硅材料中碳氧雜質(zhì)行為ppt課件

1、第一講 硅中雜質(zhì)的行為綜 述研討意義半導(dǎo)體的性質(zhì)在高純形狀下才干表達(dá)雜質(zhì)控制是半導(dǎo)體資料最重要的問題雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體資料和器件的性能產(chǎn)生決議性影響研討雜質(zhì)的性質(zhì)、分布、雜質(zhì)間的相互作用和對(duì)資料器件的影響硅資料中常見雜質(zhì)的來源非金屬：碳、氧、氮、氫 在多晶硅和單晶硅消費(fèi)中引入重金屬：鐵、鉻、錳、鈦、銅、金、銀、鉑 來源于原資料和器件制造過程污染摻雜元素：硼、鋁、磷、砷、銻、鋰 為了控制半導(dǎo)體的性能人為摻入雜質(zhì)在硅晶體中的存在方式l 雜質(zhì)原子可以處于晶格替代硅原子位置代位原子，或者晶格間的空隙位置間隙原子l 構(gòu)成原子團(tuán)沉淀，幾十到幾百埃l 構(gòu)成復(fù)合體：雜質(zhì)原子-空位，雜質(zhì)原子-位錯(cuò)，雜質(zhì)A-雜質(zhì)Bl

2、在硅的禁帶中引入能級(jí)：l 淺能級(jí)雜質(zhì)，深能級(jí)雜質(zhì)，電中性雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)l 雜質(zhì)的電離能較低，在導(dǎo)帶以下0.04 0.07eVl 人為參與硅資料，控制資料的導(dǎo)電性能l 例如P、As、Sb雜質(zhì)處于硅晶格位置，四個(gè)電子構(gòu)成共價(jià)鍵，一個(gè)多余的電子可以被激發(fā)到硅的導(dǎo)帶中，構(gòu)成電子導(dǎo)電，電離能：l P (0.044 eV)、As(0.049 eV) 、Sb(0.039 eV)l B、Al、Ga雜質(zhì)位于硅晶格，需求接受一個(gè)電子，在晶格中構(gòu)成空位，電離能：l B(0.045 eV)、Al(0.057 eV)、Ga(0.065 eV)深能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)施主能級(jí)間隔導(dǎo)帶低較遠(yuǎn)雜質(zhì)受主能級(jí)間隔價(jià)帶頂較遠(yuǎn)硅中的金屬雜質(zhì)通

3、常是深能級(jí)雜質(zhì)，且經(jīng)常有多個(gè)能級(jí)，既有施主能級(jí)，又有受主能級(jí)例如 Au: 施主0.35eV ， 受主0.54eVCu:受主0.52eV, 0.37eV, 0.24eVFe:施主0.55eV, 施主0.40eV EcEdEvEcEAEv硅的禁帶寬度1.12eV雜質(zhì)電離l 雜質(zhì)電離后獲得電子或空位載流子l 雜質(zhì)電離與溫度有關(guān)，與雜質(zhì)濃度有關(guān)l 完全電離時(shí)的載流子濃度 nl 輕摻雜時(shí)1011-1017cm-3室溫下資料中的雜質(zhì)可以全部電離)exp(kTEENNnFCCDND 電離雜質(zhì)濃度Nc 導(dǎo)帶有效態(tài)密度Ec 導(dǎo)帶底能級(jí)EF 費(fèi)米能級(jí)載流子遷移與硅資料電阻l 載流子在外加電場(chǎng)的作用下做漂移，平均漂

4、移速率Vl 根據(jù)電導(dǎo)定義，資料的電導(dǎo)率等于載流子濃度和載流子遷移速率之積l 因此電阻率EVE為電場(chǎng)強(qiáng)度為載流子遷移率nq11載流子濃度n每個(gè)載流子所帶電荷qnq載流子遷移與硅資料電阻載流子遷移主要遭到晶格散射和雜質(zhì)散射，對(duì)于較純的資料，室溫下主要是晶格散射；如右圖，溫度越高，晶格散射越明顯， (雜質(zhì)含量1014cm-3 )電子遷移速率較大載流子遷移率隨雜質(zhì)濃度升高而下降 -+室溫下硅的電阻率與載流子濃度多晶硅、單晶硅的消費(fèi)中經(jīng)常需求測(cè)試電阻率來控制產(chǎn)質(zhì)量量電阻率的測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單易行經(jīng)過電阻率可以換算成雜質(zhì)濃度但對(duì)于高補(bǔ)償資料慎用！輕摻雜硅資料電阻率與載流子濃度成反比雜質(zhì)補(bǔ)償假設(shè)晶體中同時(shí)存在

