大直径直拉硅单晶缺陷工程的基础研究

300mm直拉硅单晶是甚大规模集成电路的基础材料，其缺陷的结构、形态和作用和小直径单晶有明显区别，对集成电路的性能和成品率有极其重要的作用。本项目研究甚大规模集成电路用300mm直拉硅单晶的缺陷的基础科学问题，着重研究具有我国自主知识产权的掺氮、掺锗300mm直拉硅单晶的缺陷，具有明显的创新性和重大的实际意义。项目将制备300mm直径普通、掺氮、微量掺锗直拉硅单晶，研究大直径硅单晶中原生晶体缺陷（如空洞型缺陷、氧沉淀等）的分布规律和结构特性，研究它们在硅片制备和热处理过程中的演变、对内吸杂性能、电学性质和力学性能的影响；研究晶体生长过程中自间隙硅原子、空位点缺陷的形成、扩散和互相作用，研究其空位、氧、锗等缺陷和杂质的性质以及它们的互相作用；特别研究利用微量锗杂质控制相关缺陷、提高和优化硅单晶性能问题，为甚大规模集成电路的制备提供优质硅单晶材料。

集成电路特征线宽的不断减小对作为其基础材料的直拉硅单晶的缺陷控制提出了更高的要求。利用在直拉硅单晶共掺非电活性杂质（氮和锗）来调控缺陷是本项目的主要研究特色。研究了氮杂质对300mm直拉硅单晶原生氧沉淀形成的影响，结果表明：氮与空位和氧的相互作用形成的复合体促进了高温阶段原生氧沉淀的形成，且使原生氧沉淀的尺寸分布明显不同于普通直拉硅单晶。这一特征可使掺氮直拉硅片在器件制造工艺中具备更强的内吸杂能力。利用氮在硅中扩散快的特点，提出了基于氮气氛下高温快速热处理在直拉硅片中掺氮的内吸杂工艺，该工艺仅需一步后续中温处理，具有热预算低的优点，特别适合用于300mm直拉硅片，因为300mm硅片涉及的集成电路工艺热预算通常较低。研究了掺锗对大直径直拉硅单晶缺陷形成和机械强度的影响。结果表明：在模拟集成电路热工艺的条件下，在掺锗直拉硅片的体内形成了更高密度的氧沉淀及其诱生缺陷，这表明锗杂质有效地促进氧沉淀，从而提高硅片的内吸杂能力；掺锗明显抑制直拉硅单晶中空洞型缺陷的形成，锗浓度越高，抑制作用越强；掺锗抑制轻掺硼直拉硅单晶中硼氧复合体的形成，因而抑制少子寿命的光致衰减；浓度在1018cm3以上锗能降低硅片制造工艺导致的翘曲度和弯曲度、提高断裂强度和杨氏模量、抑制位错滑移。研究了金属杂质与缺陷的相互作用，利用铜杂质缀饰空洞型缺陷，提出了择优腐蚀直拉硅单晶中空洞型缺陷的新方法，具有直观和简便的优点。. 项目还系统研究了重掺硅单晶的缺陷，发现了重掺磷直拉硅单晶中一种低温氧沉淀异质形核的新机制以及氧扩散受到抑制机理，发现重掺硼硅单晶中的氧扩散存在两种途径，并用第一性原理计算给出理论解释；阐明了重掺砷和重掺锑硅单晶在快速热处理注入空位条件下的氧沉淀行为的差异；提出了增强重掺N型硅单晶氧沉淀的方法并得到应用。. 本项目已发表学术论文81篇，其中SCI检索论文68篇，关于直拉硅单晶缺陷工程的长篇综述论文即将发表于国际著名杂志Materials Science and Engineering: Report (影响因子14.95)。获得国家发明专利8项，受理发明专利5项。部分研究成果获得2011年“浙江省科学技术一等奖”和2012年“信息产业重大技术发明奖”。同时，在国际学术会议上做邀请（invited）报告11次，主编参编专著各1本。培养博士研究生5名，硕士研究生13名。