第八章--硅中的雜質(zhì)

精品文檔 489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載489歡迎下載 第八章 硅中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體硅晶體是高純材料 對(duì)雜質(zhì)的引入非常敏感 人們有意摻入電活性雜質(zhì) 如硼 磷等 來控制它的電學(xué)性能 以制造不同功能的器件 但是 在硅晶體生長和器件制造的工藝過程中 常常會(huì)由于各種原因無意地引入電活性或非電活性的雜質(zhì) 這些雜質(zhì)或者它們所造成的二次缺陷 對(duì)硅材料和器件的性能有破壞作用 因而引起人們的高度重視 一般在硅晶體中無意引入的雜質(zhì) 可分為兩大類 一類是輕元素雜質(zhì) 包括氧 碳 氮和氫雜質(zhì) 另一類是金屬雜質(zhì) 主要是指鐵 銅和鎳等3d過渡金屬 這些雜質(zhì)由不同的途徑進(jìn)入硅晶體 對(duì)它的機(jī)械和電學(xué)性能也有不同的影 響 在7 1 1節(jié)中已一般地討論了作為硅中的非本征點(diǎn)缺陷即硅中的雜質(zhì)的一般性質(zhì)和行為 本章分別介紹氧 碳 氮 氫雜質(zhì)和過渡金屬雜質(zhì)在硅中的基本性質(zhì) 它們在硅中的沉淀 它們 之間的相互作用 以及它們對(duì)硅材料和器件性能的影響 8 1 硅中的氧 氧是直拉 CZ 硅單晶中最主要的雜質(zhì) 已被研究四十多年 硅中的氧濃度一般在 1017 1018cm 3數(shù)量級(jí) 以間隙態(tài)存在于硅晶格中 氧是在晶體生長過程中被引入的 在隨后的器 件制造工藝過程中 由于硅晶體經(jīng)歷了各種溫度的熱處理 過飽和的間隙氧會(huì)在硅晶體中偏聚和 沉淀 形成了氧施主 氧沉淀及二次缺陷 這些和氧有關(guān)的缺陷 對(duì)硅材料和器件具有有利和不 利的兩個(gè)方面 有利的方面是它們能結(jié)合器件工藝 形成內(nèi)吸雜 可以吸除金屬雜質(zhì) 氧雜質(zhì)還 能釘扎位錯(cuò) 提高硅片機(jī)械強(qiáng)度 不利的方面是當(dāng)氧沉淀過大時(shí) 又會(huì)導(dǎo)致硅片的翹曲 氧沉淀 還能引入大量的二次缺陷 對(duì)硅材料和器件的電學(xué)性能有破壞作用 在半導(dǎo)體硅材料大規(guī)模應(yīng)用 的早期 人們認(rèn)為氧僅僅是有害雜質(zhì) 努力使之在硅晶體中的濃度降低 在70年代末 人們認(rèn)識(shí) 到它能提高硅片的機(jī)械強(qiáng)度以及可能具有內(nèi)吸雜效應(yīng) 可以加以應(yīng)用 在現(xiàn)代硅材料生產(chǎn)中 氧 的濃度通常被控制在所需要的范圍 本節(jié)介紹硅中氧的引入 硅中氧的基本性質(zhì)以及它對(duì)硅材料 和器件性能的影響 還闡述熱施主和新施主的性質(zhì) 重點(diǎn)介紹硅中氧沉淀的形核 長大 形態(tài)以 及影響氧沉淀生成的因素 最后介紹了內(nèi)吸雜的概念 8 1 1 硅中氧的基本性質(zhì) 直拉硅單晶中的氧來自晶體生長時(shí)石英坩堝的污染 當(dāng)多晶硅熔化成液相時(shí) 液態(tài)硅在高溫 下嚴(yán)重侵蝕石英坩堝 其反應(yīng)方程式為 部分SiO從熔體表面揮發(fā) 部分SiO則在熔硅中分解 反應(yīng)方程式為 分解的氧便引入熔體中 最終進(jìn)入硅晶體 硅中的氧占據(jù)著晶格間隙位置 處于Si Si鍵中間偏離 精品文檔 490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載490歡迎下載 軸向方向 其結(jié)構(gòu)如圖8 1中所示 間隙氧本身在硅中是 電中性雜質(zhì) 盡管它的濃度要比硅中摻雜劑的濃度大三 四個(gè)數(shù)量級(jí) 但它并不影響硅的電學(xué)性能 在液態(tài)硅中 氧的濃度受到下列因素影響 1 熱對(duì)流 2 熔硅和石英 坩堝的接觸面積 3 機(jī)械強(qiáng)制對(duì)流 4 SiO從液態(tài)表面 的蒸發(fā) 5 氧在固體晶體中的結(jié)合 在晶體生長初期 很 強(qiáng)的熱對(duì)流運(yùn)輸缺氧的熔體通過熱坩堝壁的最大面積 增加了石英坩堝的熔解 因此 有大量的氧原子被引入硅 熔體 對(duì)于區(qū)熔 FZ 單晶 由于沒有用到石英坩堝 所以 其中氧的濃度很低 在實(shí)際操作中 改變晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)等生 長工藝參數(shù) 能有效地控制直拉硅晶體中的氧濃度 在Si O二元系中 由于難于測量液態(tài)硅中的氧的 濃度 迄今為止 尚無精確的Si O系相圖 在研究硅中 氧的分凝系數(shù)的基礎(chǔ)上 Yatsurugi等人曾提出了Si O相圖的示意圖 如圖8 2所示 1 1 氧的固溶度 一般認(rèn)為 在硅的熔點(diǎn)溫度 