5、施主D和受主雜質(zhì)A，施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到受主雜質(zhì)能級(jí)上當(dāng)NDNA，半導(dǎo)體為n型，n = ND - NA當(dāng)NDNA，半導(dǎo)體為p型，n = NA ND當(dāng)ND=NA，施主與受主的作用抵消，電阻率很高，貌似高純半導(dǎo)體 EcEdEAEv“雜質(zhì)補(bǔ)償通常是負(fù)面作用雜質(zhì)補(bǔ)償硅中的金屬元素經(jīng)常在禁帶中引入多個(gè)雜質(zhì)能級(jí)，既有施主能級(jí)又有受主能級(jí)例如Au，在導(dǎo)帶下0.54eV處有受主能級(jí)，在價(jià)帶上0.35eV處有受主能級(jí)大多數(shù)情況兩個(gè)能級(jí)并不同時(shí)作用對(duì)于N型硅，電子較多，受主能級(jí)作用易構(gòu)成Au-對(duì)于P型硅，Au易釋放電子構(gòu)成Au+，施主能級(jí)作用無論對(duì)N型P型，Au使載流子減少，電阻率增大雜質(zhì)補(bǔ)償硅中的金屬通常作

6、為復(fù)合中心降低摻雜元素的作用，使資料的電阻率增大硅資料中的氧和碳氧和碳在硅中的存在方式對(duì)硅資料性能的影響硅資料允許的氧碳含量氧的來源硅中的氧來源于資料制備過程直拉硅單晶生長(zhǎng)中氧來自石英坩堝污染部分SiO蒸發(fā)，部分分解引入Si熔體，最終進(jìn)入硅晶體氧濃度遭到石英坩堝接觸面積、熔體對(duì)流強(qiáng)度、SiO從熔體外表蒸發(fā)速度的綜合影響硅熔點(diǎn)附近的氧平衡濃度可達(dá)2.75x1018cm-3，隨著溫度降低，氧的固溶度急劇下降，硅中的氧處于過飽和 520 x1017cm-3 OSiSiOSiOSiOSi22圖8.3硅中氧的固溶度隨溫度變化1300 1100 900 700氧的位置l 氧原子處于硅晶體的四面體間隙位置間

7、隙氧l 間隙氧本身時(shí)電中性雜質(zhì)，不影響硅的電學(xué)性能l 氧斷開硅原子構(gòu)成硅氧鍵-Si-O-Si-l 硅氧鍵有不同的振動(dòng)，在紅外光譜區(qū)域構(gòu)成吸收l 1203、1107、517、29.3 cm-1SiSiSiSiSiSiSiSiO氧的行為l 氧在硅中分散與溫度的關(guān)系極大：l 高溫有很高的分散速率：10-9-10-22 cm2/sl 在氧氣氛中熱處置硅資料時(shí)氧分散進(jìn)入晶體，也會(huì)從晶體中分散出去l 在后續(xù)工藝中構(gòu)成“氧施主引起資料電阻率的改動(dòng)l 或者一定溫度下熱處置睬構(gòu)成氧沉淀以及相關(guān)缺陷l 構(gòu)成“氧沉淀引起集成電路中的漏電，降低廢品率53. 2exp13. 0kTD圖8.5 氧的分散系數(shù)熱施主景象l

8、硅樣品在350-500溫度區(qū)間加熱后，N型電阻率下降，P型電阻率升高的景象l 最大值出如今450 l 間隙氧含量越大，熱施主產(chǎn)生的速率越快，熱施主到達(dá)的最大幅度越大l 構(gòu)成熱施主伴隨間隙氧濃度下降l 熱施主是雙施主 0.07eV 0.15eVl 550 以上熱處置可以消除“熱施主對(duì)熱施主解釋l 1954年Fuller發(fā)現(xiàn)熱施主以來，進(jìn)展了廣泛研討，提出多種模型SiO4, O-V,.l 分子氧模型有較好的解釋l 低溫退火時(shí)兩個(gè)氧原子組成一個(gè)雙原子氧復(fù)合體，像氧分子一樣，分子氧與原子氧存在動(dòng)態(tài)平衡l 分子氧在硅晶體中的分散激活能很低1.4eV，分散速度很快l 分子氧可以構(gòu)成雙重施主l 高溫下分子氧

