直拉硅单晶的杂质工程：氮和锗杂质共掺的效应及其应用

450 mm Czochralski silicon (Cz-Si) wafers will gradually become the base material for integrated circuits. Unfortunately, the traditional Cz growth technology based on Dash necking process will be not vialbe for the growth of 450 mm Cz-Si crystals heavier than 400 kilograms (Kg). Moreover, 450 mm Cz-Si is faced with new challenges in the regards of mechanical strength, cantrol and application of defects. Addressing the aforementioned critical issues, the present project will perfrom prospective research. For the first time it proposes a new type of Cz-Si that is co-doped with nitrogen (N) and germanium (Ge) impurities, aiming at synergistically exerting the advantages of both N- and Ge-doping while suppressing the disadvantages of either N or Ge individual-doping. The effects of N and Ge co-doping on the mechanical strength, oxygen precipitation and its associated IG, evolution of point defects and the formation of other defects will be systematically investigated and the underlying mechanisms will be elucidated. Based on the consequent results, the project will develop a Cz growth technology based on the N and Ge co-doped seed that needs no Dash necking process. Such a new Cz growth technology will be viable for 450 mm Cz-Si crystals heavier than 400 Kg. On the other hand, the project will provide the fundamental knowledge of manipulating defects for the performance improvement of 450 mm Cz-Si.

450 mm直拉硅单晶将逐渐成为集成电路的基础材料。然而，传统的基于Dash缩颈工艺的直拉生长技术将不再适用于重量超过400公斤的450 mm直拉硅单晶的生长。此外，450 mm直拉硅单晶还在机械强度、缺陷控制和利用等方面面临着新的挑战。 本项目针对450 mm直拉硅单晶所面临的上述关键问题，开展先导性的应用基础研究。在国际上首次提出一类氮和锗杂质共掺的新型直拉硅单晶，以发挥掺氮和掺锗两者的优点、并克服单一掺氮或掺锗的缺点。项目将系统地研究氮和锗杂质共掺对直拉硅单晶的机械强度、氧沉淀及与之相关的内吸杂、点缺陷演变和其它缺陷的行为等多方面的影响和作用规律，并阐明相应的物理机制。在此基础上，一方面发展出无需Dash缩颈工艺的无位错直拉硅单晶生长的新技术，可用于以后生长重量超过400公斤的450 mm直拉硅单晶；另一方面提出控制和利用缺陷的技术原理，可用于以后提高450 mm直拉硅单晶的性能。

直拉硅单晶是微电子产业的基础材料，支撑了集成电路在过去半个世纪中按摩尔定律进行的快速发展。本项目针对450 mm直拉硅单晶所面临的关键科学和技术问题，从直拉硅单晶的“杂质工程”的角度出发，提出一类氮和锗杂质共掺的新型直拉硅单晶，并系统地研究了氮和锗杂质共掺对直拉硅单晶的机械强度、氧沉淀及与之相关的内吸杂、空洞型缺陷的形成等多方面的影响，并阐明相应的物理机制。 . 本项目取得如下主要成果：（1）成功地生长出不同浓度组合的锗和氮共掺的直拉硅单晶，丰富了共掺硅单晶的类型，具有产业化应用的前景。（2）系统地阐明了氮、锗掺杂以及两者共掺对硅片机械强度（位错滑移抑制能力）的影响，发现氮和锗杂质对位错滑移抑制的显著作用温区分别在900C以下和1000C以上，而氮和锗的共掺则可以将两者的优势互补，显著提高硅单晶的机械强度的硅单晶，这有利于提高集成电路的制造成品率。基于系统的实验研究，深刻地揭示了氮和锗掺杂抑制位错滑移的物理机制。（3）利用合适浓度组合氮和锗共掺单晶作为籽晶，成功地实现了以严格的无缩颈工艺生长出无位错的硅单晶（据我们所知为国际上首次），这为生长更大重量（600公斤以上）的硅单晶尤其是直径450mm硅单晶打下了技术基础。（4）揭示了氮和锗共掺对氧沉淀行为的影响规律及其机制，发现两种杂质的共掺可以显著促进大尺寸原生氧沉淀的形成，进而提出低热预算的一步高温内吸杂工艺。（5）揭示了氮和锗共掺对硅单晶点缺陷形成和演变的影响规律及其机制，进而提出基于快速热处理的内吸杂工艺和抑制乃至完全消除空洞型缺陷的策略，这对提高集成电路的成品率具有重要意义。（6）发明了一种硅片的高温压载装置，较好地解决了表征硅片高温机械强度的难题。. 本项目的成果丰富了直拉硅单晶“杂质工程”的科学与技术内涵，为开发集成电路用新型硅片提供了新的知识和技术基础。