CN113897671A - 一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法及氮掺杂单晶硅棒 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法及氮掺杂单晶硅棒，所述制备方法包括：基于基准氮掺杂单晶硅棒切割成样品硅片后，选取多个待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布；基于所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置；在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，在所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉以制备得到所述当前氮掺杂单晶硅棒。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法及氮掺杂单晶硅棒。
背景技术
用于半导体集成电路的衬底的硅片，主要是通过将直拉(Czochralski)法拉制的单晶硅棒切片而制造出。Czochralski法包括使由石英制成的坩埚中的多晶硅原料熔化以获得硅熔体，将籽晶晶种浸入硅熔体中，以及连续地提升籽晶移动离开硅熔体表面，由此在移动过程中在相界面处生长出单晶硅棒。
在上述生产过程中，提供这样的一种硅片是非常有利的：该硅片具有从正面开始向体内延伸的无晶体缺陷区域(Denuded Zone，DZ)以及与DZ邻接并且进一步向体内延伸的含有体微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)的区域，这里的正面指的是硅片的需要形成电子元器件的表面。上述的DZ是重要的，因为为了在硅片上形成电子元器件，要求在电子元器件的形成区域内不存在晶体缺陷，否则会导致电路断路等故障的产生，使电子元器件形成在DZ中便可以避免晶体缺陷的影响；而上述的BMD的作用在于，能够对金属杂质产生内在吸杂(Intrinsic Getter，IG)作用，使硅片中的金属杂质保持远离DZ，从而避免金属杂质导致的漏电电流增加、栅极氧化膜的膜质下降等不利影响。
然而，在生产上述的具有BMD区域的硅片的过程中，在硅片中掺杂有氮是非常有利的。举例而言，在硅片中掺杂有氮的情况下，能够促进以氮作为核心的BMD的形成，从而使BMD达到一定的密度，使BMD作为金属吸杂源有效地发挥作用，而且还能够对BMD的密度分布产生有利影响，比如使BMD的密度在硅片的径向上的分布更为均匀，比如使BMD的密度在临近DZ的区域更高而朝向硅片的体内逐渐降低等。
但是，常规氮掺杂单晶硅棒的生长工艺是除在硅熔体中掺入氮元素外，还需要对由氮掺杂单晶硅棒制备出的硅片进行热处理工艺，以助于在硅片内部产生BMD，将硅片表面的杂质吸附在BMD附近，进而提升硅片表面的洁净品质。另一方面，目前生产整根掺杂单晶硅棒时由于提拉速率/提拉轴方向的结晶内温度(V/G)比值保持不变，导致生产得到的整根掺杂单晶硅棒中会包含各种原生缺陷，以使得整根掺杂单晶硅棒BMD的含量以及密度不均一，造成高洁净表面的硅片占整根掺杂单晶硅棒比例较低，造成掺杂单晶硅棒的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法及氮掺杂单晶硅棒；能够制备得到只存在空穴富集区域的氮掺杂单晶硅棒，进而获得更多比例的高洁净表面硅片。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法，所述制备方法包括：
基于基准氮掺杂单晶硅棒切割成样品硅片后，选取多个待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布；其中，所述缺陷区域包括空穴富集区域、间隙富集区域以及空穴富集和间隙富集交替分布区域；
基于所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置；
在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，在所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉以制备得到所述当前氮掺杂单晶硅棒。
第二方面，本发明实施例提供了一种氮掺杂单晶硅棒，所述氮掺杂单晶硅棒由第一方面所述的制备方法制备而得。
本发明实施例提供了一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法及氮掺杂单晶硅棒；该制备方法能够基于多个待检测硅片缺陷区域分布情况，确定基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置；因此在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，当提拉到基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处时，按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉，从而制备得到当前氮掺杂单晶硅棒；通过该制备方法能够实现分段调整当前单晶硅棒的目标提拉速率，以获得只存在空穴富集区域的氮掺杂单晶硅棒，进而能够获得更多高洁净表面的硅片。
