用同位素受控材料先進(jìn)的擴(kuò)散研究

1、用同位素受控材料先進(jìn)的擴(kuò)散研究哈特穆特a. brachta，休斯h. silvestrib和尤金e. hallerb，研究所獻(xiàn)給materialphysik的universitat德國明斯特。 材料科學(xué)與工程學(xué)院，加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室，伯克利，加州，94720部。 關(guān)鍵詞：自擴(kuò)散，雜質(zhì)原子的擴(kuò)散，半導(dǎo)體，點缺陷，穩(wěn)定同位素， sims pacs：66.30.hs，66.30.jt，61.72.ji，82.20.tr摘要 利用豐富穩(wěn)定同位素結(jié)合現(xiàn)代外延沉積和深度剖析技術(shù)，使材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，非常適合自我和外國原子擴(kuò)散實驗。在過去的十年中，我們進(jìn)行擴(kuò)散研究，同位素富集的元素

2、和化合物半導(dǎo)體。在本論文中，我們強(qiáng)調(diào)我們的最新研究成果，并展示了使用同位素富集的材料迎來了擴(kuò)散在固體中的研究，得出更深入地了解在本地擴(kuò)散的缺陷及其角色的屬性，一個新的時代。我們的研究的原子擴(kuò)散的方法并不限定于半導(dǎo)體和也可以應(yīng)用到我們的研究關(guān)注于硅 - 鍺合金和玻璃狀材料，例如二氧化硅和離子傳導(dǎo)硅酸鹽玻璃中擴(kuò)散其他材料區(qū)域。介紹 原子的材料的擴(kuò)散是質(zhì)量傳遞的基本過程，是許多重要的應(yīng)用。例如，通常是由期望的外來原子進(jìn)入材料中的擴(kuò)散進(jìn)行硅的摻雜。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的納米離子注入的只有零點幾很淺的摻雜分布的要求的擴(kuò)散和反應(yīng)過程，以盡量減少瞬態(tài)擴(kuò)散效應(yīng)較強(qiáng)的控制1。與下定標(biāo)si基電子器件，接口正變得越來越顯著并可

3、以影響擴(kuò)散在感興趣的散裝物料。在這種情況下，在在sio2/si界面發(fā)生的反應(yīng)是非常重要的，以便了解si的氧化過程和接口的能力，作為點缺陷的來源。大規(guī)模生產(chǎn)的基于iii-v族化合物半導(dǎo)體中的電子和光電子器件還要求高度重現(xiàn)性的摻雜工藝。為了滿足這一要求對于在化合物半導(dǎo)體的摻雜劑分布的常觀察到復(fù)雜的形狀的原因是必須理解的。這些例子說明，摻雜劑擴(kuò)散的機(jī)制和底層的材料，包括它們的生成，重組和相互作用與摻雜原子，在本征點缺陷的屬性的全面了解是極其重要的意義，用于控制電子設(shè)備的制造。 擴(kuò)散半導(dǎo)體無數(shù)的研究已經(jīng)完成，在過去五十年，并發(fā)表在科學(xué)期刊上。不幸的是，最早擴(kuò)散的研究沒有引用在電子數(shù)據(jù)庫，盡管一些早期成

4、果是極其重要的意義，仍然對有關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)。為了不忘記許多基本結(jié)果的來源，來源比電子數(shù)據(jù)庫等應(yīng)予以考慮。在此背景下，我們指向蘭多爾特 - 伯恩斯坦的新系列，其中包括上擴(kuò)散一個全面的數(shù)據(jù)收集，在半導(dǎo)體點缺陷的溶解性和電子性質(zhì)。 關(guān)于半導(dǎo)體的性質(zhì)和點缺陷性質(zhì)的信息可以從光譜方法如電子順磁共振（epr）研究，紅外（ir）光譜，深能級瞬態(tài)譜（dlts）來獲得和擾動角關(guān)聯(lián)（pac）的實驗，僅舉幾例。所有這些方法都提供了有關(guān)的缺陷，在溫度范圍從低溫到常溫的屬性的信息。然而，對于學(xué)習(xí)點缺陷在相關(guān)的工藝技術(shù)下一個普遍適用的光譜方法不可用。一個例外是正電子湮沒譜（pas）。但這種方法僅限于空置狀缺陷調(diào)查，不幸的是

