05章-硅、锗晶体中的杂质和缺陷研究.ppt

2、考虑坩埚污染及蒸发的掺杂 1 坩埚污染 晶体中的条纹和夹杂 1．杂质条纹 由熔体生长Si，Ge及化合物半导体晶体，如果沿着其纵、横剖面进行性能检测，会发现它们的电阻率、载流子寿命以及其他物理性能出现起伏。 当用化学腐蚀时，其腐蚀速度也出现起伏，最后表面出现宽窄不一的条纹。这些条纹是由于晶体中杂质浓度的起伏造成的，因此又称为杂质条纹。 晶体中杂质浓度会出现起伏的原因： 由杂质分凝可知，晶体中杂质浓度Cs KeffCL，在一个不太长的时间间隔内，CL可近似认为不变。因此，Keff的变化直接决定着晶体中杂质的浓度。 由于Keff与生长速率f和扩散层厚度δ有关，如直拉法晶转速一定，d也一定，那么Keff的起伏直接与生长速率的起伏有关。事实上，正是晶体生长速率的微起伏，造成了晶体中杂质浓度的起伏。 晶体生长速率起伏的原因主要有： 1 由于单晶炉的机械蠕动和机械振动，使提拉或熔区移动速率产生无规则的起伏。这时产生的杂质条纹叫间歇式条纹。 2 由于晶体转轴和温度场轴不同轴，使生长速率发生起伏 3 由于加热器功率或热量损耗 如水冷、气流状况 的瞬间变化引起生长速率的变化也会出现杂质条纹。 4 由于液流状态非稳流动，熔体内温度产生规则或不规则的起伏，从而引起生长速率的起伏产生杂质条纹。 杂质条纹的存在使材料的微区电性质发生较大的差异，这对大规模集成电路的制作是十分不利的。 消除办法：可以将掺杂的单晶在一定温度下退火，使一部分浓度较高的杂质条纹衰减。另一方法是采用中子嬗变法生产N型硅单晶，或在无重力条件下 太空实验室 ，磁场抑制自然对流引起的熔体温度波动可消除一部分杂质条纹。 五、硅、锗单晶中有害杂质的防止 硅单晶中的重金属元素Cu、Fe、Ni、Mn、Au、Ti；碱金属Li, Na, K；非金属C、O等对器件性能有重大影响。 重金属大都是快扩散杂质，而且溶解度随温度下降变得很小，它们易在器件降温时沉积在PN结、Si—SiO2界面、位错、层错等处，使器件漏电流增大，出现低软击穿。它们还能起复合中心或陷阱作用，降低少子寿命、影响器件的放大系数、反向电流等指标。 碱金属杂质Li、Na、K等能在平面工艺SiO2绝缘膜中引入不稳定的正电荷，在硅的内表面形成空间电荷层或反型层引起表面沟道效应，产生很大的漏电流。 以上这些杂质，除了在多晶硅生产时要尽量降低外，在单晶生长工艺，如多晶腐蚀，清洗，装炉等过程中要严加防范，减少有害杂质的沾污。 硅单晶中的氧含量，通常为2×1015～5×1017cm-3。直拉单晶因高温时，硅与石英坩埚作用 Si十SiO2—2SiO ，氧大量进入硅熔体中，所以氧含量较高。区熔硅单晶的氧含量则较少。 氧含量的测定可以用红外光谱法。氧在硅中处于间隙位置，它破坏Si—Si键而形成Si—O键。由于Si—O键的伸张运动，在9μm处产生很强的红外吸收峰，其半峰宽与氧浓度有关，因此可用此吸收峰来测定硅中的氧含量。 硅中含氧的缺点： 硅中的氧沉淀会妨碍光刻，如沉淀物在PN结区，由于SiO2微粒的介电常数小，会在圆球形的SiO2周围形成一个局部的高电场，引起微等离子击穿。 硅中含氧的优点：近来的研究发现，如果将高氧硅单晶片在高温1050℃非氧气氛中退火，则硅片表面的氧将扩散逸出，使浓度降低。然后将硅片在650℃二次退火时，在硅片表面将无氧沉淀，但在硅片内部则产生高密度的氧沉淀，这些氧沉淀产生缺陷和晶格畸变的应力场，能吸附金属杂质和产生微缺陷的间隙原子，使硅片表面完整性提高。 用这种有内吸杂的硅片做器件 器件做在无氧沉淀区 ，可以大大提高成品率，并使少数载流子寿命提高，这种技术称为本征内吸杂技术。 另外，硅中溶解氧还能提高硅片的抗翘曲力，使强度增大。所以对硅中氧的利弊要有全面的认识 直拉工艺中降低氧含量的措施： ①设计合理热场避免熔体过热； ②减少原料中的氧含量； ③控制晶体直径，使坩埚直径与其直径比为2.5：1～3.0：1，使熔硅自由表面增大，有利于氧的逸出； ④防止拉晶中途回熔； ⑤适当降低籽晶转速，一般小于10r／min，以减少坩埚壁反应生成的SiO向熔体中扩散 ⑥在真空下拉晶，加速SiO的挥发，如用Ar气拉晶要注意Ar的提纯，防止CO，CnHm的引入。另外，采用偏心拉晶亦能降低氧含量，因偏心拉晶晶体不断地与熔硅自由表面接触，而自由表面中SiO易挥发，故进入晶体中的氧量就低，然而此法易生成漩涡缺陷。目前直拉硅单晶中氧含量在 3.8～5.5 ×1017cm-3。 区熔法因不与石英坩埚接触，从而消除了氧的主要来源之一、由于SiO蒸气压较大，采用真空区熔工艺更有利SiO的逸出，在1.33×10- 3 Pa真空下可制取含氧量为1015cm-3的低氧硅单晶。 4-3 硅、锗单晶的位错 在硅、锗晶体生长与加工时，