直拉单晶硅中杂质和缺陷的行为:重掺杂和共掺杂的影响

摘要

直拉硅单晶是集成电路的基础材料，其根本原因是直拉硅单晶不可避免地含有氧杂质。一方面氧杂质具有提高硅单晶机械强度的作用;另一方面氧杂质原子在集成电路制造过程中会聚集形成氧沉淀并可能诱生二次缺陷，它们可发挥吸除有害金属沾污（内吸杂）的作用。因此，关于直拉硅单晶中氧沉淀的研究就成了非常重要的课题。氧的扩散是直拉硅单晶中氧沉淀的动力学条件，理解氧在硅中的扩散行为是研究氧沉淀的基础。经过几十年的研究，人们对轻掺直拉硅单晶中的氧扩散及其氧沉淀的理解已经非常充分。可是，对于电活性杂质的重掺以及非电活性杂质的共掺如何影响直拉硅单晶中的氧扩散和氧沉淀的研究还相当缺乏。本文通过实验和理论计算，重点研究了重掺磷(P)、硼(B)和共掺锡(Sn)对直拉硅单晶中的氧扩散和氧沉淀的影响规律。此外，还研究了重掺硼单晶中硼和点缺陷相互作用对电学性能的影响。通过上述研究，加深了对直拉硅单晶中杂质、氧和点缺陷之间的相互作用及其对氧扩散和氧沉淀影响的认识。本文取得的主要创新成果如下:
　　(1)利用第一性原理计算，分析了Sn共掺杂对直拉单晶硅中氧扩散的影响及其机理。发现间隙氧原子(Oi)扩散的势垒随着Sn掺杂引起的晶格常数的增加而线性增大;结构分析表明这是由于Si-O-Si键角和Si-O键长增大使Oi原子向Si-Si键中心移动，致使其在相邻Si-Si键间隙位跳跃时的势垒发生变化所致。能量分析表明Sn原子可以与空位结合形成SnV复合体并作为Oi的俘获中心，形成结合能为～2.26 eV的稳定SnVO复合体。根据计算结果可以推断高浓度Sn掺杂的单晶硅中的氧扩散将受到抑制，且这种抑制作用在低温时更为显著。
　　(2)研究了电阻率为～3 mΩ·cm的重掺B直拉单晶硅中的氧扩散行为。实验发现:该单晶硅中的氧扩散受到异常的抑制，其氧外扩散曲线无法被单个余误差函数拟合，而必须被两个余误差函数叠加拟合。根据拟合结果得到两个氧扩散激活能:一个值为2.40±0.05 eV，与轻掺硅的激活能接近;另一值为3.80±0.16 eV。第一性原理计算结果表明:间隙B(Bi)原子能够与Oi原子结合形成-Bi-Si-Oi-Si-Bi-闭环结构的B-O原子对。B-O原子对跨越一定势垒后能协同滚动迁移。这种B-O原子对的共扩散可能是重掺硼单晶硅中异常氧扩散的机制。
　　(3)利用第一性原理计算，研究了重掺P对直拉单晶硅中氧扩散的影响及其机理。发现P原子能够作为Oi的俘获中心，在其12个等价的第二近邻位上俘获Oi原子形成-P-Si-O-Si-结构的P-O原子对，根据P-O原子对结合能得到800-1100℃范围内Oi扩散势垒的增加值为～0.04-0.07 eV，与实验得到的～0.12 eV结果相近，表明上述P-O原子对的形成是重掺磷单晶硅中氧扩散被抑制的原因。
　　(4)研究了共掺Sn直拉硅中的氧沉淀和本征点缺陷。实验结果表明Sn对氧沉淀的影响因硅中空位浓度的不同而不同，即:当没有用快速热处理(RTP)注入空位或RTP温度低于1050℃时，Sn掺杂抑制氧沉淀;当RTP温度高于1050℃时，Sn掺杂促进氧沉淀。第一性原理结果表明:Sn一方面能够存储和释放空位，以“水库”的形式调节硅中的自由空位浓度;另一方面Sn能够俘获空位和VO等点缺陷复合体，并成为氧沉淀的异质形核中心。结合实验和计算结果，建立了Sn掺杂对直拉硅中氧沉淀影响机理的物理模型。
　　(5)研究了电阻率为～3 mΩ·cm的重掺B直拉单晶硅中的氧沉淀行为。实验发现电阻率为重掺B单晶硅中的氧沉淀行为显著不同于轻掺B单晶硅中的氧沉淀行为:重掺B单晶硅经过650℃短时形核处理，即可在后续高温热处理中形成高密度的氧沉淀;1200℃高温热处理无法完全消融原生氧沉淀，表明其原生氧沉淀具有较高的热稳定性。对氧沉淀的形貌、尺寸及氧沉淀形成后的应力进行分析后，结合第一性原理计算提出了有B原子参与形核和进行核心表面修饰的氧沉淀形核物理模型。此外，1200℃高温热处理后经过短时形核和高温长大热处理即可在重掺硼单晶硅内形成良好的洁净区并使之具有较强的内吸杂能力。
　　(6)研究了电阻率为～16 mΩ·cm的重掺B直拉单晶硅中的B在不同热处理中的电活性及其物理机制。实验发现:经过高温RTP后，部分B会失活且失活程度随RTP温度升高而增加;后续600-800℃热处理后失活的B会被逐渐重新激活，但300-500℃热处理后则会有更多的B失活。计算结果表明:B的失活是由B原子和自间隙硅原子(I)的相互作用导致的，即:B与RTP引入的I结合为BI原子对而失活。后续300-500℃处理时，BI原子对将克服～0.39 eV的势垒继续与B结合为B2I，导致更多的B失活;而600-800℃热处理时，BI和B2I将分别克服～1.03eV和0.95 eV的势垒而分解，释放出替代位B原子而使其恢复电活性。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 前言

