第八章 硅中的杂质 - 图文(2)

第八章 硅中的杂质

Tmin是1107cm-1处的透射率，Tmax是基线处的透射率，d是样品的厚度(cm)[29]。

影响硅中氧的测量精度的因素很多，主要有样品表面的散射、测量温度、自由载流子吸收和参比样品中残留的氧浓度。相比而言，样品的厚度、参比样品和待测样品的厚度差，谱线分辨率的影响则是微不足道的[30,31]。因此，样品要经过双面机械或精细化学抛光，P型样品的电阻率应在0．2Ω·cm以上，而N型样品的电阻率则应在1．0Ω·cm以上，便可得到满意的测量结果。对于重掺杂硅单晶，建议采用基线校正和在液氦温度测量的方法[32,33]。另外，在红外光射入硅样品时，由于硅晶格点阵的多声子吸收，在500～1500 cm-1区间会出现吸收带，和ll07cm-1吸收峰重叠，因此要精确测量硅中氧浓度，需要利用无氧的硅单晶做参比样品，以便去除晶格点阵的吸收。

硅晶体经历热处理后，间隙氧会脱溶沉淀，形成氧沉淀。忽略氧的外扩散影响，通过测量氧沉淀前后的间隙态氧的含量变化，就可以计算氧沉淀的量。不仅如此，红外吸收谱中的其他吸收峰还直接和氧沉淀相关，如1124cm-1被认为是氧沉淀的LO吸收，它的出现和强度可以定性地说明生成了氧沉淀[34,35]。

8．1．3 氧施主

1．热施主

直拉硅单晶的氧杂质在低温热处理时，会产生施主效应，使得N型硅晶体的电阻率下降，P型硅晶体的电阻率上升。施主效应严重时，能使P型硅晶体转化为N型，这就是氧的施主效应。氧的施主效应可以分为两种情况，有不同的性质，一种是在350～500℃左右温度范围生成的，称为热施主[36,37]；一种是在550～800℃左右温度范围形成的，称为新施主[38]。

早在50年代末，Fuller等人就发现了硅中的热施主效应[39]，经过40年的研究，人们又发现了许

～

多和热施主相关的实验事实[4042]，并提出了众多的热施主模型[40,43,44]。尽管如此，热施主的结构形态到现在仍然没有解决，一直吸引着研究者的注意。

人们可以通过在低温热处理时载流子浓度的变化研究热施主的生成，也可以通过红外光谱直接测量到热施主的存在[45,46]，还可以利用电子核磁共振谱的信号研究热施主[47]。一般认为，450℃ 是硅中热施主形成的最有效温度，在此温度下退火，100小时左右可达到施主浓度最大值(1×

1016cm-3左右)，随后热施主浓度随时间的延长而下降。除了退火温度，硅中的初始氧浓度对热施主的形成速率和浓度有最大影响，初始氧浓度越高，热施主浓度越高，其形成速率也越快。而且，硅中的碳、氮杂质都能抑制它的生成。硅中的热施主是双施主，它的能级在导带以下≤0．07eV和≤0．15eV左右。热施主有多种类型，目前，有l6种热施主已被报导[46]。

尽管热施主的结构还不清楚，但它与间隙氧原子的偏聚相联系这一点已被公认。Kaiser[40,48]副最早发现在450℃热处理时，热施主的形成速率和初始氧浓度的四次方成正比，因此，他们提出热施主的核心是4个间隙氧的结合体，具有电活性，当更多的原子结合上来时，它便失去电活性。虽然这个模型能解释许多实验事实，得到广泛应用，但它不能解释热施主的双施主性质，也不能解释为什么热施主有可能的l6种类型，而且，依照这个模型，需要氧在低温下较快速地扩散，但是从高温数据外推出的扩散系数比它所需要的值低2～4个数量级。因此，在其后的时间里，研究者们陆续提出了不同的模型来解释热施主，如空位一氧模型[49]，自间隙硅原子-氧模型[50]，以及O3-Six[51]模型，但总有不足之处。

