（材料物理与化学专业论文）集成电路用直拉单晶硅力学性能.pdf

浙江大学博士学位论文 f h 。同时，还首次指出氮原子对断裂过程可能产生的影响和原因：并首次报导了硅单 一仙 【1 2 ) i n f i l 2 ) 晶向的断裂特征。而在高温下，则最先通过室温引入位错、 高温热处理使位错移动的方法指出直拉硅单晶中氮杂质对位错滑移的强烈钉扎作用。 面且，通过对经过不同热处理工艺的硅片中应力分布的测试，最先结合硅中杂质沉淀 物和微缺陷的分布分析了硅片中应力分步产生的原因。 本文利用室温下的压痕和三点弯测试，发现杂质原子的存在对硅单晶的力学特性 产生了直接的影响。f 压痕实验指出，氮原子的存在能够增加硅单晶的硬度，而重掺硼 ， 原子也起到同样的作用；与之相反的是，重掺锑则使硅单晶的硬度降低。我们认为， 氮和重掺杂的硼原子对压痕下的位错具有强烈的钉扎作用，从而使硬度升高，而重掺 锑则改变了能带结构，使其理想张应力降低，表现出硬度的下降。而室温下的三点弯 测试则表明，含氮直拉硅单晶具有比普通直拉硅单晶高的断裂强度。这主要是由于氮 原子的引入可能改变了表面的能级态，并在硅单晶中形成了高密度的小尺寸的沉淀物， 从而改变了裂纹的扩展过程，外在的表现为接触和断裂强度的增加。同时，通过三点 弯实验我们首次给出了起始裂纹在 1 1 2 和( 1 1 2 晶向的硅单晶的断裂路 径。而高温实验中，我们发现，由于氮原子本身和其高密度的小尺寸的沉淀物的强烈 的钉扎位错作用，位错的激活能被提高，使含氮硅单晶的力学强度也相应的提高。同 时重掺硼硅单晶的硼原子在1 0 5 0 时也有对位错的强烈钉扎作用。我们也对原生和 热处理后含氮和普通硅单晶的晶片的翘曲度和氧沉淀量做了对比研究；发现含氮硅单 品在7 5 0 6 小时预处理，1 1 5 0 热处理1 8 小时后，翘曲度和氧沉淀量有异常变化。 ，一、， 而对这些经不同热处理工艺处理的硅片的应力分布的扫描，则发现应力分布与沉淀物 和位错的分布有相应的关系。 总之，硅单晶力学特性，特别是杂质原子对硅单晶材料不同力学过程所起的影响 作用的研究对改善半导体硅材料质量，使其能更好的应用于u l s i 、m e i s 等工业领域中 起着重要作用。而通过对含氮硅单晶力学性能的研究，理解氮杂质在硅单晶材料不同 j 学过程中所产生的影响，将对我国开发具有自主知识产权的优质超大规模集成电路 川硅材料具有很大的推动作用。 堕堡盛皇堕旦查垫壁望曼垄望丝丝 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a ls i l i c o nh a sp l a y e dt h ec e n t e rr o l ei ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y s i n c et h ei n v e n t i o no ft r a n s i s t o r i tm a d et h ea d v a n c e de l e c t r o n i ci n d u s t r yaf i r mt e c h n o l o g y a n dm a t e r i a lb a s ea l t h o u g ho t h e rs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sh a v eb e e nd e v e l o p e dm u c ha n d h a v eb e t t e r o p t o e l e c t r o n i c a lp r o p e n yt h a ns i l i c o n ，t h e s i l i c o nm a t e r i a lw i l ls t i l lb et h e d o m i n a n tm a t e r i a li ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yi nn e x tt w od e c a d e s t h u s ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fs i l i c o nm a t e r i a lw i l lh a v eg r e a ti n f l u e n c eo n t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n d s o c i e t y s i l i c o ni sac l a s s i cb r i t t l em a t e r i a l ( i ，e ，h a sai o wf r a c t u r et o u g h n e s s ) a tr o o m t e m p e r a t u r e i ti s1 i n e a re l a s t i c u n t i l c a t a s t r o p h i c f r a c t u r e ，a n d i t sf r a c t u r ei sn o t d e t e r m i n i s t i c a l l yp r e d i c t a b l ed u r i n gt h ef a b r i c a t i o no fs i l i c o nw a f e r sa n dd e v i c e s ，i f t h e a p p l i e dt e n s i l es t r e s s e se x c e e dt h ep r o b a