第九章单晶硅制备杂质分凝和氧污染讲述.ppt

动画模板，按F5播放可以看到精彩的动画 * 一般认为，碳的半径比硅小，因为引入晶格畸变，容易吸引氧原子在谈原子附近偏聚，形成氧沉淀的核心，为氧沉淀提供异质核心，从而促进氧沉淀的形核。进一步而言，碳如果吸附在氧沉淀和基面上，还能降低氧沉淀的界面能，起到稳定氧沉淀核心的作用。 碳促进氧沉淀形成的原理 主要原因在于氧原子和碳原子在氧聚集的初期形成大量的C-O复合体。到目前为止，这个复合体的结构、性质还不是很清楚。 碳对氧沉淀和氧施主产生影响的主要原因 直拉单晶硅中的金属杂质 金属，特别是过渡金属是硅材料中非常重要的杂质，他们在单晶硅中一般以间隙态、替位态、复合体、沉淀存在。 金属杂质的引入方式 ①硅片滚圆、切片、倒角、磨片等制备过程中，直接与金属工具接触； ②在硅片清洗或湿化学抛光过程中，使用不够纯的化学试剂； ③在工艺过程中，使用不锈钢等金属设备。 原子态的金属从两方面影响硅材料和器件的性能： ①影响载流子浓度 ②影响少数载流子寿命 电活性 深能级复合中心 就金属原子具有电活性而言。当其浓度很高时，就会与晶体中的掺杂起补偿作用，影响载流子浓度。 金属在晶体硅中更多是以沉淀形式出现。一旦沉淀，它们并不影响晶体硅中载流子的浓度，但是会影响载流子的寿命，如晶体硅中常见的金属铁、铜和镍。金属沉淀对晶体硅和器件的影响取决于沉淀的大小、沉淀的密度和化学性质。 金属沉淀 金属杂质浓度对少数载流子寿命的影响为： τ0=1/υσN 式中，τ0为少数载流子寿命；υ为载流子的热扩散速率；σ为少数载流子的俘获面积；N为金属杂质浓度，cm-3。 ①金属沉淀出现在晶体硅内，它能使少数载流子的寿命减少，降低其扩散长度，漏电流增加； 金属沉淀在晶体硅不同部位对其产生的影响 ②金属沉淀出现在空间电荷区，会增加漏电流，软化器件的反向I-V特性，这种沉淀对太阳电池的影响尤为重要； ③金属沉淀出现在表面，对集成电路而言，这将导致删氧化层完整性的明显降低，能引起击穿电压的降低，但是，但太阳电池的影响很有限。 硅中金属的固溶度 从图5.28中还可以看出，金属在硅中饱和固溶度最大的是铜和镍，其最大固溶度约为1018cm-3。显然，与磷、硼等掺杂剂相比，硅中金属杂质的固溶度很小，而硅中磷和硼的最大固溶度分别可达1021cm-3和5×1020cm-3，相差2-3个数量级。 铁、铜和镍是单晶硅中的主要金属杂质，其固溶度也相对较高。表5.1列出了他们在高温时的固溶度随温度的变化。 由图5.28和表5.1都可以看出，随着温度的降低，金属在硅中的饱和固溶度迅速减小，特别是外推到室温，金属在硅中的固溶度更小。因此，硅中金属大多是过饱和状态，而且硅中金属的扩散相对较快，所以，如果晶体硅在高温处理后冷却速率不够快，金属一般都以复合体或沉淀形式存在。 硅中金属的扩散系数 与磷、硼掺杂剂或氧、碳杂质相比，金属杂质在硅中的扩散是很快的，最快额扩散系数可达10-4cm2/s。对于快扩散金属铜而言，在1000℃以上仅数秒就能穿过650μm后的硅片。由此可见，一旦晶体硅额某部分被金属污染，很容易扩散到整个硅片。 表5.2列出了晶体硅中常见金属铁、铜和镍的扩散系数，其中铜和镍的扩散系数相近，扩散速率大，而锰和铁相似，扩散速率相对较小。 由图5.29还可以看出，随着原子系数的增加，金属的扩散速率也在增大；在同一温度下的不同金属之间，或同一金属在不停温度下，扩散速率相差很大，可达5个数量级，而金属锌例外，在高温下，其扩散系数基本相同。 金属原子在晶体硅中的扩散一般以间隙和替位扩散两种方式进行。 金属原子在晶体硅中的扩散方式 间隙扩散就是金属原子处于晶体硅的间隙位置。扩散时它从一个间隙位置移动到另一个间隙位置。 替位扩散则有空位机制和“踢出”机制。 显然，间隙扩散要比替位扩散快。而晶体硅中的绝大部分金属处于间隙位置，以间隙方式扩散，所以扩散速率相对较快。 硅中金属的测量 晶体硅中的金属杂质常常以沉淀形式出现，而且总的浓度又比较低，所以，硅中金属浓度的直接测量相对比较困难，缺乏实用、常规的测量技术，通常可以通过测量其他参数来确定硅中金属的浓度。 金属在硅中存在有单个原子和沉淀两种状态，因此，硅中金属杂质的测量可以分为三种情况： ①测量硅中各个金属杂质总体的浓度； ②测量硅中的各个金属单个原子状态的浓度； ③测量硅中金属沉淀的浓度。 测量晶体硅中总的杂质（包括金属原子和沉淀）浓度方法： ①中子活化法 ②二次离子质谱法