硅晶体、硅晶体缺陷的处理方法及缺陷的表征方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种硅晶体、硅晶体缺陷的处理方法及缺陷的表征方法。

背景技术

单晶硅片是集成电路产业最重要的衬底材料，由于生长工艺的限制，生长出的硅锭会产生缺陷，目前，单晶硅中原生缺陷主要分为两大类：1)自间隙型缺陷；2)空位型缺陷。当晶体生长速率过低或者所处温度梯度过大时，都会使得硅晶体中产生大量自间隙原子，进而发生聚集以产生自间隙缺陷，如自间隙团簇(B-defects)、位错(A-defects)等等。在后续器件制造过程中，自间隙缺陷会对制备的器件有恶化作用，如增强器件漏电流以及降低击穿电压等等。特别地，由于目前工艺限制，自间隙型缺陷消除难度很高。因此，如何有效地消除硅晶体中自间隙型缺陷显得尤为关键。

现有技术中公开了一种减少重掺硼直拉硅片中原生位错的方法，包括：在纯度大于99.99％的氩气气氛下，将重掺硼直拉硅片置于1000℃-1100℃维持1-2小时，然后自然冷却；其中，所述重掺硼直拉硅片的硼掺杂浓度为7×10

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅晶体、硅晶体缺陷的处理方法及缺陷的表征方法，以解决如何快速、有效地减少乃至消除单晶硅晶体中的自间隙型缺陷的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种硅晶体缺陷的处理方法，包括：

提供一硅晶体，所述硅晶体内包含自间隙型缺陷；

对所述硅晶体执行快速热处理工艺，以至少消除距离所述硅晶体的表面预设距离内的自间隙型缺陷。

可选的，所述快速热处理工艺包括退火阶段，所述退火阶段的温度范围为1100℃至1350℃且退火时间范围为10秒至240秒，所述退火阶段的气氛为氩气和氮气的混合气氛、纯氩气或者纯氮气气氛。

可选的，所述退火阶段的温度范围为1175℃至1350℃。

可选的，所述退火阶段的退火时间范围为80秒至160秒。

可选的，所述快速热处理工艺还包括升温阶段，所述升温阶段位于退火阶段之前，所述升温阶段的升温速率大于1℃/s，所述升温阶段的气氛为纯氩气或氩气与氮气的混合气氛，其中，混合气氛中所述氮气的比例大于1％。

可选的，所述快速热处理工艺还包括装载阶段，所述装载阶段位于升温阶段之前，所述装载温度为400℃-800℃，所述装载阶段的气氛为纯氩气，所述纯氩气的通入时间为0.1min-10min。

可选的，所述快速热处理工艺可以在常压环境或者减压环境执行，其中，所述减压环境的气压为1torr-100torr。

可选的，所述硅晶在执行快速热处理工艺时，所述硅晶体表面产生氮化层和氧化层，所述硅晶体经过快速热处理工艺之后，采用氢氟酸溶液移除所述硅晶体表面的氮化层和氧化层。

基于同一发明构思，本发明还提供一种缺陷的表征方法，采用上述任一项所述的硅晶体缺陷的处理方法处理的硅晶体，包括：先采用干法腐蚀法或者湿法腐蚀法对硅晶体中的自间隙型缺陷进行显现处理，再采用光学检测法表征所述硅晶体的自间隙型缺陷。

基于同一发明构思，本发明还提供一种硅晶体，采用上述任一项所述的硅晶体缺陷的处理方法处理的硅晶体，距离所述硅晶体的表面预设距离内无自间隙型缺陷。

在本发明提供的硅晶体、硅晶体缺陷的处理方法及缺陷的表征方法中，通过对硅晶体执行快速热处理工艺，以至少消除距离硅晶体的表面预设距离内的自间隙型缺陷，所述自间隙型缺陷包括A型缺陷和B型缺陷。也即对硅晶体执行快速热处理工艺能够快速、有效减少乃至完全消除硅晶体中自间隙型缺陷。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明实施例的硅晶体缺陷的处理方法流程图。

图2至图6是本发明实施例的第一次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷分布示意图。

图7是本发明实施例的第一次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷的柱状图。

图8至图9是本发明实施例的第二次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷分布示意图。

图10是本发明实施例的第二次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷的柱状图。

图11至图12是本发明实施例的第三次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷分布示意图。

图13是本发明实施例的第三次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷的柱状图。

附图中：

10-硅晶体；10a-自间隙型缺陷。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例的硅晶体缺陷的处理方法流程图。如图1所示，本实施例提供一种硅晶体缺陷的处理方法，包括：

