直拉單晶硅中銅沉淀及其復(fù)合活性.pdf

1、在硅片和器件制造過程中，作為過渡族金屬之一的銅(Cu)有可能會沾污硅片。由于在硅中具有快擴(kuò)散速率及固溶度隨溫度急劇下降等特性，Cu很容易在硅片熱處理的冷卻過程中形成沉淀，從而對器件的性能及可靠性帶來不利影響。因此，硅中Cu沉淀行為一直是硅材料界關(guān)注的問題。經(jīng)過五十余年系統(tǒng)深入的研究，人們已揭示了晶體硅中Cu沉淀的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)，闡明了熱處理?xiàng)l件、硅片導(dǎo)電類型、位錯和層錯等缺陷對Cu沉淀行為的影響。然而，關(guān)于點(diǎn)缺陷(自間隙硅原子和空位

2、)、雜質(zhì)(如：氮、磷、砷、銻和硼)和氧沉淀等因素對Cu沉淀行為的影響到目前為止還沒有形成系統(tǒng)的認(rèn)識。
　　 本文系統(tǒng)研究了點(diǎn)缺陷、氧沉淀、氮雜質(zhì)和高濃度摻雜劑(磷、砷、銻和硼)對直拉(CZ)單晶硅中Cu沉淀及其復(fù)合活性的影響，得到以下主要結(jié)果：
　　 (1)研究了自間隙硅(Sii)原子對n型CZ單晶硅中Cu沉淀行為的影響。受Cu沾污的硅片經(jīng)1000℃退火并以30℃/s冷卻后，在未故意引入Sii原子的樣品中，Cu沉淀表現(xiàn)為

3、100nm的球狀；而經(jīng)熱氧化預(yù)處理引入一定量的Sii原子后，Cu沉淀表現(xiàn)為大量尺寸為10-20nm的球狀Cu沉淀聚集在位錯上或其周圍，形成所謂的“團(tuán)聚狀Cu沉淀”。熱氧化注入的Sii原子的濃度從硅片表面向體內(nèi)逐漸降低，而Sii原子和間隙Cu(Cui)原子間存在排斥作用，這導(dǎo)致大量Cui原子優(yōu)先分布在硅片體內(nèi)。在冷卻過程中，一部分過飽和的Cui原子在硅片體內(nèi)發(fā)生沉淀，在此過程中釋放出大量Sii原子，它們在硅片體內(nèi)的某些區(qū)域聚集形成位錯。剩

4、余的Cui原子擇優(yōu)在位錯上形核長大，形成團(tuán)聚狀Cu沉淀。而對于未額外引入Sii原子的硅片，Cui原子均勻分布在體內(nèi)，Cu沉淀以均質(zhì)形核長大的機(jī)制進(jìn)行，形成了表面能最小的球狀Cu沉淀。
　　 (2)研究了空位對n型CZ單晶硅中Cu沉淀行為的影響。受Cu沾污的硅片經(jīng)1000℃退火并以30℃/s冷卻后，在未故意引入空位的樣品中，Cu沉淀表現(xiàn)為100nm的球狀；而在經(jīng)高溫快速熱處理(RTP)引入一定量空位的樣品中，大量10-20nm的球

5、狀Cu沉淀聚集在位錯上或其周圍，形成團(tuán)聚狀Cu沉淀。高溫RTP引入的空位的濃度從硅片體內(nèi)到表面逐漸降低，由于空位能顯著促進(jìn)Cu沉淀，因而在硅片體內(nèi)的一部分過飽和Cui原子在空位的促進(jìn)作用下發(fā)生沉淀，并釋放出大量Sii原子。隨后的過程如(1)中闡述的那樣，最終形成團(tuán)聚狀Cu沉淀。
　　 (3)研究了點(diǎn)缺陷對p型CZ單晶硅中Cu沉淀復(fù)合活性和Cu相關(guān)深能級的影響。發(fā)現(xiàn)空位通過增加Cu沉淀的少數(shù)載流子俘獲截面而增強(qiáng)了Cu沉淀的復(fù)合活性

6、；自間隙硅原子降低了Cu沉淀的密度而削弱Cu沉淀的復(fù)合活性。此外，研究發(fā)現(xiàn)空位或自間隙硅原子能與Cui原子形成復(fù)合體，導(dǎo)致硅中出現(xiàn)新的Cu相關(guān)深能級，它們位于：Ev+0.35eV或Ev+0.32eV，其電子態(tài)都呈局域化。
　　 (4)比較研究了Cu在p型CZ和摻氮直拉(NCZ)單晶硅中的沉淀行為和復(fù)合活性。受Cu沾污的硅片經(jīng)Ar氣氛下1000℃退火并以30℃/s冷卻后，在CZ硅中形成了100nm的球狀Cu沉淀；而在NCZ硅中Cu

7、沉淀表現(xiàn)為大量10-30nm球狀沉淀聚集在位錯上或其周圍的團(tuán)聚狀。進(jìn)一步的研究表明，對于在不同氣氛(Ar，N2，和O2)下經(jīng)800-1100℃退火并以30℃/s冷卻形成的Cu沉淀，在NCZ硅片中的復(fù)合活性都要明顯弱于在CZ硅片中的。上述現(xiàn)象是由于NCZ硅中存在相對較大的原生氧沉淀，它們影響了Cu沉淀行為，進(jìn)而導(dǎo)致Cu沉淀復(fù)合活性的改變。
　　 (5)研究了重?fù)搅?P)、砷(As)和銻(Sb)直拉單晶硅中的Cu沉淀行為。受Cu沾污

8、的硅片經(jīng)1000℃退火并以30℃/s冷卻后，在重?fù)絇樣品中Cu沉淀表現(xiàn)為尺寸約為80nm的球狀；而在重?fù)紸s/Sb樣品中大量尺寸約為20nm的球狀沉淀聚集在位錯上或其周圍，形成團(tuán)聚狀Cu沉淀。此外，重?fù)絇和重?fù)紸s樣品中的Cu沉淀行為隨熱處理溫度(700-1000℃)或冷卻速度(30v/s-10℃/min)的變化規(guī)律有所不同。分析認(rèn)為：由于P原子和As/Sb原子的共價半徑分別小于和大于硅原子的共價半徑，從而導(dǎo)致重?fù)絇硅單晶的晶格應(yīng)力為張

9、應(yīng)力，而重?fù)紸s/Sb硅單晶的晶格應(yīng)力為壓應(yīng)力。上述品格應(yīng)力性質(zhì)的不同導(dǎo)致Cu沉淀行為的差異。
　　 (6)研究了不同熱處理?xiàng)l件下n/n+(P，As，Sb)硅外延片的Cu沉淀行為。結(jié)果表明重?fù)絥型硅片對Cu雜質(zhì)具有明顯的吸雜效果；并且，重?fù)絊b，As，P硅襯底對外延層所受Cu沾污的吸雜能力依次遞增。
　　 (7)研究了重?fù)脚?B)直拉單晶硅中的Cu沉淀行為。受Cu沾污的重?fù)紹和輕摻B硅片經(jīng)1000℃退火并以30℃/s冷卻