硅材料中氮的性质和研究浙江大学半导体材料研究所杨德仁摘要,氮在硅材扦中的应用日渐广泛影响也日渐重要,本文在论述晶体硅中氮的以基本性质的同时,综述了近年来氮在硅中的存在形态,氮讨硅机械强度的影响及和氧原子的互相作用等方面的研完成果,并指出了研究中仍然存在的一些问题一众所周知的机械强度“,,引言,近表层处,随后进行高温热处理或激光热处。‘理氧是硅中最主要的杂质元素由于适量的氧不仅能固定位错的移动,提高硅而且通过适宜的工艺,能在硅片,,使之形成,,绝缘埋层【,“而存在于晶体硅中的氮和氧杂质相似‘,对位错有着强烈的固定作用少量氮原子的存在可以使晶体硅它在区熔,的机械强度大为提高晶中的作用尤为明显,单内部产生氧沉淀内吸杂”对表面有源区的有害杂质有更何况,而且它和氧沉淀有着直效应,膜作为绝缘材所以硅中氧的研究,接的联系氛直拉,影响着硅材料的质量特别是氮气一料在器件制造中广泛运用及应用都很广泛发展,单晶工艺的成熟,使得氮对硅随时间的延长和集成技术的材料和器件的影响日益增大,引起了研究者对它的进一步重视氧的害处和局限性白益明显首先是要得到高集成度的,膜显得太其次,本文在论述硅中氮的性质的基础上,综述薄,击穿电压将成为严重的问题膜的质量‘硅中了氮在硅中的形态,氮对硅材料机械性能的的氧沉淀会影响,也会轻易地影响以及与氧沉淀的关系等方面的研究成果,产生位错特的性能,影响器件的质量和成品率,同时它因此,氮以其独,并指出今后研究的方向由于篇幅所限,还会造成硅片的弯曲等,离子注入氮和氮化硅膜的性质在其它地方介绍引起了研究者的关注氮在硅中性质的研究成为八十年代晶体硅材料研究中一个活跃的分支二,硅中氮的基本性质晶体硅中的氮主要有两方面的应用起绝缘层作用一是氮的来源一般来说,和硅或已氧化的硅反应,形成绝缘的氮化物,二是以各种形态存在于硅中,晶体硅中的氮来源于晶体生长,起着增加机械强度等作用硅化物和相比,作为绝缘材料,氮,时的掺杂对于区熔方法,,主要是在氢保护气有许多优越性,如对杂,氛中加入适量的氮气晶体生长时拉粉末,,使之和硅晶体作用,在‘质扩散有较高的势垒理,与电极反应较弱目前“氮原子逐渐溶入晶体,而对于直‘甸通过硅或己氧化的硅在氮气或氦气中热处来形成绝缘的硅氮氧化物或氮化硅,方法是在增涡中加入适量的或是在增涡内壁涂以涂层,也可也可采用离子注入技术,将氮离子注入硅片内以利用高纯氮气作保护气氛,在晶体生长© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net时,使氮原子进入晶体的纯氮气其实,氮气即使是,两个峰代表氮的含量图,一般认为这是并不会和硅熔液直接反应氮对的振动吸引峰高的信噪比,,由于“’吸收峰有较,只是在℃以上高温时,,氮气才和固体硅产,所以常用来测算硅中氮的含量生作用因此氮气实际上是先和接近熔点的多,它的检测极限约为‘因氮含量晶硅表面反应产生氮化硅膜熔入硅熔液中,最终进入硅晶体低于熔点一一一必须指出的是,进入硅晶体的氮含量一定℃时的溶解度,,—厂一一引否则会有。‘析出,浮在熔液面上无法使单晶形成︵艺称夺欣脚必动硅中氮的存在形式而且是成对出现,闪少一般认为氮原子是以替位形式出现在硅晶格中,,呈匀和,一的结构形态其浓度可以从别之”从’飞卜九乳、了红外光谱中测算氮原子能促进氧沉淀的角度出发子是处于替位位置原子和氧原子一样也证实氮原“欲铁图,么曰明加,但是”〕,也有人认为部分氮,,以间隙形态存在于硅中,硅中氮的红外吸收牵,对位错起着固定作用晶硅中,除此之外,在直拉单较低,样品测量时要双面抛光左右〔〕,‘尽量厚点,一由于氧杂质的大量存在,氮时常又以般在氮含量的计算公式为。其它形式出现,外光谱分析等人工‘通过低温红认为几个氮原子可和一个氧原子其中是一‘峰的吸收系数结合成一个复合体存在于晶体硅中硅中氮的主要参数熔点溶解度固溶度平衡分凝系数义’三硅中氮对机械强度的““’影响,在一定的热应力时硅中位错产生和滑移〕一‘的可能性取决于材料的机械强度,在光刻时,,扩散率或硅中氮的瀚且硅片的翘曲程度也取决于材料的机械强度此,故一提高硅材料的机械强度对提高器件的质量和产品率有重要意义八十年代初,硅中的氮含量很少,除了离子注入的氮浓就有人指出硅片的机械强度。