5、，即使在失敗硅的情況下，是熱平衡空位濃度低于方法的檢出限。另一方面，在固體中的點缺陷的結(jié)構(gòu)，并形成能的理論計算，所得結(jié)果與分光結(jié)果的比較非常有價值的。但目前還不清楚這些理論成果，對零開爾文獲得多遠(yuǎn)，適用于較高的溫度。在固體上公布的點缺陷和更復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)的許多理論文章反映需要獲得關(guān)于哪些強(qiáng)烈影響的技術(shù)材料的功能性缺陷的屬性的信息 2,3.。 調(diào)查在高溫下的性質(zhì)和材料的點缺陷的性質(zhì)的一般方法是“擴(kuò)散光譜”。乍一看，這似乎是一個矛盾，但擴(kuò)散的研究，其實在這樣一種方式，關(guān)于點缺陷的詳細(xì)信息成為訪問進(jìn)行。這種進(jìn)步在固態(tài)擴(kuò)散是由它總結(jié)了自我和外商原子的擴(kuò)散在半導(dǎo)體中，我們近期的發(fā)展和結(jié)果貢獻(xiàn)突出。對于擴(kuò)

6、散譜，我們利用適當(dāng)?shù)耐凰乜刂飘愘|(zhì)這在很寬的溫度范圍內(nèi)使擴(kuò)散實驗。 我們進(jìn)行下熱平衡和輻射增強(qiáng)條件下的自擴(kuò)散實驗。最后，通過同位素異質(zhì)結(jié)構(gòu)的手段摻雜劑擴(kuò)散對自擴(kuò)散的影響，可以進(jìn)行第一次的調(diào)查。uch實驗提供了有關(guān)原子機(jī)制，是不是單獨進(jìn)行的自我和外國原子擴(kuò)散實驗接觸點缺陷性質(zhì)的有價值的信息。自擴(kuò)散在熱平衡條件下的半導(dǎo)體自擴(kuò)散在固體共同研究使用任富集的穩(wěn)定或放射性同位素如沉積在感興趣的材料的頂部是示蹤元素。后擴(kuò)散退火，所述示蹤劑的穿透曲線是通過深度剖析技術(shù)和儀器測量，以檢測特定的同位素質(zhì)量或放射性。以這種方式進(jìn)行的自擴(kuò)散實驗被限制為在該材料或由放射性示蹤劑的有限半壽期的穩(wěn)定同位素的天然豐度。此外，

7、該示蹤劑從表面擴(kuò)散到散裝材料可受所引起，例如，暴露于空氣中的表面層。用富集的穩(wěn)定同位素和諸如分子束外延（mbe）或者化學(xué)氣相沉積（cvd）現(xiàn)代外延沉積技術(shù)，同位素富集的外延層可以生長。對于自擴(kuò)散實驗的適當(dāng)層結(jié)構(gòu)，包括一個同位素富集層相同的材料與天然組合物的2層夾著的。同位素層的厚度應(yīng)足以使擴(kuò)散實驗在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。對于自擴(kuò)散研究使用埋同位素富集層結(jié)構(gòu)，避免了可能由半活放射性示蹤劑或通過作用起始于表面所引起的任何限制。自擴(kuò)散ge中這顯示出穩(wěn)定同位素的擴(kuò)散實驗的好處第一實驗實現(xiàn)了與鍺同位素異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延生長4。日益豐富的70ge和74ge的外延層允許戈自擴(kuò)散的一處埋入界面觀察天然同位素

