第八章硅中的杂质 - 图文(10)

来源：网络收集时间：2026-04-26

导读：第八章硅中的杂质少子扩散长度是不一样的，显然，分解前的扩散长度大，而分解后的� Ｔ谙执鶶PV仪器中，采用波长大于0．7μm的近红外光辐射被测样品，使P型硅样品中的―FeB对‘分解。可以根据以下公式可以定量的计

第八章硅中的杂质

少子扩散长度是不一样的，显然，分解前的扩散长度大，而分解后的小。在现代SPV仪器中，采用波长大于0．7μm的近红外光辐射被测样品，使P型硅样品中的―FeB对‘分解。可以根据以下公式可以定量的计算

[296]

出掺硼P型硅单晶的体内Fe浓度。

其中L后和L前分别是―FeB对‖分解前后的少子扩散长度。

现代先进的SPV仪器测量硅晶体体内Fe浓度的检测范围在109～1014cm-3，表面Fe浓度的检测范围在5×107～5×1012cm-2[297]。 8．5．4 金属杂质的基本性质 1．金属杂质在硅中的存在形式

金属杂质在硅晶体中的存在形式取决于多种因素，沾污方式、高温退火的温度、冷却速度、退火后至测量时的时间以及金属杂质的类型都会对其有影响。由于原生硅晶体中的金属杂质含量在探测极限以下，硅中金属主要来自于各种形式的表面污染，它们大部分是以吸附状态存在于硅表面。在高温热处理时，表面沾污的金属将向体内扩散，如果原生硅晶体中含有金属沉淀，它也会重新溶解，在硅晶体中尽量均匀地分布，绝大部分金属原子以间隙态存在于硅晶格中。当硅晶体从高温缓慢冷却时，绝大部分的金属将沉淀，沉淀会出现在体内或表面，有时会同时出现在体内和表面，这取决于金属的扩散速率、冷却的速度和硅样品的厚度。如果金属扩散速度快，冷却速度慢，且样品不是非常厚，金属就会沉淀在表面，如铜和镍金属就是沉淀在硅表面；对于相对较慢扩散的金属，它们往往沉淀在体内。

金属在硅中有不同结构的稳定相，当硅样品从高温冷却时，金属沉淀的类型和结构主要取决于高温退火的温度。另外，这些金属沉淀在下一次的高温热处理中会重新溶解，重溶的浓度则由该温度下的饱和固溶度所决定，因此，在器件的热循环过程中，最后一道高温热处理工艺的温度和冷却速度最为重要。

当硅晶体在高温退火后急速冷却时，钴、铜、镍和锌金属的扩散速率非常快，几乎全部形成了沉淀，只有极少部分(少于l％)以单个原子形式存在，它们具有电活性，并存在相应的深能级。对于铁等其他3d过渡金属，扩散速率相对较慢，当急速冷却时，它们以单个原子的过饱和状态存在于硅晶体中，此时它们是电活性的，而且形成了深能级。这些能级常常有不同的电荷状态，如单施主、双施主、单受主等，有时会同时出现受主和施主状态，有时也可能只出现一种电荷状态，如金属铬。和高温时一样，这些金属在硅中室温时大部分也是处于间隙位置。

当金属原子在急速冷却后以单个原子形态存在于硅晶体中时，这些金属原子是不稳定的，或者说是―半稳‖的。在室温下，它们有一定的扩散速率，能够移动，从而和其他杂质形成复合体，如施主 -受主对，有些复合体会有电活性；在进一步低温退火时，这些复合体会聚集，最终形成金属沉淀。实验测量出的这些金属杂质和复合体在硅禁带中的能级位置如表8．2所示[254]，从表中可看出，单个的铁原子只有一个能级，且位于禁带的下半部；铜和镍则有好几个能级，大部分是受主态。 2．金属在硅中的固溶度

和掺杂剂相比，硅中金属杂质的固溶度很小，特别是在室温，如果不是淬火处理，金属杂质在硅中往往以沉淀形态出现。在硅中的饱和固溶度最大的金属是铜和镍，其最大固溶度约为l018m-3，而硅中磷和硼的最大固溶度分别可达l021cm-3和5×1020cm-3，相差2～3个数量级。通常，金属在硅中的固溶度可以用以下公式表示：