附图说明
图1为本发明实施例提供的常规无氮掺杂单晶硅棒中存在的各种缺陷的区域分布示意图；
图2为本发明实施例提供的空穴富集区域和间隙富集区域交替分布的一种形式；
图3为本发明实施例提供的空穴富集区域和间隙富集区域交替分布的另一种形式；
图4为本发明实施例提供的一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的采用基准氮掺杂单晶硅棒制备得到待检测硅片的工艺流程示意图；
图6为本发明实施例提供的基准氮掺杂单晶硅棒中不同缺陷区域对应的位置示意图；
图7为本发明实施例提供的当前单晶硅棒中不同位置采用不同目标提拉速率的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，其示出了常规无氮掺杂单晶硅棒S0中存在的各种缺陷的区域分布示意图，在本发明实施例中具体以径向横截面来展各种缺陷的区域分布。如图1所示，主要包含空穴缺陷区域(图中左斜线填充区域示出)、空穴富集区域(图中菱形填充区域示出)、间隙富集区域(图中右斜线填充区域示出)以及间隙缺陷区域(图中空白填充区域示出)。其中，空穴缺陷区域包含较大尺寸的空穴缺陷，比如氮掺杂单晶硅棒中的晶格原生点缺陷(Crystal Originated Particle，COP)，流体形貌缺陷(Flow Pattern Defect，FPD)等，这类缺陷是由空位点缺陷在冷却过程中扩散聚集而形成的缺陷；间隙缺陷区包含较大尺寸的间隙类缺陷，比如位错缺陷，滑移线等，这类缺陷是由间隙类点缺陷在冷却过程中扩散聚集形成的缺陷。而空穴富集区域是出现氧析出的氧析出促进区域；间隙富集区域位于空穴富集区域和间隙缺陷区域之间，其是不产生氧析出的氧析出抑制区域，空穴富集区域和间隙富集区域均包含的是缺陷次序在纳米量级的尺寸非常小的缺陷，因此这两个区域被看作原生缺陷极少的无缺陷区域。
而目前市场上的无缺陷氮掺杂单晶硅棒大多是以空穴富集区域和间隙富集区域交替分布为主。需要说明的是，空穴富集区域和间隙富集区域交替分布主要分为两种形式，具体如图2和图3所示。
另一方面，BMD是杂质氧在空穴缺陷沉积形成的，在实际生产中BMD会沉积在空穴缺陷区域和空穴富集区域，而如果单晶硅棒中含有空穴缺陷区，会影响由该单晶硅棒制备得到的硅片的栅极氧化膜的完整性。而对于间隙富集区域，由于无法沉积杂质氧，因此无法形成BMD。综上所述只有空穴富集区域的氮掺杂单晶硅棒中才能产生高密度的BMD，进而获得高洁净表面的硅片。但是，目前市场上无缺陷的氮掺杂单晶硅棒中会同时存在空穴富集区域、间隙富集区域以及空穴富集区域和间隙富集区域交替分布的缺陷区域，这种情况将导致整根氮掺杂单晶硅棒能够提供高洁净表面硅片的比例降低。
基于上述阐述，为了能够将整根氮掺杂单晶硅棒中BMD的含量达到均一程度，以提升高洁净表面硅片所占的比例，本发明实施例期望能够通过控制和调整参数V/G，制备得到只存在空穴富集区域的氮掺杂单晶硅棒，进而获得更多比例的高洁净表面硅片。但是，对于固定的热场结构下，G值是一定的，因此在本发明实施例中期望只通过调整提拉速率V来获得拉速来只存在空穴富集区域的氮掺杂单晶硅棒。因此，参见图4，本发明实施例提供了一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法，所述制备方法包括：
S401、基于基准氮掺杂单晶硅棒切割成样品硅片后，选取多个待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布；其中，所述缺陷区域包括空穴富集区域、间隙富集区域以及空穴富集和间隙富集交替分布区域；
S402、基于所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置；
S403、在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，在所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉以制备得到所述当前氮掺杂单晶硅棒。
对于图4所示的技术方案，能够基于多个待检测硅片缺陷区域分布情况，确定基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置；因此在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，当提拉到基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处时，按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉，从而制备得到当前氮掺杂单晶硅棒。通过该制备方法能够实现分段调整当前单晶硅棒的目标提拉速率，以获得只存在空穴富集区域的氮掺杂单晶硅棒，进而能够获得更多高洁净表面的硅片。