在80年代，Gosele和Tan提出了双原子氧模型[17,52,53]。他们认为在低温退火时，硅中的两个间隙氧能够组成一个双原子氧的复合体，像氧分子一样。这种双原子氧和硅晶格原子之间的结合能很低，能够轻易打散。它在硅晶体中的扩散激活能也很低，约为1．4 eV，能够快速地在低温下扩散，比硅中单个间隙氧原子的扩散速率要快。这样，通过双原子氧的快速扩散，双原子氧之间的互相结合

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第八章 硅中的杂质

形成了热施主。在低温退火时存在双原子氧的假设，已部分被其他实验所支持，在500℃以上退火时，二次离子质谱的实验认为氧有可能以双原子复合体形式扩散[43]。在此基础上，Newman研究小组最近发现[54~56]，热施主和初始浓度的次方关系并不是固定的，而是随着温度的改变而改变。在500℃时，它和初始氧浓度的九次方成正比；在400℃退火时，则和初始氧浓度的二次方成正比。他们研究了间隙氧消失的动力学过程，指出在硅晶体低温退火时，两个间隙氧互相结合形成双原子氧复合体，这种双原子氧复合体可以和其他双原子氧或和单独的间隙氧原子结合，形成两类结合体，一类结合体中含有偶数个氧原子，这种结合体是没有电活性的，另一类结合体中含有奇数个氧原子，是有电活性的，为热施主。这种模型的正确与否，还需要进行进一步的实验验证。 2．新施主

直拉硅单晶在650℃温度退火30分钟以后，在低温热处理生成的热施主会完全消失，可是当它

[38]

在这个温度段较长时间热退火时，会有新的和氧有关的施主现象出现，这就是新施主。新施主在70年代的发现[57,58]，引起了研究者的注意，因为新施主形成的温度区间，正是硅器件制造工艺需要应用的，所以这显得很重要。

新施主在550～800℃温度区间形成，在650℃左右新施主的浓度可达最大值。和热施主相比，它的形成速率比较低，一般需要较长的时间，其最大浓度小于1×1015cm-3，比热施主低约一个数量级。进一步说，新施主比热施主要稳定，需要在1000℃以上短时间退火才能将其消除。硅中的碳杂质能促进新施主的生成，而氮杂质则抑制它的产生，显示出和热施主不相同的性质，但是新施主和热施主也有关联。当硅样品在350～500℃左右温度范围经受超过l00小时的热处理，在热施主生成的同时，还会有与其性质不同的新施主生成。当热施主的浓度越高，在接下来550℃以上温度退火时，新施主的浓度也越高，热施主能促进新施主生成。

新施主的产生和硅中间隙氧原子的偏聚和沉淀密切相关，研究者们提出了各种模型，如Cazcarra和Zunino[59]研究了新施主的情况，证实随退火时间增长，间隙氧浓度下降，氧沉淀生成，新施主也出现。Reiche和Reichel[60]的研究则认为新施主是棒状沉淀的产物。其他研究者在各自研究的基础上，也提出了相应的模型，Gaworzeuzki[61]认为碳氧复合体可能是新施主，因为只有当碳浓度超过一定限度后才产生，而且随碳含量的增加而增加。Kanamori[57]根据电子辐照能增加新施主浓度的事实，认为新施主是一种空位和氧的复合体，在高温下复合体被打散，重新恢复了电中性；还有研究者提出新施主是直接来自氧沉淀的界面态[62,63]，但这一模型不能解释在高温下氧沉淀也有界面态，新施主却被湮灭的实验事实。Qian[64]等人提出新施主可能是退火中产生的氧沉淀所诱发的位错环，位错环顶端的悬挂键作为电活性中心，但这不能解释在有位错的无氧硅晶体中，却不能产生新施主的现象。总之，新施主与氧沉淀相关联，但其具体结构则是研究者争论的焦点。 最近，有研究者提出了新的新施主模型[65,66]。他们认为新施主不是仅仅一种，而是一类，相关于新施主的能级可分为三种，一是在导带下0．03～0．04 eV左右，二是在导带下0．09 eV左右，三是在导带下0．2 eV左右，前两者和热施主相关，是在低温热施主形成温度长时间热处理而形成的，后者是真 …… 此处隐藏：6267字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……