其中，S0溶解度因子，Ss 是溶解熵，Hs 是溶解焓，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。硅中金属杂质的

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固溶度一般利用中子活化方法而得，表8．3列出了相应铁、铜和镍金属杂质的固溶度和适用的

温度范围[254,258]。

图8·37则给出了硅中3d过渡金属杂质的固溶度随温度的变化。从图中可见，硅中金属的固溶度随温度降低迅速下降，不同温度或同一温度的不同金属的固溶度都不同，相差可达好几个数量级，因此，在高温热处理后，不同金属的沾污范围大不一样。倘若从高温固溶度外推到室温，可以发现金属原子室温时在硅中的固溶度很小，常常趋于沉淀或形成复合体。

随着温度的降低，金属在硅中的饱和固溶度迅速减少，取决于降温速度，它们可能以过饱和状态的单个原子形式，或稳定的沉淀相存在于硅中。除了温度影响外，表面沾污的严重程度和掺杂剂浓度都对硅中金属的固溶度有作用，污染严重或重掺都促使硅中金属固溶度的增加，如高浓度的磷

[259]

能够明显促进硅中金属的固溶度。 3．金属扩散

金属杂质在硅中的扩散是很快的，最快的扩散系数可达l0-4cm2s-1，远比硅中的掺杂剂磷和硼扩散得要快。对快扩散金属铜而言，在高温仅用10秒钟就能穿过650μm厚的硅片。金属在硅中的扩散系数一般可以表示为：

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其中，D0是扩散因子，Hm是迁移焓，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。根据实验结果，表8·4给出了硅中铁、铜和镍金属的扩散系数和适用温度范围[250,260-262]。

图8．38是硅中金属的扩散系数随温度的变化[254]，其中铜和镍相近，扩散速率大，而铁和锰相似，扩散速率相对较小。从图中可以看出，随着原子序数的增加，金属的扩散速率也在增大；和硅中金属杂质固溶度一样，在同一温度的不同金属之间，或同一金属的不同温度之间，扩散速率相差很大，可达五个数量级，而金属锌是例外，在高温下，其扩散系数基本相同。在高温退火及淬火过程中，快扩散金属仍然能够扩散到表面沉淀或在体内偏聚，稍慢扩散金属则可能以单个原子状态存在硅中，最终和其他杂质形成复合体。

金属原子在硅晶体中的扩散一般以间隙和替位扩散两种方式进行，它们分别为空位或间隙硅原子的扩散所控制。因此，间隙扩散要比替位扩散快。对于硅中3d金属，绝大部分是处于间隙位置，以间隙方式扩散，和掺杂剂相比，其扩散速率都很快。

要避免金属的内扩散可以采用两种方法，一是在内扩散之前迫使表面的金属蒸发，二是金属和保护气中的某种气体化学反应，产生可移动且稳定的化合物，而被保护气体带走。

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8．5．5 硅中金属复合体与沉淀

1. 金属复合体

当硅晶体高温退火急速冷却后，由于在元素周期表上位于铁元素后面的3d金属的扩散速率相对较低，不能直接形成金属沉淀，在室温下金属原子以单个原子形式存在，但这些金属原子

～

并不稳定，在室温下也能迁移，和其他杂质形成复合体。硅中可能形成的金属复合体很多[263265]，如铁、铬、锰都能和硼、铝、镓、铟分别反应，铁也能和金、锌等金属反应，生成复合体，但除铁金属和硼掺杂剂以外，其他杂质在硅中非常少见，因此，它们的复合体及其引起的缺陷在硅材料和器件中也罕见，所以对它们的研究并不是很多。硅中最常见和最重要的金属复合体是铁-硼对。在室温时，硼原子处于晶格的替位位置，很难移动，但处于间隙态的铁金属原子可以迁移，

它在硅晶格的<111>方向和硼结合，形成铁硼复合体(FeB)，其反应式为：

铁硼复合体在室温下形成很快，如正常5～10Ωcm的硼掺杂P型 …… 此处隐藏：4832字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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