第八章 硅中的杂质 - 图文(8)

第八章 硅中的杂质

75℃退火，H—O复合体又能出现。

Ncwman等人在研究硅中的氢的性质时指出，当硅晶体在等离子氢气氛下500℃左右热处理， 或高温900℃以上在氢气中热处理以后，再在500℃左右热处理时，氢会对氧的扩散以一种媒介作用起到促进作用，这种促进作用最终导致促进热施主的生成[237,238]。

通过和热施主反应形成热施主-氢复合物，氢能够钝化热施主的电活性，因为热施主至少有l6 种类型，所以这种复合物也有多种结构，其分解能大约在1．61eV左右[239]。另外，在掺氢的硅单晶中，有数个新的浅热施主被低温红外光谱所探测，当用重氢代替氢掺入硅晶体时，这些浅热施主在红外光谱中的位置有所偏移，说明了氢原子参与这些浅热施主的形核，除氢之外，这些浅热施主可能和氧热施主或自间隙硅原子相关，但具体机理目前还不是很清楚[240]。

一般认为，氢能被强烈地吸引到间隙氧原子处，能够促进氧的扩散，从而促进氧沉淀的生成。可是，也有学者提出了相反的观点，Adachi的实验指出[241]，和在氮气、氩气中热处理相比，在氢气中1150℃热处理对氧的扩散没有影响，但能够使氧沉淀显著收缩，这说明氢能抑制氧沉淀的生成。显然，在这方面需要进行更进一步的研究。

8．4．5 氢和微缺陷及其他杂质的相互作用

硅中的氢除了能和氧互相作用外，它也能和浅施主、浅受主、深能级金属杂质以及硅中其他缺 陷作用，形成各种各样的复合体，这些复合体大都是电中性的，所以硅中掺氢可以用来钝化杂质和 缺陷的电活性。它能和浅施主结合，形成D–一H+中心；和浅受主结合，形成A+一H–中心；和钴、铂、金、镍等深能级金属结合，去除或形成其他形式的深能级复合体。在高浓度掺硼的硅单晶中，氢 容易和硼原子结合，形成氢硼复合体(H—B)。它还能和位错上的悬挂键结合，达到去除位错电活 性的目的[239]。它也能和空位作用，形成VHn复合体，其中的VH4复合体在525℃以上很稳定。它会 与自间隙原子结合，产生IH2复合体，这种复合体在225℃以上都能稳定存在[227]。氢还能钝化由氧 化而引入的点缺陷，改善器件的性能[242]。目前，对硅中氢的研究还不是很充分，许多性质不能确定。 另外，氢和杂质、缺陷作用，钝化其电活性的过程也十分复杂，需要进行更深入的研究。

氢在硅中的一个重大作用就是能够钝化晶体的表面或界面。在半导体硅材料中，晶体表面或界 面是最大的缺陷，主要在于表面和界面含有大量的悬挂键，这些悬挂键可以形成表面态或界面态， 从而引入复合中心，降低少数载流子的寿命。氢原子进入硅晶体后和悬挂键结合，消除了表面态和 界面态，能改善材料的性能。图8．32是二极管在反向电压时的I—V特性曲线[243]。从图中可以看出， 表面经过氢钝化的二极管的反向电流要比表面经过常规SiO2钝化的二极管的反向电流低得多，即 使在500℃退火30分钟，部分氢已外扩散，其二极管的反向电流仍然要比表面经过常规SiO2钝化 的二极管的反向电流低得多，这充分说明了氢对表面态的钝化作用。即使在经过SiO2钝化的表面 再进行氢化，还能对其性能有所改善，这是因为硅原子半径较大，在表面会有相当的悬挂键没能及 时被氧钝化，此时的氢原子可以起拾遗补漏的作用。

高硼浓度的硅单晶在高温退火时，仅有部分氢和硼作用形成H—B复合体这种复合体和低温红 外光谱中的1904cm-1吸收峰相对应；而其他约占总量70％的氢以一种隐藏形式存在于硅中。这部分氢是红外不活泼的，不能被红外光谱探测，但将高温热处理后淬火的样品在低温l00～200℃进