硅中氧的平衡固溶度約為2 75 1018cm 3 2 隨著溫度的降低 氧的固溶度逐漸下降 但是 由于研究者使用的測量方法不同 被測量樣品的熱歷史不同 氧 的固溶度隨溫度變化的規(guī)律有著不同的報(bào)導(dǎo) 圖8 3表示的是氧的固溶度隨溫度變化曲線 3 在 低溫小于700 時(shí) 由于小沉淀的生成 所以固溶度有所增加 通常 硅中氧在高溫下的固溶度可 以表達(dá)為 精品文檔 491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載491歡迎下載 式中 S為溶解熵 H為溶解焓 R是氣體常數(shù) T是絕對(duì)溫度 Itoh等人 4 利用帶電粒子活化法 Charged Particle Activation Analysis CPAA 在 1000 1375 溫度范圍內(nèi)測量了氧的固溶度 他們得到溶解熵 S為27 6 kcal mol 1 溶解焓 H為3 3 kcal mol 1 K 3 這樣 硅中氧的固溶度可以表示為 這里leV 23 1 kcal mol 1 他們還認(rèn)為 氧的固溶度隨溫度變化曲線在1200 左右應(yīng)該有一個(gè)輕 微轉(zhuǎn)折點(diǎn) Gass等人 5 的推導(dǎo)也支持這一觀點(diǎn) 但是 在實(shí)際曲線中并沒有反映出來 對(duì)于普通的直拉硅單晶 氧濃度一般為5 20 1017cm 3 在集成電路器件制造過程中 硅片要 在600 1200 經(jīng)歷多道熱處理工藝 在此溫度區(qū)間 氧的實(shí)際濃度常常大于相應(yīng)的平衡固溶 度 因此 原來處于間隙位置的氧就會(huì)沉淀下來 形成氧沉淀及相關(guān)缺陷 2 氧的分凝 當(dāng)硅晶體從液體中生長時(shí) 氧和其他雜質(zhì)一樣會(huì)產(chǎn)生分凝現(xiàn)象 在固體和液體中有著不同的濃 度 氧在硅晶體中的分布 不受晶體生長方向的影響 但會(huì)受到液態(tài)硅里的氧濃度和晶體生長爐內(nèi) 的熱場的影響 除此之外 氧的分凝起著重要的作用 氧的分凝系數(shù)可以用區(qū)熔和直拉的方法測量 Yatsurugi 6 等人使用區(qū)熔方法 在爐內(nèi)通入氧 氣 改變晶體生長速度 進(jìn)而測量晶體中的氧濃度 最后推導(dǎo)出氧在硅中的平衡分凝系數(shù)K0為 1 25 圖8 4顯示的是氧濃度沿直拉硅晶體生長方向的分布 從圖中可以看出 氧在晶體錠頭部濃 度高 在晶體錠尾部濃度低 氧濃度從晶體頭部到尾部逐漸降低 而晶體錠的頭部是最先凝固的 由 此證實(shí) 硅中氧的平衡分凝系數(shù)應(yīng)大于1 0 但是 其他研究者對(duì)硅中氧的平衡分凝系數(shù)提出了不同的數(shù)值 Abe 7 等人通過研究直拉硅晶體 的氧 指出氧在硅中的平衡分凝系數(shù)K0 應(yīng)為1 48 Lin 8 9 認(rèn)為K0應(yīng)為0 3 Carlberg 10 的理論計(jì)算則 認(rèn)為平衡分凝系數(shù)是0 995 因?yàn)殡y以測量硅熔液中的氧含量 尤其是難以測量固液界面上的硅熔 液中的氧含量 所以研究者不得不利用各種方法推斷 導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生 精品文檔 492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載492歡迎下載 3 氧的擴(kuò)散 和硅中摻雜雜質(zhì)相比 氧是一種快速擴(kuò)散雜質(zhì) 當(dāng)含氧硅材料在高溫?zé)崽幚頃r(shí) 體內(nèi)的氧會(huì) 發(fā) 生擴(kuò)散 產(chǎn)生氧原子的偏聚 同時(shí) 氧還會(huì)向硅材料外擴(kuò)散 當(dāng)區(qū)熔硅材料在氧氣氛中高溫?zé)崽幚?時(shí) 氧原子也能從表面向體內(nèi)擴(kuò)散 在300 1280 的溫度范圍內(nèi) 眾多研究者的結(jié)論基本相 同 5 11 16 它的擴(kuò)散系數(shù)可以表達(dá)為 l6 其中 k是玻耳茲曼常數(shù) T是絕對(duì)溫度 在上述的溫度區(qū)間 其具體的擴(kuò)散系數(shù)為10 9 10 22cm2 s 對(duì)氧而言 它在體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)和向體外的擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)是相同的 說明氧從體內(nèi) 向外擴(kuò)散 和氧從表面向內(nèi)擴(kuò)散的機(jī)理是一樣的 圖8 5顯示了氧的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系 從圖中可以看出 在700 以上高溫和400 以下低溫 實(shí)驗(yàn)值和擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)公式的理論曲線吻合得很好 