对于图4所示的技术方案，在一些示例中，所述基于基准氮掺杂单晶硅棒切割成样品硅片后，选取多个待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，包括：
采用基准提拉速率提拉制备所述基准氮掺杂单晶硅棒，并切割所述基准氮掺杂单晶硅棒以获得所述样品硅片；
选取位于所述基准氮掺杂单晶硅棒不同位置的多个所述样品硅片作为所述待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布。
可以理解地，如图5所示，在采用基准提拉速率V0提拉制备基准氮掺杂单晶硅棒S1后，为了确定基准氮掺杂单晶硅棒S1中存在的缺陷区域分布情况，在本发明的实施例中，对基准氮掺杂单晶硅棒S1进行切片以获得多个样品硅片W，并从多个样品硅片W中选取部分样品硅片W作为进行缺陷区域分布评估的待检测硅片W。
需要说明的是，选取的待检测硅片W的数量以具体实际情况为准。
另一方面，为了充分地获得基准氮掺杂单晶硅棒中各个位置处的缺陷区域的分布情况，在本发明实施例中待检测硅片W分别从位于基准氮掺杂单晶硅棒S1头部、中部、以及尾部的各个位置的样品硅片W中选取，具体如图5所示。但是需要说明的是，本发明实施例中选取待检测硅片W的方法不局限于上述及其图5中限定的选取方法，具体可以根据实际情况进行调整。
对于上述示例，在一些具体的实现方式中，所述评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，包括：
获取所述多个待检测硅片表面少数载流子寿命数据，并根据所述多个待检测硅片表面少数载流子寿命数据绘制得到少数载流子寿命图谱；
基于所述少数载流子寿命图谱，评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布。
对于上述示例，在一些具体的实施方式中，所述基于所述少数载流子寿命图谱，评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，包括：
当所述少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命高的图谱，确定所述圆形状寿命高的图谱对应的待检测硅片为只含有空穴富集区域的第一待检测硅片；以及，
当所述少数载流子寿命图谱呈环状寿命低的图谱，确定呈环状寿命低的图谱对应的待检测硅片为含有间隙富集区域环绕空穴富集区域的第二待检测硅片；以及，
当所述少数载流子寿命图谱呈环状寿命高的图谱，确定呈环状寿命高的图谱对应的待检测硅片为含有空穴富集区域环绕间隙富集区域的第三待检测硅片；以及，
当所述少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命低的图谱，确定所述圆形状寿命低的图谱对应的待检测硅片为只含有间隙富集区域的第四待检测硅片。
需要说明的是，待检测硅片W表面少数载流子寿命数据可以通过微波光电导衰退法获取，具体的方法在本发明中不作具体阐述。
可以理解地，在本发明的实施例中，待检测硅片的少数载流子寿命是指：在大于半导体禁带宽度的能量(1.12eV)激励下，被激发的空穴-电子对中少数载流子复合的平均时间。在本发明实施例中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。而空穴富集缺陷的形成是由于在拉晶过程中促进了氧析出，进而产生了圆形状的空穴富集区域，因此在此区域少数载流子符合的平均时间长，因此只含有空穴富集区域的少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命高的图谱，因此通过扫描整个待检测硅片表面的少数载流子寿命图谱即可确定圆形状寿命高的图谱对应的待检测硅片为只含有空穴富集区域的第一待检测硅片。
类似地，间隙富集缺陷的形成是由于在拉晶过程中抑制了了氧析出，进而产生了圆形状的间隙富集区域，因此在此区域少数载流子符合的平均时间短，因此只含有间隙富集区域的少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命低的图谱，因此通过扫描整个待检测硅片表面的少数载流子寿命图谱即可确定圆形状寿命低的图谱对应的待检测硅片为只含有间隙富集区域的第四待检测硅片。因此，通过对少数载流子寿命图谱的分析，能够区分空穴富集区域和间隙富集区域。
