第八章 硅中的杂质

第八章硅中的杂质

第八章硅中的杂质

半导体硅晶体是高纯材料,对杂质的引入非常敏感,人们有意掺入电活性杂质(如硼、磷等),来控制它的电学性能,以制造不同功能的器件。但是,在硅晶体生长和器件制造的工艺过程中,常常会由于各种原因无意地引入电活性或非电活性的杂质,这些杂质或者它们所造成的二次缺陷对硅材料和器件的性能有破坏作用,因而引起人们的高度重视。一般在硅晶体中无意引入的杂质可分为两大类,一类是轻元素杂质,包括氧、碳、氮和氢杂质;另一类是金属杂质,主要是指铁、铜和镍等3d过渡金属。这些杂质由不同的途径进入硅晶体,对它的机械和电学性能也有不同的影响。在7.1.1节中已一般地讨论了作为硅中的非本征点缺陷即硅中的杂质的一般性质和行为,本章分别介绍氧、碳、氮、氢杂质和过渡金属杂质在硅中的基本性质,它们在硅中的沉淀,它们之间的相互作用,以及它们对硅材料和器件性能的影响。

8.1 硅中的氧

氧是直拉(CZ)硅单晶中最主要的杂质,已被研究四十多年。硅中的氧浓度一般在1017~1018cm-3数量级,以间隙态存在于硅晶格中。氧是在晶体生长过程中被引入的,在随后的器件制造工艺过程中,由于硅晶体经历了各种温度的热处理,过饱和的间隙氧会在硅晶体中偏聚和沉淀,形成了氧施主、氧沉淀及二次缺陷。这些和氧有关的缺陷,对硅材料和器件具有有利和不利的两个方面。有利的方面是它们能结合器件工艺,形成内吸杂,可以吸除金属杂质;氧杂质还能钉扎位错,提高硅片机械强度。不利的方面是当氧沉淀过大时,又会导致硅片的翘曲;氧沉淀还能引入大量的二次缺陷。对硅材料和器件的电学性能有破坏作用。在半导体硅材料大规模应用的早期,人们认为氧仅仅是有害杂质,努力使之在硅晶体中的浓度降低,在70年代末,人们认识到它能提高硅片的机械强度以及可能具有内吸杂效应,可以加以应用。在现代硅材料生产中,氧的浓度通常被控制在所需要的范围。本节介绍硅中氧的引入、硅中氧的基本性质以及它对硅材料和器件性能的影响,还阐述热施主和新施主的性质,重点介绍硅中氧沉淀的形核、长大、形态以及影响氧沉淀生成的因素,最后介绍了内吸杂的概念。

8.1.1 硅中氧的基本性质

直拉硅单晶中的氧来自晶体生长时石英坩埚的污染。当多晶硅熔化成液相时,液态硅在高温下严重侵蚀石英坩埚,其反应方程式为:

第八章  硅中的杂质

部分SiO从熔体表面挥发,部分SiO则在熔硅中分解,反应方程式为:

第八章  硅中的杂质

分解的氧便引入熔体中,最终进入硅晶体。硅中的氧占据着晶格间隙位置,处于Si--Si键中间偏离

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