b i l i s t i ct e n s i l es t r e n g t ho fs i l i c o n ( 1 i m i t i n gb yt h e p r e s e n c eo fp r e e x i s t i n gf l a w s ) ，t h e nf a i l u r ew i l lo c c u r w i t ht h en a r r o w i n go ft h ed e s i g n r u l e so fu l s id e v i c e sa n dt h ei n c r e a s i n go fw a f e rd i a m e t e r , m a i n t a i n i n gt h em e c h a n i c a l s t r e n g t ho fs i l i c o nw a f e r sb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si nd e v i c ef a b r i c a t i o n p r o c e s s e s f u r t h e r m o r e ，t h el o wd e n s i t yo f d i s l o c a t i o n st y p i c a lo ft h es i l i c o ns i n g l ec r y s t a l m a k e si t p o s s i b l et oi n v e s t i g a t et h e m e c h a n i s mi n d i v i d u a ld i s l o c a t i o n sm e d i a t ef r a c t u r e m e c h a n i s m s t h u s ，t h ei n v e s t i g a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs i l i c o n w i l l b r i n gg r e a t i m p o r t a n c en o to n l y t oo u ru n d e r s t a n d i n go ft h ef u n d a m e n t a la s p e c t so f t h ef r a c t u r ep r o c e s s i t s e l f , b u ta l s ot ot h ea p p l i c a t i o no fc r y s t a ls i l i c o na n dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c a l i n d u s t r y h o w e v e r ，t h er e s e a r c hh a sm a i n l yb e e nf o c u s e do n t h ee l e c t r o n i c a lp r o p e r t yo fs i l i c o n m a t e r i a lt h eo t h e r p r o p e r t i e sr e l a t e dt ot h ea p p l i c a t i o n o f s i l i c o n ，e s p e c i a l l yt h ee f f e c to f t h e i m p u r i t i e so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , a r es e l d o mc o n c e m e d t h u s ，w ef i r s t l yr e p o s e dt h e e f f e c to fi m p u r i t i e si ns i l i c o no nt h eh a r d n e s sa n dc r a c kp r o p a g a t i n g ，a sw e l la st h ef r a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h ei n i t i a jc r a c ko nt h eo r i e n t a t i o no f 1 1 2 a n d 1 1 2 i t w a se s p e c i a l l yi n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h en i t r o g e ni m p u r i t yo nt h ef r a c t u r ep r o c e s sa t r o o mt e m p e r a t u r e m e a n w h i l e ，t h es t r o n gp i n n i n ge f f e c to fn i t r o g e na sw e l la st h eh e a v y d o p e db o r o ni m p u r i t yo nt h ed i s l o c a t i o n sw a so b s e r v e da th i g ht e m p e r a t u r e s a tl a s t ，t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o no nw h o l ew a f e r