同时，对于含有间隙富集区域环绕空穴富集区域的第二待检测硅片，由于空穴富集区域的少数载流子的寿命高于间隙富集区域的少数载流子的寿命，因此对于如图2所示的含有间隙富集区域环绕空穴富集区域分布的图形，其得到少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命低的图谱；而含有空穴富集区域环绕间隙富集区域的第三待检测硅片，由于空穴富集区域的少数载流子的寿命高于间隙富集区域的少数载流子的寿命，因此对于如图3所示的含有空穴富集区域环绕间隙富集区域分布的图形，其得到少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命高的图谱。
对于图4所示的技术方案，在一些示例中，所述基于所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置，包括：
基于所述只含有空穴富集区域的第一待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域分布的位置Ⅰ；以及，
基于所述含有间隙富集区域环绕空穴富集区域的第二待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域环绕空穴富集区域分布的位置Ⅱ；以及，
基于所述含有空穴富集区域环绕间隙富集区域的第三待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域环绕间隙富集区域分布的位置Ⅲ；以及，
基于所述只含有间隙富集区域的第四待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域分布的位置Ⅳ。
可以理解地，如图6所示，当对多个待检测硅片W进行缺陷评估并确定了每个待检测硅片中的缺陷分布情况后，即可以确定每个待检测硅片对应的基准氮掺杂单晶硅棒中不同位置含有的缺陷类型及其缺陷区域位置。
对于图4所示的技术方案，在一些示例中，所述在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，在所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉以制备得到所述当前氮掺杂单晶硅棒，包括：
当所述当前氮掺杂单晶硅棒与所述基准氮掺杂单晶硅棒热场结构一致时，在所述当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中：
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域分布的位置Ⅰ，采用基准拉晶速率拉制；以及，
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域环绕空穴富集区域分布的位置Ⅱ，采用第一目标拉晶速率V1拉制；以及，
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域环绕间隙富集区域分布的位置Ⅲ，采用第二目标拉晶速率V2拉制；以及，
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域分布的位置Ⅳ，采用第三目标拉晶速率V3拉制。
对于上述示例，在一些具体的实施方式中，所述第一目标拉晶速率V1为基准拉晶速率V0±0.001～0.002mm/min；以及，
所述第二目标拉晶速率V2为基准拉晶速率V0±0.002～0.003mm/min；以及，
所述第三目标拉晶速率V3为基准拉晶速率V0±0.003～0.006mm/min。
可以理解地，如图7所示，为了获得只存在空穴富集区域的当前氮掺杂单晶硅棒S2，对于不同的缺陷区域采用不同的目标提拉速率，采用这种分段设定目标提拉速率的方法能够制备得到只存在空穴富集区域的当前氮掺杂单晶硅棒S2，获得更多比例的高洁净表面硅片。
此外，可以理解地，对于当前氮掺杂单晶硅棒和基准氮掺杂单晶相比而言，两者的制备工艺除对应的拉晶速率不同外，其余制备工艺参数均相同，具体来说，比如坩埚的转速，氮掺杂剂的掺杂方式，热场结构以及保护气氛均相同。因此，通过对基准氮掺杂单晶硅棒缺陷区域的研究能够获得改进当前氮掺杂单晶硅棒缺陷区域分布的方法。
需要说明的是，在本发明的实施例中，能够通过常规技术方案中调整提拉速度的方法，将当前氮掺杂单晶硅棒S2的目标提拉速率控制上述范围内。
参见图7，本发明实施例还提供了一种氮掺杂单晶硅棒，所述氮掺杂单晶硅棒由前述技术方案所述的制备方法制备而得。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种氮掺杂单晶硅棒的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
基于基准氮掺杂单晶硅棒切割成样品硅片后，选取多个待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布；其中，所述缺陷区域包括空穴富集区域、间隙富集区域以及空穴富集和间隙富集交替分布区域；
基于所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置；