但是 在400 700 左右的溫度 范圍內(nèi) 沒有實(shí)驗(yàn)值支持這個(gè)公式 這是因?yàn)樵诖藴囟葏^(qū)間 氧產(chǎn)生異常擴(kuò)散 形成與氧有關(guān)的 施主團(tuán) 其實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論估計(jì)值 研究者認(rèn)為 氧之所以在此溫度范圍擴(kuò)散很快 是因?yàn)樗⒉皇窍裨诟邷貢r(shí)一樣以間隙形式擴(kuò)散的 而是形成一種特殊的擴(kuò)散體結(jié)構(gòu) 在硅晶格 中快速擴(kuò)散 人們?yōu)榇颂岢龆喾N擴(kuò)散體模型 如 I 分子氧模型 15 假設(shè)兩個(gè)氧原子首先結(jié)合成 類似氧分子的結(jié)構(gòu) 然后以此結(jié)構(gòu)擴(kuò)散 氧 空位模型 18 假設(shè)硅中空位和氧結(jié)合 使空位 成為氧的擴(kuò)散載體 氧 自間隙原子模型 17 假設(shè)硅的自間隙原子是氧的擴(kuò)散載體 最近 在350 450 熱處理實(shí)驗(yàn)中 根據(jù)間隙氧原子的消耗速率 證實(shí)最可能的擴(kuò)散體是分子氧 16 20 21 8 1 2 硅中氧的測量 硅中氧的測量主要有四種方法 一種是熔化分析法 Fusion Analysis FA 這是早期用來測量 氧濃度的方法 它是將硅在石墨坩堝中熔化 溫度高達(dá)l700 左右 硅中的氧和石墨反應(yīng)產(chǎn)生CO 精品文檔 493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載493歡迎下載 氣體 然后用紅外方法測量氣體濃度 這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力 而且精度不高 現(xiàn)在已不太使用 一 種是帶電粒子活化法 CPAA 這種方法可以測量硅中總的氧的濃度 但是方 法繁雜 費(fèi)用昂貴 一種是二次離子質(zhì)譜法 Second Ion Mass Spectroscopy SIMS 這種方法制樣方便 也能測量 硅中所有形態(tài)氧的總的含量 但是它的測量精度較低 一般在 1018cm 3數(shù)量級(jí) 再一種就是紅 外光譜分析法 Infrared Spectroscopy 這種方 法僅僅能夠測量硅中間隙態(tài)的氧 其優(yōu)點(diǎn)是迅速 準(zhǔn)確 測量精度可以達(dá)到1 1016cm 3 因此 紅外光譜分析法是測量硅中氧的含量的常規(guī)方法 但是由于載流子的吸收 這種方法在測量重?fù)焦鑶尉е醒鯘舛葧r(shí)受到限制 當(dāng)波數(shù)大于 4000cm 1時(shí) 紅外光基本可以無吸收地透過硅晶體 在中紅外光譜段 400 4000cm 1 由于晶格振動(dòng)的影響 當(dāng)紅外光透過時(shí) 要被硅晶體產(chǎn)生吸收 因此 在測 量硅中氧碳等雜質(zhì)時(shí) 要應(yīng)用不含雜質(zhì)的高純區(qū)熔硅單晶作為參比樣品 從而在光譜中去除硅 晶格吸收的影響 得到相關(guān)雜質(zhì)的吸收峰 在室溫測量的中紅外區(qū)域 硅中間隙氧有三個(gè)吸收 峰 分別在515 1107 1720cm 1 其中的1107cm 1峰最強(qiáng) 如圖8 6所示 其半高寬約為32cm 1 而在液氦溫度測量時(shí) 該峰變得尖銳 峰的位置在 1136cm 1波數(shù) 該峰被認(rèn)為是 Si O Si的反對(duì)稱伸縮紅外局 域振動(dòng)模式吸收 用來在室溫下計(jì)算硅中間隙氧的濃度 計(jì)算公式是 其中 C為轉(zhuǎn)換系數(shù) max為最大吸收系數(shù) 自Kaiser和Keck 22 首先發(fā)現(xiàn)了硅中間隙氧濃度 和1107cm 1吸收峰強(qiáng)度之間的線性關(guān)系后 已有許多確定轉(zhuǎn)換系數(shù)的實(shí)驗(yàn) 不同的國家采用了不同的標(biāo)準(zhǔn) 美國早的 ASTM標(biāo)準(zhǔn)是 采用4 81 23 以后更改為2 45 24 德國的DIN標(biāo)準(zhǔn)也是采用2 45 25 H本的JEIDA則采用3 01 26 我國國標(biāo)采用的轉(zhuǎn)換系數(shù)是3 1 值得推薦的是 Boghdadi等人利用國際間的合作 在多個(gè)實(shí) 驗(yàn)室對(duì)此轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行了精確測量 建議其為3 14 0 09 具有可靠性 27 目前 美國的ASTM標(biāo) 準(zhǔn)也已應(yīng)用3 14作為測量間隙氧的紅外吸收轉(zhuǎn)換系數(shù) 28 吸收系數(shù) max是由1107cm 1峰的高度所決定的 