sw a sa n a l y z e dr e l a t e dt ot h ed i s t r i b u t a r i e so fo x y g e n p r e c i p i t a t i o na n d d i s l o c a t i o n sa tf i r s tt i m e i nt h i sp a p e r ，t h ec o n t a c td a m a g ea n dt h ef r a c t u r ep r o p e r t yo fs i l i c o ns i n g l ec r y s t a lw e r e i n v e s t i g a t e da tr o o mt e m p e r a t u r eb yi n d e n t a t i o na n d3 - p o i n tb e n d i n g i tw a sf i r s tt i m et o f b c u so nt h ei n f l u e n c eo ft h ei n t e n d e da n du n i n t e n d e di m p u r i t i e st of r a c t u r ep r o c e s s e sa n d p r o p a g a t i o n o ff r a c t u r e t i p s a l s o ，a th i g ht e m p e r a t u r e s t h eb e h a v i o ro fd i s l o c a t i o n si n s i l i c o ns i n g l ec r y s t a la n di t si n t e r a c t i o nw i t hi m p u r i t i e sw a sd i s c u s s e dt o o i tw a sf o u n dt h a t t h ec o n t a c td a m a g ew a sr e l a t e dt ot h ec r y s t a ll a t t i c eo r i e n t a t i o na n i s o t r o p ya n dt h ed o p e d 浙江大学博士学位论文 h n p u r i t i e s t h ed a m a g ef r a c t u r e sp r o p a g a t e dp r e f e r e n t i a l l yo nt h e o r i e n t a t i o n a l s o t h ed o p e d n i t r o g e na sw e l la st h eh e a v yd o p e db o r o n a t o m si n c r e a s e dt h eh a r d n e s s o nt h e c o n t r a r y ，t h eh e a v yd o p e da n t i m o n ym o m sw o u l dd e c r e a s e t h eh a r d n e s s m o r e o v e r , t h e n i t r o g e na t o mi n c r e a s e dt h ef r a c t u r es t r e n g t h t h en i t r o g e na t o mm a yc h a n g et h es h o c k l e y b a n do fs i l i c o ns u r f a c ea n df o r mc o m p l e x e st oi n f l u e n c eo nt h ef r a c t u r ep r o c e d u r e t h u st h e d i s s i p a t i o ne n e r g yd u r i n gt h ef r a c t u r ep r o c e d u r ei n c r e a s e da n dl e dt oh i g hf r a c t u r es t r e n g t h o nt h eo t h e rh a n d ，t h en i t r o g e nr e l a t e dc o m p l e x e sa n dn i t r o g e na t o mi t s e l fp i n n e dt h e d i s l o c a t i o n se f f i c i e n t l ya n de n h a n c e dt h ea c t i v ee n e r g yo fd i s l o c a t i o n sa th i g ht e m p e r a t u r e s t h e r e f o r e ，t h en i t r o g e nd o p e ds i l i c o ns h o w e db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y b yu s i n gt h es d 5 0 l a s e rs t r e s si n s t r u m e n t ，t h es t r e s si nw a f e r sw a s p a t t e r n e da n dg i v e na ne x p l a n a t i o nr e l a t e d t o t h eo x y g e n