9、被破壞4222OOOOOOii新施主l 硅樣品在550-800溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間加熱后，會(huì)出現(xiàn)新的和氧有關(guān)的施主景象l 新施主的構(gòu)成速率較慢，l 新施主與間隙氧的沉淀親密相關(guān)l 硅中的碳雜質(zhì)會(huì)促進(jìn)新施主構(gòu)成熱施主的危害使電阻率失真單晶硅錠頭部與尾部氧含量不同，呵斥電阻率馬鞍型分布，高溫退火后的消除熱施主效應(yīng)氧的測(cè)定Si-O-Si鍵在紅外光譜上構(gòu)成多個(gè)吸收峰強(qiáng)峰：(9um) 1 cm-1, ( 8um) 1203 cm-1, ( 19um) 517 cm-1其它峰：29.3 cm-1, 37.8 cm-1, 43.3 cm-1, 47.0 cm-1其中9um峰是最強(qiáng)峰，在室溫下位置是1107cm-1

10、含氧硅的紅外光譜圖氧的測(cè)定Kaiser，1956年發(fā)現(xiàn)紅外吸收光譜中1107cm-1吸收峰強(qiáng)度與間隙氧濃度呈線性關(guān)系C 轉(zhuǎn)換系數(shù)，取3.14 吸收系數(shù)，經(jīng)過下式計(jì)算I0 基線強(qiáng)度I 吸收峰強(qiáng)度d 樣品厚度cm)(10317maxcmCOiIId0ln1硅中間隙氧的紅外光譜峰變化紅外光譜法是測(cè)定硅中氧含量的常規(guī)方法紅外光譜測(cè)定氧的本卷須知紅外光譜測(cè)定的是間隙氧量，測(cè)定前需求對(duì)樣品高溫處置得到間隙氧由于硅的晶格吸收會(huì)呵斥1107cm-3附近峰重疊，需求用純真硅片做參比樣品樣品外表質(zhì)量影響測(cè)試精度，樣品需求雙面精細(xì)的機(jī)械和化學(xué)拋光后測(cè)試重?fù)诫s樣品有很大的吸收，不宜用紅外方法測(cè)試P型電阻大于0.2cm

11、.，N型大于1.0 cm. 硅資料中的碳碳雜質(zhì)來自原料，熔點(diǎn)時(shí)碳的溶解度3x1018 cm-3 ，固態(tài)中的溶解度為5.5x1017，單晶資料中普通控制在10155x1016 cm-3提拉單晶中的碳石墨托反響產(chǎn)生的CO溶于硅中：碳在硅晶體中處于替代硅原子的位置，由于碳原子半徑較小，引入晶格岐變碳是電中性雜質(zhì)，本身不引起資料導(dǎo)電性變化SiOSiOOCCOSiSiSiSiSiSiC碳雜質(zhì)的危害導(dǎo)致集電區(qū)內(nèi)構(gòu)成層錯(cuò)，降低P-N結(jié)的擊穿電壓，因此對(duì)大功率可控硅器件危害更大與氧共同作用，使雜質(zhì)對(duì)資料和器件性能的影響復(fù)雜化。抑制熱施主的構(gòu)成，但是促進(jìn)新施主成核碳氧同時(shí)存在時(shí)，成為氧沉淀的非均勻形核中心，影響

12、氧沉淀的形狀和臨界濃度，生成氧漩渦碳雜質(zhì)的危害在硅鑄錠上碳的微觀分布不均勻，用X射線成像技術(shù)可以察看到構(gòu)成碳條紋，緣由是代位碳導(dǎo)致資料晶格參數(shù)周期性變化，其應(yīng)力可以影響載流子濃度，產(chǎn)生電效應(yīng)碳條紋本身對(duì)電學(xué)性能的影響不明顯碳的測(cè)定Si-C鍵在紅外吸收光譜607 cm-1和1217 cm-1出現(xiàn)吸收峰607cm-1吸收峰強(qiáng)度與碳濃度呈線性關(guān)系C 轉(zhuǎn)換系數(shù)，300K丈量取1.1 78K丈量取4.0 吸收系數(shù)基線強(qiáng)度吸收峰強(qiáng)度樣品厚度cm)(10317maxcmCCidII0ln氧沉淀硅晶體中的氧是過飽和，處于亞穩(wěn)形狀，在適當(dāng)溫度下經(jīng)過分散、聚集，冷卻時(shí)脫溶成為有一定尺寸的富氧區(qū)例如含氧量為32pp