步骤S10，提供一硅晶体，所述硅晶体内包含自间隙型缺陷；

步骤S20，对所述硅晶体执行快速热处理工艺，以至少消除距离所述硅晶体的表面预设距离内的自间隙型缺陷。

在步骤S10中，所述硅晶体例如是单晶硅晶体。所述单晶硅晶体内包含自间隙型缺陷。具体的，当晶体生长速率过低或者所处温度梯度过大时，都会使得单晶硅晶体中产生大量自间隙原子，进而发生聚集以产生自间隙型缺陷，自间隙型缺陷包括A型缺陷(A-defects)和B型缺陷(B-defects)，A型缺陷例如是位错等，B型缺陷例如自间隙团簇等。

在步骤S20中，所述快速热处理工艺依次包括装载阶段、升温阶段和退火阶段。所述装载阶段位于升温阶段之前，装载阶段用于将硅晶体装载进入快速退火炉中。所述装载阶段的温度例如是400℃-800℃，较佳的，所述装载阶段的温度例如是600℃。所述装载阶段的气氛例如是纯氩气，所述纯氩气的通入时间例如是0.1min-10min，优选的，所述纯氩气的通入时间为1min。为了保护快速退火炉，快速退火炉在待机情况下通常是通入氩气气氛。装载阶段之后是升温阶段。当完成硅晶体的装载后，将气氛切换为氩气和氮气的混合气氛开始升温，也即所述升温阶段的气氛为氩气和n％氮气的混合气氛，其中n>1，即所述升温阶段的混合气氛中所述氮气的比例大于1％。所述升温阶段的升温速率大于1℃/s。升温至目标温度开始进入退火阶段，气氛可选为继续保持升温阶段的Ar+n％N2混合气氛，亦可选为切换成纯氩气或者纯氮气气氛，即所述退火阶段的气氛为氩气和氮气的混合气氛、纯氩气或者纯氮气气氛。所述退火阶段的温度例如是范围为1100℃至1350℃，较佳的，所述退火阶段的温度为1175℃至1350℃。退火阶段的时间例如是10秒至240秒，较佳的，退火阶段的时间为80秒至160秒。所述快速热处理工艺可以在常压环境或者减压环境执行，其中，所述减压环境的气压例如是1torr-100torr，较佳的，所述减压环境的气压为15torr。

在快速热处理工艺之后，也即在退火阶段结束后气氛环境设置为纯氩气，并将温度降至400℃-800℃，也即快速退火炉的待机温度，优选的，快速退火炉的待机温度为500℃，降温速率至少大于5℃/s。

所述硅晶在执行快速热处理工艺时，所述硅晶体表面会产生氮化层和氧化层。因此，所述硅晶体经过快速热处理工艺之后，采用氢氟酸溶液移除所述硅晶体表面氮化层和氧化层。氢氟酸溶液的浓度小于20％，氢氟酸溶液的浓度优选为5％。

在步骤S20中，对所述硅晶体执行快速热处理工艺，以至少消除距离所述硅晶体的表面预设距离内的自间隙型缺陷。距离所述硅晶体的表面预设距离的区域也即近表面层。包括硅晶体上表面的近表面层和下表面的近表面层。距离所述硅晶体的表面预设距离例如是小于20微米，较佳的，预设距离为1微米至10微米，进一步的，预设距离为1微米至5微米。

本实施例还提供一种缺陷的表征方法，采用上述任一项所述的硅晶体缺陷的处理方法处理的硅晶体，包括：先采用干法腐蚀法或者湿法腐蚀法对硅晶体中的自间隙型缺陷进行显现处理，再采用光学检测法表征所述硅晶体的自间隙型缺陷。具体的，干法腐蚀法例如是气相刻蚀工艺。湿法腐蚀法例如是采用硝酸、氢氟酸和醋酸的缓和液。光学检测法例如是采用激光散射法，也即通过扫描所述硅晶体的表面，计算所述硅晶体上凸起或者凹陷的位置，以及凸起或者凹陷的等效尺寸，以表征硅晶体的自间隙型缺陷。