p r e c i p i t a t i o n sa n d d i s l o c a t i o n s i ns h o r t ，t h eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs i l i c o nm a k e sb e t t e r u s eo ft h es i l i c o nm a t e r i a lt ou l s ia n dm e m s i n d u s t r y a l s ot h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no n t h e n i t r o g e n - d o p e ds i l i c o n ，i t w i l l g r e a t l y a d v a n c et h e d e v e l o p m e n t o fo u rn a t i o n a l i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo ft h es i l i c o nm a t e r i a lu s e df o ru l s i a 镊多集成电路用直拉硅单晶力学性能 第1 章文献综述 硅材料是微电子工业的基础，其机械强度性能对材料和集成电路及其它器件会产 生重要影响。众所周知，单晶硅材料在室温下属于硬脆性材料。只有温度 t 0 5 t 。( t 。= 1 6 9 0 k ，硅的熔点) 时，硅单晶才具有弹塑性，其内部存在的位错才开始移 动或攀移。而常温时，在外力作用下，单晶硅中很难产生位错和进行位错的移动。但 是，由于硅单晶抗拉应力远大于抗剪应力，因此，在切割、研磨和机械抛光等加工工 艺过程中，硅材料由于承受剪切应力而易于产生破碎现象，影响生产的成品率。 同样，在i c 工艺中，硅片亦要经历不同的热处理过程，这必然会在硅片中产生热 应力，使硅片产生翘曲，使光刻图形套刻的精度下降；并加速位错滑移，产生各类结 构缺陷，甚至使硅片破裂。而随着i c 用硅片直径的不断增大，上述情况将更趋严重。 同时，硅片背损伤吸杂亦在生产中经常使用，由此产生的后果是硅片本身就具有微裂 纹，易于脆断或自然解理断裂，影响下一步加工处理。 再者，对微电子机械系统( m e m s ) 来言，硅材料和硅器件的机械可靠性也是器 件制造和使用中所关注的问题。微机械加工的硅器件可能会处于复杂的应力状态，从 而使其断裂或性能失效。因而，当硅材料像功能材料一样应用于m e m s 中时，了解其 力学限制和强度对处于复杂多变的m e m s ( 如温度传感器、麦克风、应力传感器和化 学传感器等) 是极为必要的。 进而，随着断裂物理近年来发展成为一个科学的领域，同时也由于半导体材料在 低温和高温条件下的不同断裂表现，研究者开始认识到材料断裂过程的一些基本物理 和化学性质可以使用半导体材料来研究。更进一步而言，半导体材料的低位错密度( 尤 其是单晶硅材料) ，使它有可能用来研究单个位错对断裂机制的影响。 因此，尽管半导体材料的电学和光学性能一直是研究的主题和兴趣所在，但对半 导体的断裂机制的理解则会对半导体器件结构设计和半导体工艺等过程起到指导作 j 。在低温下( 低于脆塑转变温度( b t d ) ) 时，材料加工、器件制造和封装运输过程 l f 】引入的应力只能被蠕变、类似于金属的原子迁移或半导体材料自身的断裂所释放。 浙江大学博士学位论文 在高温时，这种断裂则不会发生，但是，应力将会以产生位错，继而在台阶、沟槽等 啦力集中处产生塑性变形的形式被释放。这类行为会对电子器件、光电子器件( 位错 会产生复合中心) 以及近年来极为活跃的微机械器件产生重要的影响。由于硅的力学 性能对材料和器件有着重要的影响，国际上从5 0 年代就开始从事该方面的研究。但是， 、 导体工业中使用硅材料是脆性材料，且为单晶体，因此，对其机械性能的研究有一 定困难。不象对其它工程材料，有着完善的测试手段和研究依据，所以，对单晶硅的 研究多借鉴脆性材料( 如陶瓷等) 的研究方法，如用高温拉伸性能、抗弯强度、硬度等 来表征其机械性能。在近十年来，尤其是由于微机械电子系统的兴起，该领域研究又 有了新的进展。在这些基础上，本章综述了单晶硅的脆性断裂、脆塑转变和塑性变形 方面的研究；并对显微硬度用于硅单晶力学性能的研究也做了阐述，同时还探讨了该 领域所存在的问题。 1 1 单晶硅的力学常数及相应性能 硅材料的共价键特性决定了硅晶体必然为金刚石结构，也决定了硅晶体的力学特 肚。表卜1 给出了常见半导体的一些力学常数。从中可见，硅的弹性模量、剪切系数 ( 即c , , - c ，。) 及劲度系数较大，表明硅的抗拉和剪切性能同其他半导体材料相比较好。 但与其他种类的材料相比，其力学性能趋于脆性材料。 表l l 常见半导体力学常数 | 品格常数体弹性横量c c 0c “+键距键麓扭曲常数 ( a )( 1 0 ”n m 2 )( 1 0 1 0 n 一)( 1 0 l m 。)( 1 0 1 0 n m 2 )c a )( e v )( 1 0 ”n m 2 ) s i5 4 3 l9 9 2 31 6 7 7 2 6 4 9 88 0 3 6 2 3 5 22 3 20 5 4 l c4 4 2 2 71 0 7 6 41 2 5 2 05 7 5 7 01 5 4- 3 6 80 1 4 2 ig e5 6 57 6 5 31 3 1 1 24 9 2 36 8 1 62 4 51 9 40 5 0 6 ig a a s5 6 4 27 6 9 01 2 1 l5 4 86 0 42 4 4 81 _ 6 30 4 5 6 i i n p7 2 4 71 0 2 2 05 7 6 04 6 0 02 5 4 11 7 40 5 2 2 g a p9 1 4 31 4 3 9 0 6 5 2 04 0 7 62 3 6 01 7 80 4 5 3 劲度常数( 杨氏模量) 浙江大学博士学位论文 在高温时，这种断裂则不会发生，但是，应力将会以产生位错，继而在台阶、沟槽等 啦力集中处产生塑性变形的形式被释放。