13、m的樣品B，假設(shè)在1050下熱處置到達(dá)平衡，將有24.5ppm的氧析出線段Sb氧沉淀是一個(gè)復(fù)雜的問題，涉及硅晶體中初始氧濃度，氧濃度分布，氧的存在形狀，以及碳、氮等雜質(zhì)分布還遭到熱處置溫度、時(shí)間、順序的影響氧沉淀氧沉淀時(shí)產(chǎn)生新的界面，添加界面能，誘發(fā)位錯(cuò)和層錯(cuò)氧沉淀時(shí)引起體積增大無定型片狀沉淀增大2.25倍，引起應(yīng)變能沉淀過程的動(dòng)力是體系自在能的降低，是一個(gè)形核、長(zhǎng)大過程，可以用相變熱力學(xué)描畫沉淀的均勻形核需求一定的過冷度，借助位錯(cuò)或者碳會(huì)出現(xiàn)非均勻形核低溫?zé)崽幹卯a(chǎn)生高密度的小沉淀 高溫?zé)崽幹卯a(chǎn)生低密度的大沉淀氧沉淀對(duì)資料和器件的影響對(duì)機(jī)械性能少量的間隙氧原子和微小的氧沉淀對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用，因

14、此提高資料的強(qiáng)度，減少硅片破損；在熱循環(huán)工藝中，硅片不易翹曲變形當(dāng)氧沉淀的數(shù)量過多，尺寸過大，誘發(fā)位錯(cuò)、層錯(cuò)，反而使硅片破損；在熱循環(huán)工藝中，硅片翹曲變形對(duì)電學(xué)性能構(gòu)成氧沉淀時(shí)誘發(fā)位錯(cuò)、層錯(cuò)等二次缺陷，呵斥短路、漏電，使器件的電學(xué)性能變壞氧的吸雜效應(yīng)構(gòu)成氧沉淀時(shí)誘發(fā)位錯(cuò)、層錯(cuò)等二次缺陷會(huì)吸引硅片外表的重金屬雜質(zhì)在缺陷處沉淀，在近表層得到無缺陷得干凈區(qū)，成為大規(guī)模集成電路的重要工藝，提高器件廢品率影響氧沉淀的要素1. 初始氧濃度氧濃度小于某個(gè)極限時(shí)，不產(chǎn)生氧沉淀氧濃度大于該極限時(shí)，大量產(chǎn)生氧沉淀初始氧濃度與氧沉淀量測(cè)定值影響氧沉淀的要素2. 晶體的原生形狀例如先生成的晶體頭部閱歷了熱處置過程，能

15、夠構(gòu)成氧沉淀3. 重?fù)诫s原子的影響硼促進(jìn)氧沉淀銻抑制氧沉淀4. 熱處置氣氛含氮氧化性氣氛促進(jìn)氧沉淀；純氧那么添加表層干凈區(qū)厚度；高純的氬氣、氮?dú)鉀]有影響影響氧沉淀的要素5. 熱處置條件退火溫度低溫退火：氧沉淀量少，大多數(shù)依然是間隙氧，沉淀密度較大但是中心極?。桓邷赝嘶穑?00氧沉淀量不大，氧沉淀密度迅速添加，很快趨于平衡，氧沉淀體積逐漸增大；0 退火可以消除原生氧沉淀；中溫退火：氧沉淀量大，氧的分散速度快，氧沉淀易長(zhǎng)大；低溫+高溫：促進(jìn)氧沉淀工藝，低溫大密度成核，高溫下利于長(zhǎng)大；氧沉淀的形狀l 低溫長(zhǎng)時(shí)間退火600-700構(gòu)成棒狀沉淀，截面數(shù)十納米，長(zhǎng)度可達(dá)微米，由柯石英相組成，在100晶面上

16、沿方向生長(zhǎng)氧沉淀的電鏡察看待定氧沉淀的形狀l 中溫退火700- 950 得到片狀沉淀，厚度1-4nm，邊長(zhǎng)30-50nm，由方石英相組成，沉淀在100晶面上中溫氧沉淀的電鏡察看氧沉淀的形狀l 高溫退火950-1300得到多面體沉淀，由無定形氧化硅構(gòu)成，15-20nml 實(shí)踐退火中能夠同時(shí)出現(xiàn)兩種以上形狀內(nèi)吸雜吸雜指在晶體的內(nèi)部或反面呵斥缺陷，吸引資料外表的雜質(zhì)在缺陷處沉淀，在外表得到無雜質(zhì)、無缺陷得干凈區(qū)內(nèi)吸雜是利用氧沉淀吸引雜質(zhì)內(nèi)吸雜工藝可以結(jié)合器件工藝進(jìn)展表示圖氧吸雜是現(xiàn)代大規(guī)模集成電路制造的有效技術(shù)手段氧吸雜工藝為了在硅資料內(nèi)部產(chǎn)生高密度的氧沉淀-位錯(cuò)復(fù)合體，吸雜工藝采用高溫-低溫-高溫三步退火在高于1150的氧氣氛中退火，使氧從外表向外分散，外表氧濃度等于平衡固溶度，控制得到10um的無氧區(qū)600750氮?dú)夥胀嘶?/p>