硅材料在室溫下對(duì)紅外光的吸收遵守Beer定 律 精品文檔 494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載494歡迎下載 Tmin是1107cm 1處的透射率 Tmax是基線處的透射率 d是樣品的厚度 cm 29 影響硅中氧的測量精度的因素很多 主要有樣品表面的散射 測量溫度 自由載流子吸收和參比 樣品中殘留的氧濃度 相比而言 樣品的厚度 參比樣品和待測樣品的厚度差 譜線分辨率的影響則是 微不足道的 30 31 因此 樣品要經(jīng)過雙面機(jī)械或精細(xì)化學(xué)拋光 P型樣品的電阻率應(yīng)在0 2 cm以上 而N型樣品的電阻率則應(yīng)在1 0 cm以上 便可得到滿意的測量結(jié)果 對(duì)于重?fù)诫s硅單晶 建議采用 基線校正和在液氦溫度測量的方法 32 33 另外 在紅外光射入硅樣品時(shí) 由于硅晶格點(diǎn)陣的多聲子吸 收 在500 1500 cm 1區(qū)間會(huì)出現(xiàn)吸收帶 和ll07cm 1吸收峰重疊 因此要精確測量硅中氧濃度 需 要利用無氧的硅單晶做參比樣品 以便去除晶格點(diǎn)陣的吸收 硅晶體經(jīng)歷熱處理后 間隙氧會(huì)脫溶沉淀 形成氧沉淀 忽略氧的外擴(kuò)散影響 通過測量氧沉淀 前后的間隙態(tài)氧的含量變化 就可以計(jì)算氧沉淀的量 不僅如此 紅外吸收譜中的其他吸收峰還直接 和氧沉淀相關(guān) 如1124cm 1被認(rèn)為是氧沉淀的LO吸收 它的出現(xiàn)和強(qiáng)度可以定性地說 明生成了氧沉 淀 34 35 8 1 3 氧施主 1 熱施主 直拉硅單晶的氧雜質(zhì)在低溫?zé)崽幚頃r(shí) 會(huì)產(chǎn)生施主效應(yīng) 使得N型硅晶體的電阻率下降 P型 硅晶體的電阻率上升 施主效應(yīng)嚴(yán)重時(shí) 能使P型硅晶體轉(zhuǎn)化為N型 這就是氧的施主效應(yīng) 氧的 施主效應(yīng)可以分為兩種情況 有不同的性質(zhì) 一種是在350 500 左右溫度范圍生成的 稱為熱 施主 36 37 一種是在550 800 左右溫度范圍形成的 稱為新施主 38 早在50年代末 Fuller等人就發(fā)現(xiàn)了硅中的熱施主效應(yīng) 39 經(jīng)過40年的研究 人們又發(fā)現(xiàn)了 許多和熱施主相關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí) 40 42 并提出了眾多的熱施主模型 40 43 44 盡管如此 熱施主的 結(jié)構(gòu)形態(tài)到現(xiàn)在仍然沒有解決 一直吸引著研究者的注意 人們可以通過在低溫?zé)崽幚頃r(shí)載流子濃度的變化研究熱施主的生成 也可以通過紅外光譜直 接測量到熱施主的存在 45 46 還可以利用電子核磁共振譜的信號(hào)研究熱施主 47 一般認(rèn)為 450 是硅中熱施主形成的最有效溫度 在此溫度下退火 100小時(shí)左右可達(dá)到施主濃度最大值 1 1016cm 3左右 隨后熱施主濃度隨時(shí)間的延長而下降 除了退火溫度 硅中的初始氧濃度對(duì) 熱施主的形成速率和濃度有最大影響 初始氧濃度越高 熱施主濃度越高 其形成速率也越快 而且 硅中的碳 氮雜質(zhì)都能抑制它的生成 硅中的熱施主是雙施主 它的能級(jí)在導(dǎo)帶以下 0 07eV和 0 15eV左右 熱施主有多種類型 目前 有l(wèi)6種熱施主已被報(bào)導(dǎo) 46 盡管熱施主的結(jié)構(gòu)還不清楚 但它與間隙氧原子的偏聚相聯(lián)系這一點(diǎn)已被公認(rèn) Kaiser 40 48 副最早發(fā)現(xiàn)在450 熱處理時(shí) 熱施主的形成速率和初始氧濃度的四次方成正比 因此 他們提 出熱施主的核心是4個(gè)間隙氧的結(jié)合體 具有電活性 當(dāng)更多的原子結(jié)合上來時(shí) 它便失去電活 性 雖然這個(gè)模型能解釋許多實(shí)驗(yàn)事實(shí) 得到廣泛應(yīng)用 但它不能解釋熱施主的雙施主性質(zhì) 也 不能解釋為什么熱施主有可能的l6種類型 而且 依照這個(gè)模型 需要氧在低溫下較快速地?cái)U(kuò)散 但是從高溫?cái)?shù)據(jù)外推出的擴(kuò)散系數(shù)比它所需要的值低2 4個(gè)數(shù)量級(jí) 因此 在其后的時(shí)間里 研 究者們陸續(xù)提出了不同的模型來解釋熱施主 如空位一氧模型 49 自間隙硅原子 氧模型 50 以 及O3 Six 51 模型 但總有不足之處 在80年代 Gosele和Tan提出了雙原子氧模型 17 52 53 他們認(rèn)為在低溫退火時(shí) 硅中的兩個(gè) 間隙氧能夠組成一個(gè)雙原子氧的復(fù)合體 像氧分子一樣 這種雙原子氧和硅晶格原子之間的結(jié)合 能很低 能夠輕易打散 它在硅晶體中的擴(kuò)散激活能也很低 