8、豐度的ge襯底上4。圖1示出了所有的5個穩(wěn)定葛同位素的同位素結(jié)構(gòu)的退火后通過二次離子質(zhì)譜分析裝置測量的深度剖面。fick定律的自擴(kuò)散，即互補(bǔ)誤差函數(shù)，以實驗戈型材產(chǎn)量戈自擴(kuò)散系數(shù)的解決方案。與從該利用放射性示蹤劑71ge同位素傳統(tǒng)的擴(kuò)散研究獲得的自擴(kuò)散的數(shù)據(jù)一致表明同位素結(jié)構(gòu)的自擴(kuò)散實驗的有用性5。進(jìn)一步的結(jié)果，其中包括興奮劑和靜水壓力對鍺自擴(kuò)散5和銅戈中的游離擴(kuò)散決定的空缺貢獻(xiàn)葛擴(kuò)散的影響，清楚地表明，自擴(kuò)散鍺主要以空缺6,7與3.09 ev的激活焓控制5。退火后的鍺同位素異質(zhì)結(jié)構(gòu)在586，55.55圖1 sims深度剖面。穩(wěn)定同位素70ge，72ge，73ge，74ge及76ge的深度剖面

9、給出原子分?jǐn)?shù)的函數(shù)。顯示在適合的70ge輪廓。4自擴(kuò)散si中以前的si自擴(kuò)散實驗在各種深度剖析方法一起進(jìn)行放射性和穩(wěn)定同位素（例如，見參考文獻(xiàn)2）。所有方法都只能在有限的溫度范圍內(nèi)提供自擴(kuò)散數(shù)據(jù)。確定溫度高于或低于1300 k表自擴(kuò)散數(shù)據(jù)分別顯示約5 ev和4 ev的激活焓。因此，提出了在該溫度下的si的自擴(kuò)散的依存性的扭結(jié)反映從一個自填隙介導(dǎo)的自擴(kuò)散高溫下的變化，以在較低溫度下的空缺介導(dǎo)的自擴(kuò)散過程。以前的自擴(kuò)散研究的一個主要限制是相關(guān)的短半衰期在si放射性同位素31si（t1 / 2= 2.6小時）。作為一個結(jié)果，用31si擴(kuò)散研究僅限于高溫，使得所述時間窗口用于實驗中的放射性示蹤劑的可測

10、量擴(kuò)散到樣品中仍觀察到。與使用28si的富集生長在天然si襯底的外延層這個限制被克服，我們可以調(diào)查硅自擴(kuò)散在很寬的溫度范圍內(nèi)（855至1388）8。退火的同位素結(jié)構(gòu)與生長在天然硅一28si外延層后用sims測量典型的si訪問被示于圖2的左側(cè)。溫度在si的自擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)性是準(zhǔn)確地描述幅度超過7訂單的4.76 ev的一個擴(kuò)散的活化焓8,9。這表明，在溫度硅自擴(kuò)散的依賴性不顯著的扭結(jié)。然而，這并不意味著只有一個機(jī)制介導(dǎo)的自擴(kuò)散而是一種機(jī)制主要見于研究的溫度范圍內(nèi)。30si的組成的28si的結(jié)構(gòu) 如圖2（左）的sims深度剖面富集生長的天然組合物的襯底上的外延層。配置文件進(jìn)行擴(kuò)散退火在1095，54

11、.5 h（正方形）和1153，19.5 h（圈子）后得到8。虛線是作為生長30si更新。 si的自擴(kuò)散系數(shù)，它示出了實驗數(shù)據(jù)（符號）與我們的結(jié)果阿侖尼烏斯型溫度依賴性（實線）相比，結(jié)果在文獻(xiàn)中給出（從8采取）（右）的阿列紐斯繪制。與自間隙原子和空位對si的擴(kuò)散，這是從鋅擴(kuò)散試驗10,11,12,13中獲得的個人捐款自擴(kuò)散數(shù)據(jù)的比較，證明了硅的擴(kuò)散主要受自間隙介導(dǎo)在該溫度范圍內(nèi)的影響。相對于自我擴(kuò)散的間質(zhì)性貢獻(xiàn)，職位空缺的貢獻(xiàn)隨溫度降低而增加，并接近在溫度低于1200 k時間質(zhì)性貢獻(xiàn)。以硅自擴(kuò)散的個人繳費可以進(jìn)一步分為原生缺陷的存在電荷態(tài)的貢獻(xiàn)。這是通過在同位素的多層結(jié)構(gòu)，其總結(jié)在后面的章節(jié)中自