1．1 研究背景和意义

1．2 研究目的

1．3 结构安排和内容提要

第二章 文献综述

2．1 引言

2．2 直拉单晶硅中的氧和本征点缺陷

2．2．1 直拉单晶硅的生长

2．2．2 直拉单晶硅中氧的基本性质

2．2．3 直拉单晶硅中本征点缺陷的基本性质

2．3 杂质与本征点缺陷的相互作用

2．3．1 杂质对硅中本征点缺陷形成的影响

2．3．2 杂质对硅中点缺陷复合体的影响

2．3．3 点缺陷对硅中杂质原子的影响

2．4 直拉单晶硅中的氧扩散

2．4．1 直拉单晶硅中的氧扩散机制

2．4．2 氧扩散的影响因素

2．5 直拉单晶硅中的氧沉淀

2．5．1 直拉单晶硅中氧沉淀的形成

2．5．2 高温快速热处理对氧沉淀的影响

2．5．3 杂质对氧沉淀形成的影响

第三章 实验样品和研究方法

3．1 实验样品及其制备

3．1．1 实验样品的基本参数

3．1．2 样品制备

3．2 研究方法

3．2．1 实验设备

3．2．2 测试设备和方法

3．2．3 第一性原理计算

第四章 重掺杂和共掺杂对直拉单晶硅中氧扩散的影响及其物理机制

4．1 引言

4．2 实验及计算方法

4．2．1 锡共掺杂对氧扩散影响的计算研究

4．2．2 重掺硼对氧扩散影响的实验和计算方法

4．2．3 重掺磷对氧扩散影响的计算方法

4．3 锡共掺杂对硅中氧扩散的影响

4．3．1 锡掺杂导致的晶格膨胀和晶格应力对氧扩散的影响

4．3．2 Sn-O之间相互作用对氧扩散的影响

4．4 重掺硼对硅中氧扩散的影响

4．4．1 重掺硼单晶硅中的异常氧扩散

4．4．2 重掺硼单晶硅中异常氧扩散机制的第一性原理研究

4．5 重掺磷对硅中氧扩散的影响机制的第一性原理研究

4．6 本章小结

第五章 共掺锡对直拉单晶硅中点缺陷及氧沉淀的影响

5．1 引言

5．2 实验及第一性原理计算方法

5．2．1 材料基本参数和样品制备

5．2．2 实验方法

5．2．3 第一性原理计算方法

5．3 共掺锡对直拉单晶硅中氧沉淀的影响的实验表征

5．3．1 共掺镉对直拉单晶硅中氧沉淀的影响

5．3．2 掺锡直拉单晶硅片的洁净区

5．3．3 共掺锡对硅中氧外扩散的影响

5．4 锡对硅中点缺陷产生和湮灭的影响

5．4．1 第一性原理计算中所用的原子模型

5．4．2 锡对空位形成能的影响

5．4．3 锡对自间隙硅原子形成能的影响

5．4．4 锡对空位-自间隙原子复合湮灭的影响

5．5 锡与硅中空位相关缺陷复合体的相互作用

5．5．1 锡对双空位及空位-氧复合体形成的影响

5．5．2 锡对空位相关复合体演化的影响

5．5．3 锡与空位相关复合体的结合能

5．6 锡对点缺陷及氧沉淀影响的物理模型

5．6．1 锡掺杂对点缺陷浓度的影响

5．6．2 锡相关复合体的演化

5．6．3 掺锡直拉单晶硅中氧沉淀的同质形核

5．6．4 掺锡直拉单晶硅中氧沉淀的异质形核

5．7 本章小结

第六章 重掺硼对直拉单晶硅中氧沉淀的影响

6．1 引言

6．2 实验及第一性原理计算方法

6．2．1 实验样品和实验方法

6．2．2 第一性原理计算

6．3 重掺硼单晶硅中氧沉淀的表征

6．3．1 SIRM在重掺硅硼单晶硅氧沉淀测量中的适用性

6．3．2 氧沉淀随形核时间的变化

6．3．3 氧沉淀随高温长大时间的变化

6．3．4 高温热处理对原生及后续氧沉淀的影响

6．4 重掺硼单晶硅中的氧沉淀的分析

6．4．1 重掺硼单晶硅形成氧沉淀后的应力分析

6．4．2 重掺硼单晶硅中氧沉淀的电镜分析

6．4．3 重掺硼单晶硅中形核温度下的氧扩散

6．5 重掺硼单晶硅中的氧沉淀形成机理讨论

6．5．1 重掺硼对氧沉淀形核的影响

6．5．2 重掺硼对硅中自间隙硅原子的影响

6．5．3 重掺硼单晶硅中氧沉淀形核模型

6．6 本章小结

第七章 重掺硼直拉单晶硅中硼的电活性

7．1 引言

7．2 实验及第一性原理计算方法

7．2．1 实验样品及方法

7．2．2 理论计算

7．3 高温快速热处理对B电活性的影响

7．3．1 RTP对重掺硼单晶硅中硼电活性的影响

7．3．2 共掺锗对重掺硼单晶硅中硼电活性的影响

7．4 常规热处理对B电活性的影响

7．5 点缺陷对重掺硼单晶硅中B电活性影响机理的第一性原理研究

7．6 本章小结

第八章 全文总结

参考文献

致谢

个人简介

攻读学位期间发表的学术论文