約為1 4 eV 能夠快速地在低溫 下擴(kuò)散 比硅中單個(gè)間隙氧原子的擴(kuò)散速率要快 這樣 通過雙原子氧的快速擴(kuò)散 雙原子氧之 間的互相結(jié)合 精品文檔 495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載495歡迎下載 形成了熱施主 在低溫退火時(shí)存在雙原子氧的假設(shè) 已部分被其他實(shí)驗(yàn)所支持 在500 以上退 火時(shí) 二次離子質(zhì)譜的實(shí)驗(yàn)認(rèn)為氧有可能以雙原子復(fù)合體形式擴(kuò)散 43 在此基礎(chǔ)上 Newman研 究小組最近發(fā)現(xiàn) 54 56 熱施主和初始濃度的次方關(guān)系并不是固定的 而是隨著溫度的改變而改 變 在500 時(shí) 它和初始氧濃度的九次方成正比 在400 退火時(shí) 則和初始氧濃度的二次方成 正比 他們研究了間隙氧消失的動(dòng)力學(xué)過程 指出在硅晶體低溫退火時(shí) 兩個(gè)間隙氧互相結(jié)合形 成雙原子氧復(fù)合體 這種雙原子氧復(fù)合體可以和其他雙原子氧或和單獨(dú)的間隙氧原子結(jié)合 形成 兩類結(jié)合體 一類結(jié)合體中含有偶數(shù)個(gè)氧原子 這種結(jié)合體是沒有電活性的 另一類結(jié)合體中含 有奇數(shù)個(gè)氧原子 是有電活性的 為熱施主 這種模型的正確與否 還需要進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證 2 新施主 直拉硅單晶在650 溫度退火30分鐘以后 在低溫?zé)崽幚砩傻臒崾┲鲿?huì)完全消失 可是當(dāng) 它在這個(gè)溫度段較長時(shí)間熱退火時(shí) 會(huì)有新的和氧有關(guān)的施主現(xiàn)象出現(xiàn) 這就是新施主 38 新 施主在70年代的發(fā)現(xiàn) 57 58 引起了研究者的注意 因?yàn)樾率┲餍纬傻臏囟葏^(qū)間 正是硅器件制 造工藝需要應(yīng)用的 所以這顯得很重要 新施主在550 800 溫度區(qū)間形成 在650 左右新施主的濃度可達(dá)最大值 和熱施主相比 它的形成速率比較低 一般需要較長的時(shí)間 其最大濃度小于1 1015cm 3 比熱施主低約一個(gè)數(shù) 量級(jí) 進(jìn)一步說 新施主比熱施主要穩(wěn)定 需要在1000 以上短時(shí)間退火才能將其消除 硅中的 碳雜質(zhì)能促進(jìn)新施主的生成 而氮雜質(zhì)則抑制它的產(chǎn)生 顯示出和熱施主不相同的性質(zhì) 但是新 施主和熱施主也有關(guān)聯(lián) 當(dāng)硅樣品在350 500 左右溫度范圍經(jīng)受超過l00小時(shí)的熱處理 在熱 施主生成的同時(shí) 還會(huì)有與其性質(zhì)不同的新施主生成 當(dāng)熱施主的濃度越高 在接下來550 以 上溫度退火時(shí) 新施主的濃度也越高 熱施主能促進(jìn)新施主生成 新施主的產(chǎn)生和硅中間隙氧原子的偏聚和沉淀密切相關(guān) 研究者們提出了各種模型 如 Cazcarra和Zunino 59 研究了新施主的情況 證實(shí)隨退火時(shí)間增長 間隙氧濃度下降 氧沉淀生 成 新施主也出現(xiàn) Reiche和Reichel 60 的研究則認(rèn)為新施主是棒狀沉淀的產(chǎn)物 其他研究者 在各自研究的基礎(chǔ)上 也提出了相應(yīng)的模型 Gaworzeuzki 61 認(rèn)為碳氧復(fù)合體可能是新施主 因 為只有當(dāng)碳濃度超過一定限度后才產(chǎn)生 而且隨碳含量的增加而增加 Kanamori 57 根據(jù)電子輻 照能增加新施主濃度的事實(shí) 認(rèn)為新施主是一種空位和氧的復(fù)合體 在高溫下復(fù)合體被打散 重 新恢復(fù)了電中性 還有研究者提出新施主是直接來自氧沉淀的界面態(tài) 62 63 但這一模型不能解 釋在高溫下氧沉淀也有界面態(tài) 新施主卻被湮滅的實(shí)驗(yàn)事實(shí) Qian 64 等人提出新施主可能是退 火中產(chǎn)生的氧沉淀所誘發(fā)的位錯(cuò)環(huán) 位錯(cuò)環(huán)頂端的懸掛鍵作為電活性中心 但這不能解釋在有位 錯(cuò)的無氧硅晶體中 卻不能產(chǎn)生新施主的現(xiàn)象 總之 新施主與氧沉淀相關(guān)聯(lián) 但其具體結(jié)構(gòu)則 是研究者爭論的焦點(diǎn) 最近 有研究者提出了新的新施主模型 65 66 他們認(rèn)為新施主不是僅僅一種 而是一類 相關(guān)于新施主的能級(jí)可分為三種 一是在導(dǎo)帶下0 03 0 04 eV左右 二是在導(dǎo)帶下0 09 eV 左右 三是在導(dǎo)帶下0 2 eV左右 前兩者和熱施主相關(guān) 是在低溫?zé)崾┲餍纬蓽囟乳L時(shí)間熱處 