本实施例还提供一种硅晶体，采用上述任一项所述的硅晶体缺陷的处理方法处理的硅晶体，距离所述硅晶体表面预设距离范围内无自间隙型缺陷。硅晶体的制备方法采用区熔法或者直拉法制备。硅晶体可以是P型硅晶体，也可以是N型硅晶体。硅晶体中形成有原生自间隙型缺陷。经过快速热处理工艺之后，距离所述硅晶体表面预设距离范围内无自间隙型缺陷。值得注意的是，距离所述硅晶体表面预设距离范围是指与硅晶体上表面或者下表面的距离，也即与硅晶体上下表面垂直方向的距离。预设距离范围例如是小于20微米，较佳的，预设距离为1微米至10微米，进一步的，预设距离为1微米至5微米。

表1第一次实验条件

如图表1所示，发明人进行了实验验证，在本次实验组设置五个实验组，第一组作为对照组，也即不进行快速热处理工艺的原始硅片，第一组包括硅片1。第二组至第五组均为实验组，均进行快速热处理工艺，快速热处理工艺中的升温阶段采用氩气和5％氮气混合气氛；快速热处理工艺中的退火阶段的气氛分别采用氧气气氛、氩气和5％氮气混合气氛、纯氩气气氛以及纯氮气气氛，也即第二组至第五组的快速热处理工艺的退火气氛不同。具体的，第二组的退火气氛为纯氧气气氛、第三组的退火气氛为纯氩气气氛、第四组的退火气氛为氩气和5％氮气混合气氛，以及第五组的退火气氛为纯氮气气氛。第二组至第五组的快速热处理工艺的温度和时间相同，具体的，第二组至第五组的快速热处理工艺的温度均设置为1250℃，第二组至第五组的快速热处理工艺的时间设置为20秒。

图2至图6是本发明实施例的实验1中不同硅晶体中的自间隙型缺陷分布示意图。图7是本发明实施例的第一次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷的柱状图。完成实验的硅晶体采用光学检测法所表征出晶体中所含有的自间隙型缺陷分布图。具体的，图2为第一组实验中硅片1的自间隙型缺陷分布示意图，图3为第二组实验中硅片2的自间隙型缺陷分布示意图，图4为第三组实验中硅片3的自间隙型缺陷分布示意图，图5为第四组实验中硅片4的自间隙型缺陷分布示意图，图6为第五组实验中硅片5的自间隙型缺陷分布示意图。图7对每个实验条件中硅晶体内的自间隙型缺陷数量进行了柱状图对比，以更清楚的对比自间隙型缺陷的消除效果。通过对比图2以及图3-图6结合图7可知，在氧气气氛下，几乎未能减少硅晶体10中自间隙型缺陷10a的数量，反之在氩气和5％氮气混合气氛、纯氩气气氛以及纯氮气气氛下均能有效减少上述缺陷。进一步的，纯氮气气氛下的第五组的自间隙型缺陷的数量小于氩气和氮气混合气体的第四组和纯氩气的第三组，这是由于在高温下，硅晶体产生空位-自间隙原子对，由于自间隙原子的扩散速率快于空位，从而使得硅晶体中有空位残余，残余的空位在高温下可以与自间隙缺陷结合从而消除自间隙型缺陷。不同气氛的差异在于：氧气气氛下，由于硅晶体表面被氧化，会往硅晶体内注入自间隙原子，导致硅晶体近表面层处残余的空位被复合，此外注入的自间隙原子还会抑制自间隙型缺陷的消除；相反地，在氮气气氛下，硅晶体表面被氮化，往硅晶体内注入空位，硅晶体近表面层处的空位浓度增加，从而促进近表面层自间隙型缺陷消除。氩气气氛下，则是仅靠高温下残余的空位促进自间隙型缺陷消除，效果要差于氮气气氛。因此，氮气越多，硅晶体的近表面层中注入的空位越多，则消除更多的自间隙型缺陷。因此，纯氮气气氛下的第五组的自间隙型缺陷的数量更少。

表2第二次实验条件

如表2所示，在另一个实施例中，发明人进行了进一步的实验验证。基于上一个实施例的结果，我们继续选择于上一个实施例中所涉及到的含有自间隙型缺陷的硅晶体。在本实施例中，设置三组实验组，其中一组的实验条件和上一实施例的第五组的实验条件相同，本实施例中新增两个实验条件，即第六组和第七组。具体的，第六组和第七组的退火阶段的退火时间和退火气氛均和第五组相同，也即退火阶段的退火时间为20秒，退火气氛采用纯氮气气氛。但是第六组和第七组的退火阶段的温度和第五组不同，在第五组的基础上依次递减，第六组的退火阶段的温度例如是1100℃，第七组的退火阶段的温度例如是1000℃。

