高能粒子辐照单晶硅辐照效应的研究

摘要

超大规模集成电路的高速发展对硅单晶材料提出了越来越严格的要求，控制和消除直拉硅中的微缺陷是硅材料发展面临的最关键问题。研究单晶硅的高能粒子辐照效应、开发新的辐照吸杂工艺具有重要的理论意义和实用价值，是目前和今后国际硅材料界重要的研究领域之一。本文主要通过高能粒子（快中子、电子）对单晶硅材料进行辐照，人为引入缺陷，实现控制缺陷、利用缺陷的目的，这也是目前硅材料研究的热点。通过对硅中的辐照缺陷的形成、存在状态、转化规律和辐照对氧沉淀及本征吸除效应所产生的影响的系统研究，得到一系列有价值的研究结果： 1）快中子辐照对单晶硅电学性能产生较大影响。快中子辐照在硅中引入的具有电活性的缺陷使硅的电阻率发生巨大变化，经450 ℃退火后辐照硅会在禁带中引入多个受主能级；650 ℃以上退火后单晶硅中四空位型缺陷很快消失，导电类型开始恢复；通过预热处理，可减缓或抑制辐照单晶硅中热施主的形成。随着辐照剂量的增加，对热施主的抑制作用加强。 2）快中子辐照使硅中氧沉淀的速度明显加快。经快中子辐照后，硅中间隙氧含量显著下降；主要辐照缺陷VO 经200 ℃退火消失，转化为V2O 以及O-V-O等体积较大的复合体；硅中氧含量较低时，双空位型缺陷在低温退火时，相互链接成链状，当氧含量较高时，双空位通过捕获VO，形成V3O等复合体；经高温（1100 ℃）退火后，氧沉淀迅速形成并长大，大剂量辐照样品，退火后球状氧沉淀、八面体氧沉淀以及盘状氧沉淀开始出现，快速热处理结果表明，高速降温有助于氧沉淀的形成。 3）快中子辐照及快速热处理加速了掺氮直拉硅清洁区的形成。掺氮直拉硅在1100 ℃/10 h 退火形成较好的清洁区，退火后体内缺陷密度的变化同间隙氧含量的变化相对应；高温快速热处理后，快中子辐照掺氮单晶硅中间隙氧含量上升，辐照剂量越大，间隙氧含量上升幅度越大；快速热处理的降温速率影响氮氧复合体的生成，高的降温速率有助于氮氧复合体的生成，但同时会降低清洁区的宽度。 4）单晶硅经电子辐照后其电学性能发生较大变化，也对清洁区的形成产生影响。研究发现随电子辐照剂量的增加，间隙氧含量逐渐降低，VO 复合体含量逐渐增多；400 ℃退火初期形成VO2 复合体，强度受初始氧含量影响；电子辐照后电阻率随辐照剂量的增加而增加，少子寿命和载流子浓度随之下降，这些变化随后期退火温度的升高逐渐恢复；经快速热处理后，再一步高温退火可形成一定宽度的清洁区，快速热处理的温度及降温速率对清洁区宽度有明显影响。