第八章 硅中的杂质 - 图文(9)

第八章 硅中的杂质

有相同浓度范围内的标样，同时灵敏度也较低。将硅材料熔化，在熔体中利用原子吸收光谱也可以测量金属杂质，但一次只能测一种杂质，而且测量精度不高。有研究者建议[252]，利用硝酸在60℃浸泡硅材料，硅表面的金属杂质将和硝酸反应，溶人液体中，同样可以采用原子吸收光谱法测量金属杂质，能得到更满意的结果。以上的测量方法虽然比较精确，但很昂贵，大都用在以研究为目的的金属杂质浓度的测量上。

比较方便和快捷的总的金属杂质浓度的测量方法是小角度全反射X射线荧光法，这种方法特别适于测量硅表面的金属杂质浓度。当X射线以极小角度入射抛光硅样品时，可以得到仅仅是硅样品表面附近的信息，通过衍射峰的位置和高度来决定金属杂质及其浓度，探测精度可达l010～1011cm-3。

2．单个原子状态的金属杂质浓度的测量

当金属杂质在硅晶体中以单个原子状态存在时，绝大部分是以间隙态形式存在的，少数是以替位态存在。如果金属原子含有未饱和的自旋电子，则其浓度可以用电子自旋共振法来测量。对于某些金属杂质，还可以利用荧光光谱或红外光谱的方法来测量浓度。在早期，人们也通过Hall效应，测量载流子浓度和温度的关系，来确定金属杂质的浓度，近年来，这种方法已很少再用。测量单个原子状态的金属杂质的最有效的方法是深能级瞬态谱法(DLTS)。

深能级瞬态谱法是一种用来测量半导体材料中杂质和缺陷的方法，在70年代由Lang[253]首先提出和应用。其测量原理见6．1．7节。图6．14是深能级瞬态谱的示意图，图中首先显示的是在不同温度时电容的变化，在电容测量期间，取t1和t2两个时刻，计算两时刻之间的电容差，这电容差和测量温度之间的关系就是深能级瞬态谱，它的峰值温度位置对应着不同的金属杂质，其峰高则对应着

利用深能级瞬态谱能计算金属杂质或复合体的活化能，鉴定它们的种类；深能级瞬态谱也能

测量它们的浓度及浓度分布，还能测量多数或少数载流子的俘获截面，是一个很有效的测量工具。

[254]

图8.34是一含金属杂质的P型硅材料的深能级瞬态谱，从图中可以看出，该样品含有铁、金、钛和铁-硼复合体金属杂质，其浓度对应着DLTS的峰值高度。要注意的是，当计算硅中铁的含量时，应同时考虑260K的间隙铁和60K铁-硼复合体，铁的浓度应是两者之和。表8．2列出了硅中主要金属杂质和其复合体的活化能、多数载流子俘获截面[254]．

529

第八章 硅中的杂质

530

第八章 硅中的杂质

531

第八章 硅中的杂质

深能级瞬态谱只能测量硅中单个原子状态的金属或其简单复合体，当金属杂质以沉淀形式出 现时，它很难测量，因此，在测量深能级瞬态谱之前，通常要将硅样品在高温热处理，溶解金属沉淀，然后淬火至室温，以使其保持处于单个原子状态，再通过深能级瞬态谱测量其浓度。

利用深能级瞬态谱测量硅中金属杂质时，样品的制备很重要，首先要保持环境的洁净，以免在样品制备过程中引入新的金属杂质沾污；在制备样品前，硅样品要经过化学腐蚀，去除极表面的一层硅材料，以便除去原生晶体表面的沾污；另外，在真空中制造肖特基结或欧姆接触时，真空度要<10-5mba。 深能级瞬态谱的样品制备是利用PN结或肖特基结，其中肖特基结可方便地制备，不需要高温热处理，它可利用钛或锰蒸发在P型硅材料表面，钯或金蒸发在N型硅材料表面而制成；而背面的欧姆接触可以用GaIn涂层，或铝沉积膜。但利用肖特基结不能测量少数载流子的俘获截面，因为正向电流不能引起少数载流子的发射，而且只能测量禁带的上半部或下半部。对于P型材料，只能测量能量位于禁带下半部的金属杂质，对于N型材料，则只能测量能量位于禁带上半部的金属杂质。但有的金属在硅中有不同的电荷状态，可能是受主，也可能是施主，要测量硅中所有的金属杂质，需要P型和N型两种材料，或利用PN结。