理而形成的 后者是真正為新施主所獨(dú)有的 是在550 以上溫度退火形成的 是深能級(jí)施主 8 1 4 氧沉淀 氧沉淀是非常復(fù)雜的問題 它不僅涉及到硅晶體中的初始氧濃度 氧濃度分布 氧的存在狀態(tài) 而且涉及到碳氮及其他雜質(zhì)原子的濃度 分布和原始晶體生長條件 還涉及到其后的熱處理過程 如氣氛 溫度 時(shí)間 次序等 67 雖然人們已經(jīng)做了很多工作 但由于問題的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)條 件 初始狀態(tài)不盡相同等原因 在氧沉淀的許多研究方面都存在未解決的問題 本章就氧沉淀的 基本性質(zhì) 基本理論 熱處理性質(zhì) 形態(tài)和碳 氮雜質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行闡述 精品文檔 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當(dāng)氧沉淀的數(shù)量過多或體積過大時(shí) 氧沉淀又誘發(fā)大量的位錯(cuò) 層錯(cuò)等二次缺陷 形成新的缺陷源 反而引起硅片的翹曲和破損 造成機(jī)械強(qiáng)度的下降 72 74 因 此 氧沉淀對(duì)硅材料的機(jī)械性能有兩方面的作用 當(dāng)氧沉淀微小時(shí) 能增加機(jī)械強(qiáng)度 當(dāng)氧沉淀 的數(shù)量過多或體積過大時(shí) 機(jī)械強(qiáng)度又下降 氧沉淀的數(shù)量 大小和硅晶體的機(jī)械性能緊密相關(guān) 2 氧沉淀對(duì)硅晶體和器件電學(xué)性能的影響 如前所述 硅晶體在300 500 或550 800 之間進(jìn)行熱處理時(shí) 會(huì)形成和氧有關(guān)的熱施主 及新施主 增加晶體中施主的濃度 使N型硅晶體電阻率下降 P型硅晶體的電阻率上升 甚至?xí)?使P型晶體轉(zhuǎn)變成N型 造成硅材料的電學(xué)性能難以控制 當(dāng)氧沉淀在硅中形成時(shí) 會(huì)誘發(fā)位錯(cuò) 層錯(cuò)等二次缺陷 使器件的電學(xué)性能變壞 對(duì)雙極型 器件而言 位錯(cuò)的存在使發(fā)射極基區(qū)擴(kuò)散沿位錯(cuò)線優(yōu)先進(jìn)行 形成短路或擴(kuò)散管道 促進(jìn)漏電流 降低電流增益 位錯(cuò)和層錯(cuò)的存在還會(huì)改變擴(kuò)散特性 降低發(fā)射極的發(fā)射效率 造成發(fā)射極和集 電極之間的附加電場 從而使V I特性變軟 擊穿電壓降低 對(duì)MOS器件而言 漏電流的增加所產(chǎn) 生的后果最為嚴(yán)重 它的產(chǎn)生使輔助模式中產(chǎn)生電流 嚴(yán)重影響CMOS的優(yōu)越性 又如復(fù)合電流的 產(chǎn)生直接導(dǎo)致了CCD圖像中白點(diǎn)的產(chǎn)生 3 氧沉淀的吸雜效應(yīng) 長期以來 盡管氧能夠增加硅片的機(jī)械強(qiáng)度 鑒于硅中的氧的基本性質(zhì)的有害作用方面 人 們一直都把硅中的氧及氧沉淀作為有害雜質(zhì) 想努力降低硅中氧和氧沉淀的濃度 70年代末 Tan 76 等人重新認(rèn)識(shí)了氧沉淀的作用 首先提出了利用氧沉淀的特性吸除硅中電活性金屬雜質(zhì)的 理論 當(dāng)氧沉淀在硅晶體內(nèi)部形成時(shí) 會(huì)誘發(fā)層錯(cuò) 位錯(cuò)等二次缺陷 由于應(yīng)力場的存在 能吸引 硅片表面的重金屬雜質(zhì)在這些缺陷處沉淀 而在近表層的器件有源區(qū)形成無金屬雜質(zhì) 無缺陷的 潔凈區(qū) 呈現(xiàn)吸雜效應(yīng) 這就是所謂的內(nèi)吸雜 目前 內(nèi)吸雜已經(jīng)成為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路工藝 中的重要工藝 它能有效地吸除金屬雜質(zhì) 提高器件的成品率 在下面的章節(jié) 8 1 5節(jié) 還將詳 細(xì)介紹它的概念 2 硅單晶的初始狀態(tài)和氧沉淀 氧在硅熔點(diǎn)時(shí)的最大溶解度約為2 75 1018cm 3 在硅單晶生長過程中隨著硅單晶離界面距離 的增加 氧的溶解度隨著硅單晶溫度的下降而下降 氧以過飽和形態(tài)出現(xiàn) 氧沉淀就是由于氧受 硅中平衡溶解度的限制 過飽和的間隙氧和硅基體作用所產(chǎn)生的硅氧相 在硅晶體生長后以較快 速率冷卻時(shí) 由于遠(yuǎn)離平衡態(tài) 只有很少的原生氧沉淀生成 絕大部分氧以間隙態(tài)存在 當(dāng)晶體 隨后在某溫度長時(shí)間退火時(shí) 晶體逐漸接近平衡態(tài) 過飽和的間隙氧就會(huì)沉淀 如圖8 7所示 直拉硅晶體在l050 熱處理 氧沉淀量隨熱處理時(shí)間的延長而逐漸增加 最終增加變得緩慢 趨 