过在硅晶体中引入一定含量的碳原子(S.Danyluk，D.S.Lim，J.Kalejs，Journal ofMaterials 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机械性能。但是，一般认为过高含量的碳原子将在硅晶体中诱生形成某些晶体缺陷从而破坏直拉硅片的电学稳定性(A.N.Safonov，G.Davies，E.C.Lightowlers，Physical Review B，(1996)，54，4409)，而由于氮在硅中的分凝系数很小导致过高含量氮原子的引入将给硅晶体的生长带来困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高机械强度的掺锗直拉硅片及其制备方法。

发明的具有高机械强度的掺锗直拉硅片，硅片中的氧浓度为5×10¹⁷～15×10¹⁷cm^-3，锗浓度为1×10¹⁵～1×10²¹cm^-3，其特征是体微缺陷密度为1×10⁶～1×10¹⁰cm^-3。

具有高机械强度的掺锗直拉硅片的制备方法，有以下两种技术方案。

方案1，低温单步热处理