行热处理，这部分隐藏的氢就会被释放出来，和硼原子结合义形成H—B复合体，从而使总的H—B 复合体的浓度增加到近三倍[229]。

氢杂质和硼结合生成H—B复合体，使得硅中硼浓度降低，造成电阻率的升高。Pankove在硅晶 体于l22℃等离子氢化后，用扩展电阻仪测量了样品剖面的电阻率，他发现在近表面氢原子扩散 处，由于H—B复合体的形成，使得电阻率上升；在200℃以上退火后，H—B复合体能分解，电阻率回 复到原始值；如果再经氢化处理，近表面处的电阻率还会上升[243]。其他施主杂质，如铝、镓、铟等，也

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能和氢形成复合体，导致电阻率的上升。

氢也和受主结合，形成氢-受主对。Johnson和Herring在130℃氢等离子处理磷掺杂硅晶体后，发现H—P复合体形成，在150℃左右其形成速率能达到最大值。H—P复合体的结合能大约在0．35～

[244,245]

0．65eV之间。

硅中的金属杂质能引入深能级，而氢可以和金属杂质结合，去除或改变相应的深能级[243]。图8·33是深能级瞬态谱仪测量不同情况下的磷掺杂区熔硅中的缺陷态密度[246]。从图中可以看出，当

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金杂质被掺入硅晶体时，深能级瞬态谱图中在270K左右有一个相关的峰；在300℃氢气中退火2 小时，其金杂质的状态并不改变，而在氢等离子中300℃处理2小时，相应的金杂质峰在深能级瞬态谱图中消失，说明离子氢和金杂质作用，钝化其电活。当再于400℃热处理2小时，部分氢-金复合体分解，导致部分金恢复电活性，在深能级瞬态谱图中又出现相应的峰。只是为什么在300℃氢气中退火2小时，其金杂质的状态并不改变，没能得到很好的解释，有可能是在氢气中退火和氢等离子处理所引入的氢的形态不同而造成。 有研究者提出，硅中的氢能够和碳结合，形成一个氢原子和一个碳原子的复合体，这种复合体可以被液氦温度下的荧光激发光谱所探测，位置在0．9650eV和0．9351eV等处。当在这个复合体中氢原子的数目超过一定数目时，它会从荧光光谱中消失[226]。氢和碳的互相作用也被其他研究者所证明[247,248]。

硅中的氢一般在室温下是以复合体形式存在，它在硅中的固溶度较小，但扩散速率较快，它的最大作用是能够和硅中的其他电活性杂质作用，去除它们的电活性，起钝化作用，这在应用于光电转换方面的多晶硅和非晶硅材料中得到较多的应用；它也能和氧、氧施主作用形成复合体或钝化界面态；在区熔硅单晶中，它还会引起氢脆现象。总的说来，氢在直拉硅单晶中的应用较少，它的许多性质尚有待探索。

8．5 硅中的过渡金属

目前，超大规模集成电路的发展异常迅速，器件的线宽已从80年代的1 m到现在的0·5 μm以下，

器件氧化层的厚度也越来越薄，对于硅材料的质量要求也越来越高，亚微米级的杂质和缺陷都会对集成电路的性能产生重大影响。在这方面金属杂质特别是过渡金属杂质的危害就显得更加突出。在一个亚微米级的集成电路中，一个微小的金属沉淀就能损害它的电学性能，导致整个集成电路的失效。因此，控制和减少硅中的金属杂质的污染和危害，是现代大规模集成电路生产效率提高和器件质量改善的关键之一。在另一方面，离子注入、等离子腐蚀、快速热处理等新工艺的应用，增加了设备的复杂性，也增加了金属沾污的可能性。

在硅中发现得最多的金属杂质是3d过渡金属，它们能在硅晶体中形成深能级中心或沉淀，影响材料和器件的电学性能。本节主要介绍硅中过渡金属杂质对器件的影响，金属沾污的途径和控制方法，介绍它们的基本性质，测量方法，以及简要介绍它们和其他杂质及缺陷的相互作用，并阐述金属的吸杂，着重讲述常见的过渡金属铁、 …… 此处隐藏：5827字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……