第八章 硅中的杂质 - 图文(5)

第八章 硅中的杂质

发现氧沉淀的数量随着碳浓度的增加而增加，也就是说高碳硅样品具有更多的氧沉淀；同时，随着退火时间的延长，硅中替位碳的浓度逐渐降低。由此而推断，碳在低温退火时参与了氧沉淀的形核过程，从而促进了氧沉淀。其原因是碳位于晶格的替位位置，和硅原子相比它的半径比较小，因而引入了点阵应变，很容易吸引氧原子在此偏聚，形成氧沉淀的核心；而且，碳如果吸附在氧沉淀和基体的界面上，还能降低氧沉淀的界面能，稳定氧沉淀的核心。和低温退火时碳的行为相反，在高温退火时碳的浓度变化不大，经过低温处理碳浓度降低的硅晶体，再经高温热处理时，碳浓度有回复现象，从而说明碳杂质在高温时不影响氧沉淀的生长。他们认为在高温热处理时，小于临界成核半径的氧碳复合体或含碳的氧沉淀核心溶解，重新溶入硅基体，不再参与氧沉淀的长大，故碳浓度也有所回升。

Shimura和其合作者在研究了高碳硅样品的热处理行为后[151

，157-159]

，提出了另外一种观点，认为碳

不仅能在低温退火时促进氧沉淀的成核，而且能在高温退火时以一种媒介作用促进氧沉淀的生长，后者的临界温度大约在800～850℃。图8．17是硅样品在不同温度64小时退火后的间隙氧和替位碳浓度。从图中可以看出，低碳硅单晶在900℃以下退火仅有少量氧沉淀，但高碳硅单晶中的氧浓度在600℃以上退火时下降很多，它的碳浓度亦大幅度下降，在800℃左右有一个转折点。他们认为当高碳硅晶体在低于800℃的低温退火时，间隙碳和间隙氧结合形成所谓的C中心，这个中

心作为氧沉淀的异质核心,，促进了氧沉淀。这种碳氧复合体由两个到三个间隙氧原子和一个碳原子所组成，相对应于红外光谱的850和ll00cm-1峰，而目．，这种碳氧复合体的形成不受高温预退火的影响，独立于硅晶体的热历史和点缺陷浓度。而在高温退火时，碳原子并没有直接参与氧沉淀的形核长大，而是以通过吸引自间隙硅原子的方式来促进氧沉淀。

碳和氧结合，可能会形成各种C—O复合体存在于硅中。硅晶体在高能电子辐照以后，在荧光光谱中有一个峰和碳氧复合体相关，它的位置在0．79eV，被指认为间隙氧和间隙碳的复合体(Ci一Oi)，又称C中心[160]。这个峰的强度和硅中的碳浓度呈线性关系，因此它可被利用来测量硅中的微量碳浓度，其探测极限为l013 cm-3级[161]。最近，在低温红外光谱研究中，有数个红外吸收峰被认为是和Cs一Oi复合体相关的，其中1104和ll08cm-1峰被认为是由一个替位碳和一个间隙氧的组合，而l052，1099，1112，1026cm-1则被认为是一个替位碳原子和两到三个间隙氧原子组成[162,163]。其他研究者也证明，碳氧复合体的组成大约为一个碳原子加上两个氧原子[l64,165]。

碳在硅中不仅影响氧沉淀的数量，而且影响氧沉淀的形状。Fraundorf[165]的电镜研究表明，在高温退火时，在氧沉淀附近的替位碳原子能够吸引氧沉淀发射出的自间隙硅原子，组成替位碳原子和自间隙硅原子对，甚至两者位置互换，这样减少了氧沉淀附近的自间隙硅原子浓度，而促进了氧沉淀，同时还使氧沉淀的形态有向多面体转变的趋势。

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第八章 硅中的杂质

2．碳对热施主的抑制

碳和氧作用，形成C一O复合体，这种复合体本身是非电活性的，但是能抑制热施主的形成。碳 原子在低温退火时和氧原子形成很多Cs一On复合体，n为1、2或3，这些复合体吸引氧的进一步聚 集，从而抑制了热施主[166]。碳原子也能促进热施主的去除，这可能有两种机制，一是热施主在退火中快速扩散到替位碳原子上，并与之结合[167]，但这种可能性不大；另一种机制是一个间隙碳原子被热施主俘获，而导致热施主的电活性消失[168]。 3．碳对新施主的促进