,度可以用二次离子谱测量外子活性分析,一般都用电荷粒是由硅中氧杂质的状态和浓度所决定硅中的间隙氧能固定位错,认为,使位错难以滑移,和红外光潜分析从而提高了硅片的机械强度电荷粒子活性,这也是直拉单晶舔什么形态,的方法测量‘’,比区熔单晶有更高机械强度的原因其实,和分析可以测量硅中所有的含量无论它是氧原子一样的机械强度,氮原子也能固定位错因此区熔单晶时,,,提高硅片而红外光谱一般只能测出硅中氮对,,在保护气氛氢的含量,所以两者相比吕后者测出的浓度总要气中适当加入氮气使氮在晶体生长时进入硅图比前者少一点【晶体中,从而增加硅片的机械强度,是区在实际运用中红外分析是测量氮含量的熔单晶的初始位错密度和屈服应力的关系曲常规方法,红外光谱中的‘和‘线。说明了在一定位错密度时,掺氮硅片有着© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net,、,,,,,返屁、龙班、龟龟火︸护芝‘澎‘劝俩即以权侧城料做嘱均镶叹份例叼刀训、氏气电一子了。一、甲伙,吮众尹夕子犷成‘,初岌”鳍牡密铸图‘“少氛浓度,初始位错密度和最高屈服应力曲线,’更高的机械强度,也就肯定了氮原子对位错的固定作用,演载演“图的关系,’,,同时也说明温度较低时,氮原子的掺氮和非掺氮单晶压痕大小和氧浓度作用更为明显压痕实验也能证实氮原子对硅‘片的机械性能有增强作用【》,根据杂质气氛中释放位错的热激活理论旨育‘来研究氮浓度和硅片机械强度的关系两者之间是复杂的,,认为,可以推导出一个固定点和位错之间的作用。硅片的机械强度不仅取决对,于氮原子的浓度,也取决于氮原子的状态。辛,一其中于某一种状态的氮原子而言在浓度接近其溶。是波尔兹曼常数,是位错线上固定点解度极限时相似,,硅的机械强度最高,的数量时,。带是位错振动的频率,。是温度,总而言之,实验证明氮原子和硅中氧原子是位错从杂质气氛中释放的速率在能高硅片的机械强度,而且比氧原子的,选择适当的。和,便可以得出从相距一作用更加强烈以何种形式但作用的具体机理如氮原子个原子间距的固定点中释放位错的作用能为而实际的作用能在何种状态作用于位错,氧氮原子左右,这就说明对位错的不同作用能力是否就是化学活性的不同所引起的,如何控制氧氮含量而使硅片的机氮可能以原子团或含氮复合体的形式对位错起固定作用械强度达最大等等,,都值得进一步研究和探不仅区熔单晶如此量样品的压痕大小子的浓度,,在直拉单晶中氮也能,讨起着增加机械强度的作用强度不仅取决于氧的浓度图是不同氧氮含说明了掺单晶中的机械,四硅中氮氧原子的相互而主要取决于氮原,浓度低氧两个数量级的氮原子对作用氮叙复合体,位错的产生和移动有强烈的固定作用有趣的,是在区熔单晶中时,,含有和氮含量相仿的氧含量表明,在掺直拉单晶中存在于硅晶体中用首先在低温一氧原子和氮原子共同硅材料的机械强度却没有明显增加,它们之间有强烈的互相作子更加强烈,这可能是氧氮原子不同的化学活样浓度的氮原子对位错的固定能力比氧原黔动结合成复杂的复合体’等人,’红外光吸收实验中发现性所引起光谱之间有着对应于,复合近来,等人利用图像体的五条吸收线这些复合体都是单价的© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net施主中心,每条线有着不同的热稳定性有些线条会消失,,,在提也有实验认为氮原子对清洁区的影响不大此可见夕,由高温度后后些夕,从而也说明氮原此‘。氮和氧的关系远为复杂,,,氮的热处理子占据着硅的晶格点是处于替位位置夕,性质也有其特殊的地方杂质夕如何有效地控制氧氮恰当地设计热处,他们又进行了更仔细的研究,认为这了解氮的热处理性质,,复合体在工。。