在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，在所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉以制备得到所述当前氮掺杂单晶硅棒。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基于基准氮掺杂单晶硅棒切割成样品硅片后，选取多个待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，包括：
采用基准提拉速率提拉制备所述基准氮掺杂单晶硅棒，并切割所述基准氮掺杂单晶硅棒以获得所述样品硅片；
选取位于所述基准氮掺杂单晶硅棒不同位置的多个所述样品硅片作为所述待检测硅片，并评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，包括：
获取所述多个待检测硅片表面少数载流子寿命数据，并根据所述多个待检测硅片表面少数载流子寿命数据绘制得到少数载流子寿命图谱；
基于所述少数载流子寿命图谱，评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基于所述少数载流子寿命图谱，评估所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，包括：
当所述少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命高的图谱，确定所述圆形状寿命高的图谱对应的待检测硅片为只含有空穴富集区域的第一待检测硅片；以及，
当所述少数载流子寿命图谱呈环状寿命低的图谱，确定呈环状寿命低的图谱对应的待检测硅片为含有间隙富集区域环绕空穴富集区域的第二待检测硅片；以及，
当所述少数载流子寿命图谱呈环状寿命高的图谱，确定呈环状寿命高的图谱对应的待检测硅片为含有空穴富集区域环绕间隙富集区域的第三待检测硅片；以及，
当所述少数载流子寿命图谱呈圆形状寿命低的图谱，确定所述圆形状寿命低的图谱对应的待检测硅片为只含有间隙富集区域的第四待检测硅片。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基于所述多个待检测硅片的缺陷区域分布，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置，包括：
基于所述只含有空穴富集区域的第一待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域分布的位置Ⅰ；以及，
基于所述含有间隙富集区域环绕空穴富集区域的第二待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域环绕空穴富集区域分布的位置Ⅱ；以及，
基于所述含有空穴富集区域环绕间隙富集区域的第三待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域环绕间隙富集区域分布的位置Ⅲ；以及，
基于所述只含有间隙富集区域的第四待检测硅片，确定所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域分布的位置Ⅳ。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中，在所述基准氮掺杂单晶硅棒中各缺陷区域分布的位置处按照设定的各缺陷区域对应的目标提拉速率进行提拉以制备得到所述当前氮掺杂单晶硅棒，包括：
当所述当前氮掺杂单晶硅棒与所述基准氮掺杂单晶硅棒热场结构一致时，在所述当前氮掺杂单晶硅棒的制备过程中：
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域分布的位置Ⅰ，采用基准拉晶速率拉制；以及，
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域环绕空穴富集区域分布的位置Ⅱ，采用第一目标拉晶速率V1拉制；以及，
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中空穴富集区域环绕间隙富集区域分布的位置Ⅲ，采用第二目标拉晶速率V2拉制；以及，
基于所述基准氮掺杂单晶硅棒中间隙富集区域分布的位置Ⅳ，采用第三目标拉晶速率V3拉制。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一目标拉晶速率V1为基准拉晶速率V0±0.001～0.002mm/min；以及，
所述第二目标拉晶速率V2为基准拉晶速率V0±0.002～0.003mm/min；以及，
所述第三目标拉晶速率V3为基准拉晶速率V0±0.003～0.006mm/min。
8.一种氮掺杂单晶硅棒，其特征在于，所述氮掺杂单晶硅棒由权利要求1至7任一项所述的制备方法制备而得。
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