硅单晶在600～850℃左右退火时，氧原子会偏聚在一起，形成新施主，这种新施主和热施主一样具有电活性，可以影响硅材料的电学性能。在高碳硅晶体中，碳原子能够促进新施主的生成，如果碳浓度低于2×1016 cm-3，新施主就不能生成，即使硅样品含有高浓度的氧[169]。因此，有研究者认为碳原子是新施主的一个组成部分。不同碳浓度的硅样品在650℃退火200小时后，新施主的浓度随着碳浓度的变化显示如图8．18[152]，从图中可以看出，新施主的浓度随着碳浓度的增加而增加，说明碳杂质促进新施主的生成。但是，碳促进新施主的根本原因目前还不清楚。

8．2．4 硅中碳和微缺陷及其他杂质的相互作用

碳原子在有位错的区熔硅晶体中并不起很大作用，当无位错区熔硅单晶生长时，碳原子、自间隙硅原子和空位等就不能聚集在位错上，而是以条纹状存在于晶体中，当条纹中碳浓度超过固溶度时，就会有微小的碳沉淀生成[146]。碳原子也可能是引起区熔硅中漩涡缺陷的原因，实验证明，当碳浓度低于5×1015cm-3时，漩涡缺陷就会在区熔硅单晶中消失。

碳原子是半导体硅材料应用早期的重要杂质，严重影响材料的性能。碳杂质在硅中以替位态存在，固溶度不太高，扩散速率很低，在区熔硅中能形成碳条纹，在直拉硅单晶中，它主要和氧起作用，一般认为它能促进氧沉淀的生成，是新施主形成的重要原因之一，但是，它能抑制热施主的生成。在材料生长和器件制造过程中，应尽力避免它的引入。

8．3 硅中的氮

氮是硅中的一种重要杂质，它和其他硅中的其他V族元素(如磷、砷)的性质不一样，在硅中不呈施主特性，通常也不引入电学中心，它能抑制硅中的微缺陷，增加硅材料的机械强度。在最近十多年中，氮在硅中的性质引起了研究者们广泛的兴趣[170-172]。氮在硅器件工艺中的应用很广，它可以

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第八章 硅中的杂质

在硅表面形成氮化硅膜，作为绝缘层；它也可以被离子注入到硅基体中，通过退火来形成绝缘层；它还可以被掺入硅晶体，以影响硅材料的性能。在这里我们主要介绍硅晶体中氮的基本性质，它的掺杂和测量，它对硅材料性能的影响，它的热处理性能以及它和氧、碳杂质的互相作用。 8．3．1 硅中氮的基本性质

在40年前，硅中的氮已经被探测和研究[173]，但是，迄今为止其结构仍然不是很清楚。一般认为 氮在硅中有两种存在状态，一种是替位氮，即氮原子处于硅晶格<111>方向稍偏离轴心的替位位置，能引起电子顺磁共振信号SL5[174]，在红外光谱中，有653cm-1吸收峰和它对应。替位氮能向硅基体提供电子，是电活性杂质，但这种替位氮在硅中的相对浓度极低，只有硅中总的氮浓度的1％左右，由于硅中氮的固溶度本来就低，当氮掺入硅晶体时，这种替位氮在硅中的浓度不超过1012～1013cm-3对硅材料和器件的性能影响极小，所以在研究中常常把它忽略。氮在硅中存在的另一种形态是氮对，它是氮在硅中的主要存在方式，在红外光谱中，有766cm-1，和963cm-1，两个吸收峰和它对应；这种形式的氮对被认为是一个替位氮原子和一个间隙氮原子沿<100>方向的结合，它具有D2d结构，每个氮原子离晶格结点的距离约为0．7 ?；但是，最近有人报导氮原子到晶格结点的距离是l．1 ?

[175]

，并且提出新的氮对结构模型，他们认为在<100>方向两个氮原子处于间隙位置，他们分别和

硅原子相连，同时两者又互相结合，形成氮对。

氮在硅中的饱和固溶度[176]、扩散系数[l77,178]和平衡分凝系数[179]列在表8．1中。从表中可知，氮在硅晶体中的饱和固溶度很小，所以通常氮和硅 …… 此处隐藏：5093字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……