为了更准确和方便地测量硅中金属杂质，提出了一些改良的深能级瞬态谱方法。如深能级傅立叶谱，能在同一个温度高精度地测量所有的金属杂质浓度[255]；又如通过控制空间电荷电容，测量反向电压和温度的关系，能决定重掺硅材料中金属杂质含量，避免掺杂载流子浓度对测量的影响[256,257]。 3．金属沉淀的测量

部分金属杂质在硅中的扩散速率很快，如钴、铜和镍等，即使在高温热处理后淬火，大约只有1％或更少的杂质能以单个原子状态存在于硅中，在冷却过程中，它们绝大部分已经沉淀。对于这些金属，除了上述介绍的测量硅中金属总浓度的方法外，还可以通过测量金属沉淀的方法，以证明其存在。电子透射显微镜、腐蚀加电子扫描显微镜或光学显微镜都可以测量沉淀，但最常规的测量硅中金属沉淀的方法是―雾状缺陷实验法‖。

所谓的―雾状缺陷实验法，，就是将被金属污染的硅样品首先在1050℃退火数分钟，使原始的金属沉淀溶解，然后中速冷却；在冷却过程中，快扩散的铜、镍等金属扩散到表面，重新沉淀在表面，在

532

第八章 硅中的杂质

择优化学腐蚀后，用点光源进行观察，有金属污染的地方有腐蚀坑，会呈现出“雾状”的白光反射， 从而可以证明金属污染的存在。

这种方法能够定性地说明金属杂质污染的存在，且白光反射的强度随金属杂质浓度的增加而 加强，但不能定量地计算硅中的金属浓度。虽然根据腐蚀花样，可以确定一二种金属的类型，但总的说来，这种方法不能区别污染的金属种类。但这种方法很方便，可以用来在线监控，对金属污染的探

12-313-3

测灵敏度也很高，l0cm的镍或10cm的铜都能被探测。

要注意的是原生氧沉淀以及高浓度掺杂而形成掺杂剂沉淀，在化学择优腐蚀后也能呈现腐蚀 坑，会影响―雾状缺陷实验法‖的效果，但原生氧沉淀和掺杂剂所引起的沉淀在体内也会出现，特别是氧沉淀需要经过热处理才能生成，所以它们之间还是可以分辨的。 4．硅片表面金属含量的检测 (1)全反射X荧光光谱(TXRF)

TXRF是目前世界上半导体工业界普遍采用的检测硅片表面金属沾污的重要方法之一。为了说明该方法的原理，先介绍通常采用的X荧光光谱(XRF)原理。 如图8·35所示，XRF的基本原理是：一束强X光主光束以锐角射入样品表面，它将激发样品发出一系列波长和能量的二次X光荧光，而这些二次X光荧光的特征波长或者能量对应于特定的元素。因此从二次X光荧光的波长或者能量即可推断出样品所含的元素。由于人射光束进入样品的深度比较大，因此从产生的二次X光荧光的强度可以推断样品的平均化学成分。

对于TXRF来说，如图8．36所示，X光主光束以掠射的方式照射样品表面，因此光束绝大

部分被反射，透入样品表面以下的仅有几个纳米。因此，X光主光束将激发出来自于样品表面或者亚表面沾污的二次荧光。

与XRF相比，TXRF的反射X光散射比较小；此外，散射方向偏离探测器的“视场”。因此，TXRF的背影噪声显著降低，换句话说，TXRF具有高的检测灵敏度和低的检测极限。TXRF检测硅片表面金属沾污(Fe，Ni，Cu)的极限可在1010cm-2左右[295]。 (2)表面光电压法(SPV)

SPV法是ASTM中推荐的测量少子扩散长度(少子寿命)的标准方法。进入90年代后，由于仪器制造技术的进步，SPV …… 此处隐藏：1452字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……