12、我和摻雜劑擴(kuò)散的同時進(jìn)行分析來實現(xiàn)。自我原子和摻雜劑擴(kuò)散之間的干擾 同位素控制異質(zhì)結(jié)構(gòu)非常適合進(jìn)行調(diào)查的摻雜劑擴(kuò)散對自擴(kuò)散的影響。對于這些實驗，我們使用同位素的多層結(jié)構(gòu)，這使隨深度變化的自擴(kuò)散，這是由于摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)入該同位素結(jié)構(gòu)的測量。摻雜劑的濃度要超過本征載流子濃度的摻入使材料的外在。因此，費米能級偏移的位置，從而導(dǎo)致在帶電原生缺陷32的熱平衡濃度的變化。自營和摻雜原子的擴(kuò)散同步的精確建模不僅提供了更深入地了解擴(kuò)散的機(jī)制，而且所涉及的點缺陷的性質(zhì)。這些屬性包括點缺陷，他們的收費狀態(tài)和他們的自我擴(kuò)散貢獻(xiàn)的性質(zhì)。 在由10雙69gaas/71gaas層在gaas同位素結(jié)構(gòu)的zn擴(kuò)散進(jìn)行實驗來研究

13、雜質(zhì)引起的層無序化在其中發(fā)現(xiàn)了laidig等人33的iii-v族化合物半導(dǎo)體。zn和ga的擴(kuò)散分布，同時把二次離子質(zhì)譜的方法記錄下來，準(zhǔn)確地描述假設(shè)中性ga間隙和中性單正電荷的ga空穴參與的zn擴(kuò)散27。ga和zn的sims深度剖面和計算機(jī)模型擬合示于圖。對這種解釋的基礎(chǔ)上接近鋅型材表面糾結(jié)的觀察是ga空位控制的zn擴(kuò)散的結(jié)果。配置文件尾部是由中立ga間質(zhì)的擴(kuò)散而形成。因為底層的zn擴(kuò)散模型預(yù)測ga空缺貢獻(xiàn)ga擴(kuò)散超過總ga擴(kuò)散系數(shù)，鋅擴(kuò)散砷化鎵機(jī)制還不能準(zhǔn)確確定。新的實驗證實了中性的參與，也是單獨陽性嘎間隙28，因此通過雙重和三重正電嘎間隙34反駁鋅擴(kuò)散砷化鎵普遍接受的解釋。其他調(diào)查工作正在

14、執(zhí)行，當(dāng)前澄清zn kink-and-tail濃度分布扭結(jié)部分的來源。69ga（圓）圖3深度剖面;71ga（正方形）和鋅（+）測定sims鋅的砷化鎵異質(zhì)同位素的擴(kuò)散在666，180分鐘后。電活性鋅（）的以ecv紋的裝置測量的濃度示出用于比較。實線表示的zn和ga的擴(kuò)散的模擬。插圖顯示了整個鋅配置文件與穿透深度約2.3mm27。同時摻雜劑和自擴(kuò)散實驗，是在硅穩(wěn)定同位素異質(zhì)結(jié)構(gòu)的5交替對28si/nat.si執(zhí)行的。摻雜劑被注入通過引入一種無定形硅覆蓋層，從而防止改變平衡原生缺陷濃度的同位素構(gòu)成任何注入損傷。摻雜劑b 35,36，如36,37,38和p39進(jìn)行了研究，以確定本征缺陷和外在對（b）根據(jù)缺陷充電狀態(tài)負(fù)責(zé)擴(kuò)散si和n-（砷，磷）型條件。對于b，同時擴(kuò)散實驗產(chǎn)生中性介導(dǎo)踢出型擴(kuò)散機(jī)制和單正電荷的硅自間隙原子35,36。對于b，同時擴(kuò)散實驗產(chǎn)生中性介導(dǎo)踢出型擴(kuò)散機(jī)制和單正電荷的硅自間隙原子35,36。的作為和si的穩(wěn)定同位素異質(zhì)結(jié)構(gòu)的sims深度剖面，說明同時摻雜和穩(wěn)定同位素擴(kuò)散技術(shù)的能力的情節(jié)，是在圖4。在該圖3