于飽和 實(shí)際上 氧沉淀是非常復(fù)雜的問題 影響因素很多 77 某溫度下形成的氧沉淀可以用下列簡 單的函數(shù)表示 78 精品文檔 497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載497歡迎下載 精品文檔 498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載498歡迎下載 式中 D為該溫度下氧的擴(kuò)散系數(shù) S為氧的過飽和度 N是大于臨界形核半徑的晶核數(shù) F是晶體 缺陷引入的懸掛鍵的數(shù)目 t是熱處理時(shí)間 從中可以看出 硅晶體中的初始氧濃度 氧濃度分布 氧 的存在狀態(tài)以及微缺陷 都對(duì)隨后氧沉淀的形成有重要的作用 1 初始氧濃度和氧沉淀 初始氧濃度是決定氧沉淀的最重要因素 Chiou及其合作者 79 80 曾詳細(xì)地研究過初始氧濃度 和氧沉淀的關(guān)系 他們發(fā)現(xiàn)初始氧濃度和氧沉淀的關(guān)系曲線有些像 S 形 圖8 8 當(dāng)氧濃度小于某個(gè) 極限時(shí) 氧沉淀幾乎不產(chǎn)生 氧濃度和氧沉淀的關(guān)系的斜率為0 當(dāng)初始氧濃度大于某個(gè)極限 時(shí) 氧沉淀大量產(chǎn)生 形核率均勻 曲線的斜率基本為l 當(dāng)初始濃度適中時(shí) 曲線的斜率在3 7之 間 這種初始氧濃度和氧沉淀的 S 形關(guān)系曲線 已被其他研究者所證實(shí) 81 他們的實(shí)驗(yàn)還指出 初始氧 濃度和氧沉淀的關(guān)系并非固定不變 熱處理溫度降低 熱處理時(shí)間增長或碳濃度增加都能使整個(gè)曲 線向左移動(dòng) 氧沉淀形成的閾值降低 即較低的初始氧濃度也能形成氧沉淀 反之 則 S 曲線向右 移動(dòng) 氧沉淀形成的濃度域值升高 精品文檔 499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載499歡迎下載 2 原生氧沉淀的影響 不僅氧的初始氧濃度影響氧沉淀 氧的初始狀態(tài)也能影響它 當(dāng)晶體生長完成后 晶體尾部 迅速降溫到400 以下 而晶體頭部在晶體生長期間在爐內(nèi)的時(shí)間較長 從高溫到低溫緩慢冷卻時(shí) 晶體頭部相當(dāng)于經(jīng)歷了一定程度的熱處理 因此 在晶體中可能有原生氧沉淀生成 這些原生氧 沉淀和原生晶體中的點(diǎn)缺陷 以及可能的其他雜質(zhì) 都能在隨后的熱處理工藝中影響氧沉淀的形 成 82 83 3 晶體的原生狀態(tài)和氧沉淀 晶體生長時(shí) 熔體溫度的起伏 晶體周期性的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致硅晶體中的雜質(zhì)及摻雜劑濃度成條 紋狀分布 這也會(huì)引起氧濃度和原生氧沉淀的條紋狀分布 在進(jìn)一步退火時(shí) 氧沉淀也形成不均 勻分布 加上熔體溫度的起伏和晶體周期性的旋轉(zhuǎn)能引起自間隙原子和空位的不均勻分布 不均 勻分布的點(diǎn)缺陷凝聚而形成的這些微缺陷能促成氧沉淀在硅片徑向方向有起伏 顯然 晶體的初始狀態(tài)是氧沉淀的決定因素之一 在實(shí)驗(yàn)時(shí) 由于研究者的晶體條件不盡相 同 晶體冷卻過程也不一致 因此晶體的原生狀態(tài)相差很大 常常會(huì)得出不同的結(jié)論 N此 在實(shí) 驗(yàn)前樣品最好于l300 以上的高溫進(jìn)行短時(shí)間重新熔解退火 并迅速冷卻到室溫 這樣可以去除 晶體原生狀態(tài)的影響 準(zhǔn)確地了解氧沉淀的各種性質(zhì) 4 重?fù)诫s原子對(duì)氧沉淀影響 根據(jù)集成電路器件性能的要求 重?fù)絾尉б言谖㈦娮庸I(yè)廣泛應(yīng)用 在這些重?fù)絾尉е?摻 雜劑的濃度往往超過l016 1017cm 3 如此高濃度的摻雜劑原子會(huì)對(duì)其后熱處理過程中的氧沉淀有 很大的影響 在生長重?fù)焦杈w時(shí) 高純硼和銻是常用的P型和N型摻雜劑 研究者指出硼能夠促進(jìn)氧沉淀 銻則抑制氧沉淀的產(chǎn)生 但具體的原因沒有得到很好的了解 熱施主生長在摻硼晶體被促進(jìn) 在 摻銻晶體中被抑制被認(rèn)為是可能的原因之一 這種觀點(diǎn)認(rèn)為在摻銻硅晶體中 電子濃度很高 從 而抑制了熱施主的形成 而熱施主作為氧沉淀的成核中心之一 能夠增加氧的沉淀量 所以高濃 度的銻抑制了氧沉淀的生成 相反地 在摻硼晶體中 空位濃度很高促進(jìn)了熱施主的形成 最終 促進(jìn)了氧沉淀的形成 另外 在摻銻硅晶體生長時(shí) 高濃度的銻能夠促進(jìn)氧從熔體表面的蒸發(fā) 從而減少了硅中的氧濃度 因而導(dǎo)致在后續(xù)熱處理中氧沉淀的量很少 這也是在摻銻硅晶體中氧 沉淀被抑制的原因之一 3 氧沉淀的熱處理性質(zhì) 1 熱處理氣氛對(duì)氧沉淀的作用 不同的熱處理氣氛對(duì)氧沉淀有著不同的影響 已是共識(shí) 但具體的影響結(jié)果和作用機(jī)理 研 究者有著不同的看法 通常硅片的熱處理氣氛為高純的氬氣 氮?dú)?