氮离子注入硅中氮及氮相关复合体的研究

摘要

氮杂质对硅单晶的性质有重要的影响，氮在硅中的性质、存在形态以及和相关缺陷作用机理一直为人们所研究。本论文通过氮离子注入的方法在单晶硅中掺入氮杂质，经RTP(Rapidthermalprocessing，快速热处理)处理后，利用FTIR(Fouriertransforminfraredspectroscopy，傅立叶变换红外光谱)，SRP(SpreadingResistanceProfiles，扩展电阻)，DBS(Dopplerbroadeningspectroscopy，正电子湮没多普勒展宽能谱)等手段对注氮硅中氮—空位复合体，氮—氧复合体，以及氮对硅单晶的电学性能的影响进行了研究。下面是本论文研究工作的主要内容，及其取得的主要成果： 1)利用FTIR对经不同温度的RTP处理的注氮硅片(CZ-Si和FZ-Si)进行分析，发现在经750℃～850℃的RTP处理后出现未曾报道的新的红外吸收峰。根据这些红外吸收峰的退火行为，对它们出现的原因做出了解释。并且，根据前人理论计算的结果进行了复合体结构的建模，通过计算机模拟，验证了在新出现的红外吸收峰中有与N2V2复合体对应的吸收峰。 2)利用SRP研究了不同温度RTP处理后的注氮硅片的电学性能的变化，结果表明随着RTP温度的升高，注氮的n-型硅片的近表面的扩展电阻不断减小，即载流子浓度不断的升高。由于替位态的氮在硅中是施主，因此认为随着RTP退火温度的升高，部分间隙位的氮不断向替代位氮转化，从而增加了硅中载流子的浓度。 3)利用DBS研究了不同温度的RTP处理后的注氮硅片中的空位浓度变化的情况。结果表明，随着RTP温度的升高，DBS中反映空位浓度变化的S参量不断的下降，这说明注氮硅中空位的浓度随着退火温度的升高而不断的降低。RTP温度升高到850℃时空位浓度下降得最多。结合红外光谱实验的结果，我们认为随着RTP温度的升高，空位不断地与氮原子相互作用而形成复合体。 4)利用FTIR研究了不同温度的RTP退火后，氮和氧同时注入的n-型FZ-Si中氮氧复合体的变化情况。FTIR结果表明，在450～850℃范围内，RTP温度升高氮氧复合体的红外吸收峰有先增强后减弱的趋势。450～650℃范围内，氮氧复合体红外吸收峰增强；RTP温度为650℃时，氮氧复合体的红外吸收峰最强；当RTP温度升高到750℃时，氮氧复合体的红外吸收峰消失。但在RTP温度650℃～750℃的范围内，氮对相关的红外吸收峰增强。氮氧复合体在RTP退火过程中消失后分解成间隙位的氮原子和氧原子。 5.将氮和氧同时注入n-型FZ-Si中，利用SRP研究了经650～950℃温度范围的RTP处理后，电学性能的变化情况。发现随着RTP退火温度的升高，硅片近表面的载流子浓度升高。结合FTIR图谱，我们认为在上述RTP处理过程中，虽然具有电活性的氮氧复合体被消除，但是一部分注入的氮在RTP的作用下不断的外扩散到硅片的近表面，并且部分转化为替位态氮，使施主浓度增加，载流子浓度升高。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章文献综述

§2.1引言

§2.2半导体硅材料

§2.3硅单晶的制备

2.3.1区熔法(Floating zone，FZ)

2.3.2直拉法(Czochralski,CZ)

§2.4硅中氮及氮氧复合体

2.4.1引言

2.4.2氮的引入

2.4.3氮的测量

2.4.4氮在硅单晶中的存在形态

2.4.5氮在硅中的溶解度及其扩散

2.4.6氮对单晶硅材料缺陷的影响

2.4.7氮氧复合体的热稳定性以及对硅片电学性能的影响

§2.5快速热处理(RTP)工艺

2.5.1 RTP的优点和在集成电路中的应用

2.5.2 RTP在硅中引入空位的机制

§2.6离子注入工艺

2.6.1离子注入系统

2.6.2注入离子在单晶硅中的分布

2.6.3单晶硅中离子注入损伤及其消除方法

第三章实验设备及其实验设计

§3.1实验设备

3.1.1离子注入机

3.1.2快速热处理炉(RTP)

3.1.3傅立叶变换红外光谱仪器(FTIR)

3.1.4正电子湮没多普勒展宽能谱(DBS)

3.1.5扩展电阻仪(SRP)

3.1.6四探针测试仪

3.1.7常规热处理炉

§3.2实验设计

§3.3样品的制备

第四章氮离子注入硅中氮行为的研究

§4.1前言

§4.2氮离子注入硅中氮-空位复合体的红外光谱研究

4.2.1实验样品

4.2.2实验步骤

4.2.3实验结果与讨论

§4.3 DBS研究经RTP处理的氮离子注入硅中空位的变化情况

4.3.1实验样品

4.3.2实验步骤

4.3.3实验结果与讨论

§4.4氮离子注入对硅单晶电学性能的影响

4.4.1实验样品

4.4.2实验步骤

4.4.3实验结果与讨论

§4.5本章小结

第五章氮氧同时注入硅单晶中氮氧复合体的RTP退火行为研究

§5.1前言

§5.2氮氧复合体的退火行为研究

5.2.1实验样品

5.2.2实验步骤

5.2.3实验结果与讨论

§5.3氮氧复合体的电学性能研究

5.3.1实验样品

5.3.2实验步骤

5.3.3实验结果与讨论

§5.4本章小结

第六章结论

参考文献

附录

致谢