单晶硅是微电子工业的基础材料,广泛用于集成电路和功率半导体器件的制造,成为当今信息社会的基石。在可预见的将来,它仍将在信息社会中发挥极其重要的作用。随着集成电路特征线宽的不断减小,对直拉单晶硅片提出了“大直径、无缺陷”的要求。目前,300mm的直拉硅片已经成为集成电路的主流材料。为了使集成电路的有源区无缺陷及增强硅片的内吸杂能力,包括浙江大学硅材料国家重点实验室在内的国内外研究机构提出了在直拉硅中掺氮的新技术途径。开发300mm掺氮直拉单晶硅和研究其杂质和缺陷的性质,无疑具有重要的实际意义,可以为提供高质量的集成电路用硅片打下坚实的基础。同时,开发极低电阻率的重掺N型直拉硅单晶、研究掺氮对改善重掺N型硅单晶性能的作用,对于开发高性能的功率半导体器件具有重要的现实意义。本文重点研究了300mm掺氮直拉硅单晶的晶体生长、原生氧沉淀、内吸杂以及原生缺陷在热处理工艺中的演变;同时,研究了极低电阻率的普通和掺氮的重掺砷和重掺磷直拉硅单晶的晶体生长、氧沉淀以及它们在器件中的应用情况。本文在以下方面取得创新性的结果:1.在设计合理热场和优化晶体生长工艺参数(包括:拉速、晶转、埚转、埚位、保护气体流量和工作气压等)的基础上,采用具有我国自主知识产权的氮含量可控的气相掺氮技术,在国内首次成功地生长出300mm掺氮直拉硅单晶。2.研究了300mm掺氮直拉硅片的原生氧沉淀的形成规律。采取从低温(600℃～1000℃)开始缓慢升温至高温(1150℃)并保温若干时间的方法,使得直拉硅片中大于起始温度对应的氧沉淀临界尺寸的那一部分原生氧沉淀得以长大,研究了300mm掺氮直拉硅片的原生氧沉淀的径向分布。研究表明:氧沉淀异常区域(称为P区)的原生氧沉淀密度显著高于空位型缺陷区域(称为V区);此外,V区中的原生氧沉淀的尺寸分布是不连续的,表现为高温下形成的大尺寸原生氧沉淀和低温下形成的小尺寸氧沉淀,而P区中的原生氧沉淀的尺寸分布则是连续的,并阐述了其形成机制。3.研究了300mm掺氮直拉硅片的空洞型缺陷的消除技术。通过研究硅片流动图形花样缺陷(FPD)的密度随高温热处理演变的情况,揭示了空洞型缺陷在高温下的消除情况。研究表明:在常规热退火处理时,在氩气保护气氛下1200℃处理4h可以显著地消除空洞型缺陷。在快速热处理(RTP)时,Ar保护气氛下1200℃热处理30s并以50℃/s的速率降温时能显著消除空洞型缺陷。4.研究了300mm掺氮直拉硅片的基于缓慢升温(Ramping)退火的新型内吸杂工艺。即:从低温(800℃及以下的温度)缓慢升温至高温(1050℃及以上),并在该温度下保温,一方面使硅片体内的原生氧沉淀长大而形成高密度的BMD,另一方面使近表面区域的氧沉淀在高温下消融而形成洁净区。SIRM以及择优腐蚀结合光学显微镜观察都表明:经过适当的Ramping退火,NCZ硅片可以形成洁净区和BMD区,从而具有内吸杂功能。研究还表明:在相同的高温处理条件下,起始温度越低,BMD密度越高而洁净区宽度越小;而在起始温度相同时,终点温度越高,BMD密度越低而洁净区宽度越大。此外,在一定的高温处理条件下,若起始温度太低,将导致洁净区不能形成。与常规的基于高-低-高三步热处理的内吸杂工艺相比,上述基于Ramping退火的内吸杂工艺具有热预算低的优点。5.研究和开发了极低电阻率的普通和掺氮的重掺砷和重掺磷直拉单晶硅的晶体生长技术。为解决重掺磷和重掺砷面临的掺杂剂严重挥发、组分过冷和生长界面翻转困难等因素对晶体生长造成严重障碍这一问题,设计了特定的热场和掺杂工具,获得3项国家发明专利。在此基础上,通过优化晶体生长工艺,成功生长出晶体头部电阻率分别不超过0.003Ω.cm和0.0015Ω.cm的极低电阻率的重掺砷和重掺磷直拉单晶硅,并实现了大规模生产,取得显著的经济和社会效益。同时,还研究了掺氮对重掺磷和重掺砷直拉单晶硅氧沉淀的影响,表明掺氮可显著增强这两种重掺N型单晶硅的氧沉淀。利用这一特点,开发了具有高内吸杂能力的以掺氮的重掺磷或重掺砷硅片为衬底的硅外延片。试验表明,该种外延片用于制造MOSFET功率器件时,可显著减小漏电流。