氧氣 氨氣 乙烷等氣體 氬氣 氮?dú)饣瘜W(xué)活性很弱 對(duì)氧沉淀幾乎沒有附加影響 在實(shí)驗(yàn)中往往被當(dāng)作衡量其他氣氛對(duì)氧 沉淀影響的標(biāo)準(zhǔn) 實(shí)際上 對(duì)氧沉淀有影響的熱處理氣氛主要體現(xiàn)在氧化氣體的氣氛上 一般認(rèn)為 純氧化氣 氛 如干氧 濕氧 使表層潔凈區(qū)寬度增大 84 86 而含氮氧化氣氛對(duì)氧沉淀有促進(jìn)作用 87 對(duì)含 HCl 的氧化氣氛 研究結(jié)果則不相同 Craven 88 的實(shí)驗(yàn)認(rèn)為它能促進(jìn)氧沉淀 只能得到較窄的潔 凈區(qū) 但Rozgoni 89 Peibst 90 及其合作者卻證實(shí)它能擴(kuò)大潔凈區(qū) 抑制氧沉淀 而另外的研 究者認(rèn)為它對(duì)氧沉淀的影響很小 或者說沒有影響 91 92 Hu 91 提出兩種可能的機(jī)制來說明氧化氣氛對(duì)氧沉淀的抑制作用 第一種可能是 當(dāng)體內(nèi)氧沉 淀產(chǎn)生時(shí) 和硅基體相比 氧沉淀的體積增加一倍 產(chǎn)生許多硅自間隙原子 這作用可表達(dá)為 Oi Sii分別是間隙氧和自間隙原子 樣品在氧化氣氛中熱處理 表面被氧化 導(dǎo)致表面氧化層錯(cuò)生 精品文檔 500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載500歡迎下載 成 產(chǎn)生大量自間隙硅原子 93 從表面向體內(nèi)擴(kuò)散 根據(jù)質(zhì)量作用定律 最終抑制了氧沉淀 擴(kuò)大潔 凈區(qū) 第二種可能是 空位團(tuán)是氧沉淀的形核中心 表面氧化生成的大量自間隙硅原子和空位復(fù)合 湮滅了形核中心 從而降低了氧沉淀密度 這種作用可表示為 Six表示硅晶體中空位 但這兩種機(jī)制都不能解釋氮氧化氣氛同樣產(chǎn)生大量自間隙硅原子 卻促進(jìn) 氧沉淀生成的事實(shí) Kang 87 曾作設(shè)想 a 含氮氧化氣氛熱處理時(shí) 氧沉淀產(chǎn)生的自間隙硅原子多于 表面向體內(nèi)擴(kuò)散的 故而氧沉淀不受其影響 b 氧氮化氣氛在表面產(chǎn)生的自間隙原子沒有從表面 向體內(nèi)擴(kuò)散 而變成表面氧化層錯(cuò)或使其長大 即使如此 也無法解釋氧氮化氣氛為什么促進(jìn)氧沉 淀 在Hu的基礎(chǔ)上 Tan和Kung 92 提出另一種機(jī)理 他們認(rèn)為自間隙 原子不僅會(huì)影響上述反應(yīng) 式 而且會(huì)影響氧沉淀的臨界核半徑 氧沉淀的臨界成核半徑可以表示為 式中 是硅基體和氧沉淀的界面能 是氧沉淀的分子體積 k是玻耳茲曼常數(shù) Ci Cieq和 CI CIeq 分別是間隙氧原子 自間隙硅原子的實(shí)際和平衡濃度 顯然 氧化氣氛產(chǎn)生的大量自 間隙硅原子會(huì)增加臨界半徑 而大部分氧沉淀的半徑小于臨界半徑 在熱處理時(shí)難以長大 逐漸 湮滅 最終減少了氧沉淀密度 作者則提出了自間隙硅原子擴(kuò)散通量的機(jī)理 認(rèn)為硅晶體在氧化 氣氛中熱處理 表面產(chǎn)生大量自間隙硅原子 從表面向體內(nèi)擴(kuò)散 同時(shí) 氧沉淀也能產(chǎn)生大量自 間隙硅原子 從體內(nèi)向表面擴(kuò)散 這兩者互相制約 互相影響 當(dāng)表面向體內(nèi)的擴(kuò)散通量大于體 內(nèi)向表面的擴(kuò)散通量時(shí) 表面自間隙原子大量產(chǎn)生 而源源不斷進(jìn)入體內(nèi) 迫使氧沉淀的形核生 長受到抑制 表面氧化層錯(cuò)也少 反之 表面自間隙原子的產(chǎn)生和發(fā)射都受到抑制 氧沉淀被促 進(jìn) 使得產(chǎn)生更多的自間隙原子涌向表面 造成了較多的氧化層錯(cuò) 如氧氮?dú)夥罩械臒崽幚?這 個(gè)機(jī)理能夠解釋以上的實(shí)驗(yàn)事實(shí) 2 熱處理溫度 時(shí)間和次序?qū)ρ醭恋淼挠绊?在硅晶體初始條件一定時(shí) 熱處理的溫度 時(shí)間 次序就是決定氧沉淀的主要因素 為了詳 細(xì)了解氧沉淀的熱處理性質(zhì) 氧沉淀的研究常常利用單步退火 兩步退火和多步退火 a 單步退火 單步退火是通過原生硅單晶在不同溫度不同時(shí)間的退火米研究氧沉淀對(duì)溫度 時(shí)間的依賴關(guān) 系 它一般可分為低溫退火 600 800 中溫退火 850 1050 和高溫退火 1100 1250 三種情況 這種溫度的分段并非嚴(yán)格界定 在各退火溫度段的重疊處 氧沉淀往往表現(xiàn)出雙重性 質(zhì) 總的說來 在各種溫度下單步退火時(shí) 隨著退火時(shí)間的延長 間隙氧的含量逐漸降低 氧沉 淀密度