直拉單晶硅中雜質(zhì)和缺陷的行為-重?fù)诫s和共摻雜的影響.pdf

1、直拉硅單晶是集成電路的基礎(chǔ)材料，其根本原因是直拉硅單晶不可避免地含有氧雜質(zhì)。一方面氧雜質(zhì)具有提高硅單晶機械強度的作用;另一方面氧雜質(zhì)原子在集成電路制造過程中會聚集形成氧沉淀并可能誘生二次缺陷，它們可發(fā)揮吸除有害金屬沾污（內(nèi)吸雜）的作用。因此，關(guān)于直拉硅單晶中氧沉淀的研究就成了非常重要的課題。氧的擴散是直拉硅單晶中氧沉淀的動力學(xué)條件，理解氧在硅中的擴散行為是研究氧沉淀的基礎(chǔ)。經(jīng)過幾十年的研究，人們對輕摻直拉硅單晶中的氧擴散及其氧沉淀的理解

2、已經(jīng)非常充分?？墒?，對于電活性雜質(zhì)的重?fù)揭约胺请娀钚噪s質(zhì)的共摻如何影響直拉硅單晶中的氧擴散和氧沉淀的研究還相當(dāng)缺乏。本文通過實驗和理論計算，重點研究了重?fù)搅?P)、硼(B)和共摻錫(Sn)對直拉硅單晶中的氧擴散和氧沉淀的影響規(guī)律。此外，還研究了重?fù)脚饐尉е信鸷忘c缺陷相互作用對電學(xué)性能的影響。通過上述研究，加深了對直拉硅單晶中雜質(zhì)、氧和點缺陷之間的相互作用及其對氧擴散和氧沉淀影響的認(rèn)識。本文取得的主要創(chuàng)新成果如下:
　　(1)利用第

3、一性原理計算，分析了Sn共摻雜對直拉單晶硅中氧擴散的影響及其機理。發(fā)現(xiàn)間隙氧原子(Oi)擴散的勢壘隨著Sn摻雜引起的晶格常數(shù)的增加而線性增大;結(jié)構(gòu)分析表明這是由于Si-O-Si鍵角和Si-O鍵長增大使Oi原子向Si-Si鍵中心移動，致使其在相鄰Si-Si鍵間隙位跳躍時的勢壘發(fā)生變化所致。能量分析表明Sn原子可以與空位結(jié)合形成SnV復(fù)合體并作為Oi的俘獲中心，形成結(jié)合能為～2.26 eV的穩(wěn)定SnVO復(fù)合體。根據(jù)計算結(jié)果可以推斷高濃度Sn

4、摻雜的單晶硅中的氧擴散將受到抑制，且這種抑制作用在低溫時更為顯著。
　　(2)研究了電阻率為～3 mΩ·cm的重?fù)紹直拉單晶硅中的氧擴散行為。實驗發(fā)現(xiàn):該單晶硅中的氧擴散受到異常的抑制，其氧外擴散曲線無法被單個余誤差函數(shù)擬合，而必須被兩個余誤差函數(shù)疊加擬合。根據(jù)擬合結(jié)果得到兩個氧擴散激活能:一個值為2.40±0.05 eV，與輕摻硅的激活能接近;另一值為3.80±0.16 eV。第一性原理計算結(jié)果表明:間隙B(Bi)原子能夠與Oi

5、原子結(jié)合形成-Bi-Si-Oi-Si-Bi-閉環(huán)結(jié)構(gòu)的B-O原子對。B-O原子對跨越一定勢壘后能協(xié)同滾動遷移。這種B-O原子對的共擴散可能是重?fù)脚饐尉Ч柚挟惓Ｑ鯏U散的機制。
　　(3)利用第一性原理計算，研究了重?fù)絇對直拉單晶硅中氧擴散的影響及其機理。發(fā)現(xiàn)P原子能夠作為Oi的俘獲中心，在其12個等價的第二近鄰位上俘獲Oi原子形成-P-Si-O-Si-結(jié)構(gòu)的P-O原子對，根據(jù)P-O原子對結(jié)合能得到800-1100℃范圍內(nèi)Oi擴散勢壘

6、的增加值為～0.04-0.07 eV，與實驗得到的～0.12 eV結(jié)果相近，表明上述P-O原子對的形成是重?fù)搅讍尉Ч柚醒鯏U散被抑制的原因。
　　(4)研究了共摻Sn直拉硅中的氧沉淀和本征點缺陷。實驗結(jié)果表明Sn對氧沉淀的影響因硅中空位濃度的不同而不同，即:當(dāng)沒有用快速熱處理(RTP)注入空位或RTP溫度低于1050℃時，Sn摻雜抑制氧沉淀;當(dāng)RTP溫度高于1050℃時，Sn摻雜促進(jìn)氧沉淀。第一性原理結(jié)果表明:Sn一方面能夠存儲和釋

7、放空位，以“水庫”的形式調(diào)節(jié)硅中的自由空位濃度;另一方面Sn能夠俘獲空位和VO等點缺陷復(fù)合體，并成為氧沉淀的異質(zhì)形核中心。結(jié)合實驗和計算結(jié)果，建立了Sn摻雜對直拉硅中氧沉淀影響機理的物理模型。
　　(5)研究了電阻率為～3 mΩ·cm的重?fù)紹直拉單晶硅中的氧沉淀行為。實驗發(fā)現(xiàn)電阻率為重?fù)紹單晶硅中的氧沉淀行為顯著不同于輕摻B單晶硅中的氧沉淀行為:重?fù)紹單晶硅經(jīng)過650℃短時形核處理，即可在后續(xù)高溫?zé)崽幚碇行纬筛呙芏鹊难醭恋?120

8、0℃高溫?zé)崽幚頍o法完全消融原生氧沉淀，表明其原生氧沉淀具有較高的熱穩(wěn)定性。對氧沉淀的形貌、尺寸及氧沉淀形成后的應(yīng)力進(jìn)行分析后，結(jié)合第一性原理計算提出了有B原子參與形核和進(jìn)行核心表面修飾的氧沉淀形核物理模型。此外，1200℃高溫?zé)崽幚砗蠼?jīng)過短時形核和高溫長大熱處理即可在重?fù)脚饐尉Ч鑳?nèi)形成良好的潔凈區(qū)并使之具有較強的內(nèi)吸雜能力。
　　(6)研究了電阻率為～16 mΩ·cm的重?fù)紹直拉單晶硅中的B在不同熱處理中的電活性及其物理機制。實驗

9、發(fā)現(xiàn):經(jīng)過高溫RTP后，部分B會失活且失活程度隨RTP溫度升高而增加;后續(xù)600-800℃熱處理后失活的B會被逐漸重新激活，但300-500℃熱處理后則會有更多的B失活。計算結(jié)果表明:B的失活是由B原子和自間隙硅原子(I)的相互作用導(dǎo)致的，即:B與RTP引入的I結(jié)合為BI原子對而失活。后續(xù)300-500℃處理時，BI原子對將克服～0.39 eV的勢壘繼續(xù)與B結(jié)合為B2I，導(dǎo)致更多的B失活;而600-800℃熱處理時，BI和B2I將分別克