图8至图9是本发明实施例的第二次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷分布示意图。图10是本发明实施例的第二次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷的柱状图。完成实验的硅晶体采用光学检测法所表征出晶体中所含有的自间隙型缺陷分布图。具体的，图8为第六组实验中硅片6的自间隙型缺陷分布示意图，图9为第七组实验中硅片7的自间隙型缺陷分布示意图。图10对每个实验条件中硅晶体内的自间隙型缺陷数量进行了柱状图对比，以更清楚的对比自间隙型缺陷的消除效果。通过对比第一次实验中的图6和第二次实验中的图8和图9以及图10，可知，在纯氮气气氛、退火时间为20秒的实验条件下，退火温度的增加能够增强硅晶体10中自间隙缺陷10a去除效果，最终能够完全消除该缺陷。如图6所示，硅晶体10上基本上不存在自间隙缺陷10a。这是由于在高温下，硅晶体产生空位-自间隙原子对，由于自间隙原子的扩散速率快于空位，从而使得硅晶体中有空位残余，残余的空位在高温下可以与自间隙缺陷结合从而消除自间隙型缺陷。因此，退火温度越高，硅晶体10中自间隙缺陷10a去除效果越好。

表3第三次实验条件

如表3所示，在另一个实施例中，发明人进行了进一步的实验验证。基于上一个实施例的结果，我们继续选择于上一个实施例中所涉及到的含有自间隙型缺陷的硅晶体。在本实施例中，设置三组实验组，其中一组的实验条件和上一实施例的第五组的实验条件相同，本实施例中新增两个实验条件，即第八组和第九组。具体的，第八组和第九组的退火阶段的温度和退火气氛均和第五组相同，也即退火阶段的温度为1250℃，退火气氛采用纯氮气气氛。但是第八组和第九组的退火阶段的时间和第五组不同，在第五组的基础上依次递增，第八组的退火阶段的时间例如是60秒，第九组的退火阶段的时间例如是90秒。

图11至图12是本发明实施例的第三次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷分布示意图。图13是本发明实施例的第三次实验中不同硅晶体中的自间隙型缺陷的柱状图。完成实验的硅晶体采用光学检测法所表征出晶体中所含有的自间隙型缺陷分布图。具体的，图11为第八组实验中硅片8的自间隙型缺陷分布示意图，图12为第九组实验中硅片9的自间隙型缺陷分布示意图。图13对每个实验条件中硅晶体内的自间隙型缺陷数量进行了柱状图对比，以更清楚的对比自间隙型缺陷的消除效果。通过对比第一次实验中的图6和第二次实验中的图11和图12以及图13，在纯氮气气氛、退火温度1250℃下，退火时间加长增加能够增强硅晶体10中自间隙缺陷10a去除效果，最终能够完全消除该缺陷。如图8所示，硅晶体10上基本上不存在自间隙缺陷10a。这是由于在高温下，硅晶体产生空位-自间隙原子对，由于自间隙原子的扩散速率快于空位，从而使得硅晶体中有空位残余，残余的空位在高温下可以与自间隙缺陷结合从而消除自间隙型缺陷。而在高温下持续的时间越长，硅晶体10中自间隙缺陷10a去除效果越好，最终能够完全消除该缺陷。

综上可见，在本发明实施例提供的硅晶体、硅晶体缺陷的处理方法及缺陷的表征方法中，通过对硅晶体执行快速热处理工艺，以至少消除距离硅晶体的表面预设距离内的自间隙型缺陷，所述自间隙型缺陷包括A型缺陷和B型缺陷。具体的研究了，不同退火温度、不同退火时间和不同退火气氛对去除自间隙型缺陷的影响，实验可知，增加退火温度、增加退火时间均能增加去除自间隙型缺陷的效果，并且，在氮气气氛下，硅晶体表面被氮化，往硅晶体内注入空位，硅晶体近表面层处的空位浓度增加，从而促进近表面层自间隙型缺陷消除。通过本实施例的研究得到，退火阶段的气氛为氩气和氮气的混合气氛、纯氩气或者纯氮气气氛，所述退火阶段的温度范围为1100℃至1350℃且退火时间范围为10秒至240秒能够快速、有效减少乃至完全消除硅晶体中自间隙型缺陷，进一步的，所述退火阶段的温度范围为1175℃至1350℃，退火时间范围为80秒至160秒，消除硅晶体中自间隙型缺陷效果更好。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。

此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。