℃以上会消失得出通过氮氧理工艺努力得到适宜的表层清洁区满足大规模反应的化学速率方程分析的结合体复合体最集成电路生产的要求还有待研究者的进一步主要的形式是一个氧原子和两对或三对氮原子五,结语最近等人,,“〕利用低温红外吸收及扩展电阻等测量方法度时的退火施主的特征,通过在氮气氛中不同温一随着氮化硅氮氧化硅绝缘薄膜的应用离子注入氮技术的成熟夕氮保护气氛下直拉单晶进一步证实了复合体作为浅,并用有效质量理论加以阐述可工艺的研制成功,氮在硅晶体中的应用日益广惜至今尚无令人信服的理论和实验能说明复合体的具体微观结构近年来的研究表明泛氮对硅材料的质量起着越来越重要的影响氮的引入,给硅材料带来许多优越性因此,也带来人们迫,氮和氧沉淀的作用,了如促进氧沉淀等不利的因素,,氮原子对氧沉淀有着”’切希望了解硅中氮的性质和热处理行为通过促进作用后夕和,,利用掺对氮在硅中的存在形态以及与氧杂质互相作用的具体机理的了解,和普通的直拉单晶经过不同的热循环处理发现掺单晶的,设计适当的生产工艺,,正比较两者清洁区的大小确认识和控制氧氮杂质的含量和状态信在材料工作者的努力下果出现使氮对,清洁区宽度很小说明氧原子外扩散形成清洁硅材料和器件的质量起着更为有益的作用,相区时,氮原子的扩散系数小,难以扩散夕从而诱发会有更多的研究成留在硅片表层附近了氧沉淀的产生证实,在随后的热处理时,夕最近吕军等人,’“了的实验感谢网端麟教授益指导和启发工〕〔姚鸿年教授对本文的有资在℃低温退火时,,红外吸收峰逐渐间隙氧的含量也‘下降,最后消失与此同时参考料。。主逐步下降在高温退火时也有此现象出现,〔亡。至由此可以断定氮原子参与氧沉淀的成核和长皿大一了氮原子对氧沉淀的促进作用的作用机制位置,,有两种可能,〔幻一是氮原子在硅晶格中处于替位,由于其半径较小,仅有,造成点〔〕玉。刀阵收缩吸引间隙氧原子于此偏聚,也成为氧〔〕主沉淀的核心下,对氧沉淀有促进作用,二是氮原〔〕子能使原生单晶的微缺陷稳定,尤其在高温也不会轻易溶解,从而为氧沉淀提供更多,入。逮的核心也降低了氧沉淀所需氧浓度的闭值,〔〕。功。。亡,最近下降经,祁明维等人‘的实验提出一‘直拉,〔〕。单晶中的氮对含量在低温即红外光谱中。,℃热处理后明显工一峰强度下降但,,〔〕了。℃加热小时后氮对含量又有所上升下转第页© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图是栅源电容时栅偏压恒定。来验证,。随,。变化关系。,测试,一在这个偏压下二情报编辑部〔〕年口沟道已全耗尽这一点可以在随夕。时因,。。工。有所上升也随。输出这一结〔〕。、泛生电流非饱和表明‘。而上升生果是常规测试无法得到的〔〕黄树新《半导体伎术》艺年第期,。单〔〕张晓明王因生《固沐电子学研完与进展弟参考资料卷第期〔幻《电力电子器件一一静电感应晶体管和晶闸管》半导体一种研究单晶硅加工表面微裂纹的新方法尺公司制造的人们研究微裂纹的方法都是对已加工的低速敞型切割片表面进行必要的处理下观察,然后才能在显微镜,机切割试样切割机所用的金刚石砂轮片的转切割完后对,片表面进行处理不仅繁锁也极易失败,而且速和所加的载荷都是可以调节的,容易失真即看不到微裂纹本在丙酮液中浸泡数小时将两片分开清沈,然文介绍一种极为方便而且不失真的研究微裂纹的方法,克服了传统的研究微裂纹的不足之后在显微镜下对靠近被切害面的边缘进行观察处实验结果实验方法片在金相显微镜下,,显微裂请楚地看到了若,取两片单晶分别将两,片的一面进纹,证实了前人的实验事实从实验结果可以,行研磨整腐蚀和抛光处理使它各具有一个完看出微裂纹的方向不是任急的共有一定的方光亮的表面将这两片片以完整面对完向性整面用胶水粘合起来然后用美国浙江火宇姜菊生姚鸿生上接第。〕〔页工工了〔万二〕吕军等第六居全国半导沐柒戈屯路二卞丁科学术会议〔〕之了。论文集武汉,年页玉导〔〕祁明维谭淞上朱斌等第六局全国半手沐集成甩〔〕五王。路硅材料学术会议论文集武汉。年页© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