这类行为会对电子器件、光电子器件( 位错 会产生复合中心) 以及近年来极为活跃的微机械器件产生重要的影响。由于硅的力学 性能对材料和器件有着重要的影响，国际上从5 0 年代就开始从事该方面的研究。但是， 、 导体工业中使用硅材料是脆性材料，且为单晶体，因此，对其机械性能的研究有一 定困难。不象对其它工程材料，有着完善的测试手段和研究依据，所以，对单晶硅的 研究多借鉴脆性材料( 如陶瓷等) 的研究方法，如用高温拉伸性能、抗弯强度、硬度等 来表征其机械性能。在近十年来，尤其是由于微机械电子系统的兴起，该领域研究又 有了新的进展。在这些基础上，本章综述了单晶硅的脆性断裂、脆塑转变和塑性变形 方面的研究；并对显微硬度用于硅单晶力学性能的研究也做了阐述，同时还探讨了该 领域所存在的问题。 1 1 单晶硅的力学常数及相应性能 硅材料的共价键特性决定了硅晶体必然为金刚石结构，也决定了硅晶体的力学特 肚。表卜1 给出了常见半导体的一些力学常数。从中可见，硅的弹性模量、剪切系数 ( 即c , , - c ，。) 及劲度系数较大，表明硅的抗拉和剪切性能同其他半导体材料相比较好。 但与其他种类的材料相比，其力学性能趋于脆性材料。 表l l 常见半导体力学常数 | 品格常数体弹性横量c c 0c “+键距键麓扭曲常数 ( a )( 1 0 ”n m 2 )( 1 0 1 0 n 一)( 1 0 l m 。)( 1 0 1 0 n m 2 )c a )( e v )( 1 0 ”n m 2 ) s i5 4 3 l9 9 2 31 6 7 7 2 6 4 9 88 0 3 6 2 3 5 22 3 20 5 4 l c4 4 2 2 71 0 7 6 41 2 5 2 05 7 5 7 01 5 4- 3 6 80 1 4 2 ig e5 6 57 6 5 31 3 1 1 24 9 2 36 8 1 62 4 51 9 40 5 0 6 ig a a s5 6 4 27 6 9 01 2 1 l5 4 86 0 42 4 4 81 _ 6 30 4 5 6 i i n p7 2 4 71 0 2 2 05 7 6 04 6 0 02 5 4 11 7 40 5 2 2 g a p9 1 4 31 4 3 9 0 6 5 2 04 0 7 62 3 6 01 7 80 4 5 3 劲度常数( 杨氏模量) f 、 恁多集成电路用直拉硅单晶力学性能 表卜2 给出了单晶硅的p e i e r l s 应力和实验硬度等数据。可见，硅单晶的p e i e r l s 势垒很大，使位错难以在常温下滑移，造成了其硬度很高，但韧性差的特点。 表卜2 单晶硅的p e i e r l s 应力和实验硬度 l u bh nh h p + h i 。t h “o ( e ( 1 【g m m )( k g r a m )( k g ，m m 。)( k g j m m 2 )( k g j r a m 。) s i 5 9 53 4 3 02 8 61 0 9 81 3 8 4 1 3 7 0 表中u 。位错芯处的键，bp e i e r l s 剪切应力，h ，为p e i e r l s 势垒对硬度的作用，h 。压 痕硬度，h 。+ h j 。晶体的表现硬度，h 。硅单晶实验硬度。 1 2 硅单晶的断裂 1 2 1 裂纹扩展：断裂力学 a ) 理论解理强度 尽管半导体材料的( 事实上是任何固体的) 理论解理强度从未被达到过，但计算 理论解理强度的一个相当简单的模型则为我们透视影响断裂韧性的材料参数提供了机 会。0 r o w a n l 在1 9 4 9 年假设将晶体严格沿其解理面分开所需的应力可以通过如下简单 的关系得到： ：j 生 vd 公式中为理论解理强度，e 为弹性模量，y 为表面能，a 为晶格间距。 尽管可能会有更为复杂的形式，但公式1 1 已经足以表达材料的解理断裂强度了。 不过，对于半导体材料的实际强度而言，我们应该认识到，测量所得的值是在存在裂 纹或其它的应力集中的情况下得到的。因而，对于硅晶须，p e a s o n2 曾测得解理强度为 5 g p a ，而j o h a n s s o n3 则得到了1 0 0 p a 的高强度，但s m h u 4 对经硅胶抛光的硅片的测 a 集成电路用直拉硅单晶力学性能 1 3 硅单晶的塑性变形 半导体材料的塑性变形特性在过去的四十年中被广泛的进行了研究。而这一领域 的研究意义有两方面：其一是要了解在晶体生长过程和器件制造过程中位错的产生和 增殖机制，这对于实际生产尤为重要：另一方面就是如何从宏观的位错特性得出宏观 的塑性形变行为的基本物理问题，在这一领域中半导体材料具有独特的可研究单独位 锚的速度、增殖和相互作用的特性。 在众多的研究塑性变形的方法中，只有两种被用来研究半导体材料：常应变率下 变形和常应力下变形。而且，所有的研究中，使用的都是单晶材料。对于常应变率下 变形，特别倾向于使用 晶向的样品。因为这一晶向适于单滑移；同时，这一晶向 可以更好的反应应力应变曲线中的不同硬化和回复阶段。而对称性的 、 和 晶向则会导致更多的或基本上没有无结构性的抛物线型应力应变曲线和多滑 移性形变。当然，对于蠕变研究， 晶向更具优越性。 1 3 1 塑性变形的一般特性 a ) 对应塑性变形的材料特性 金刚石立方结构的元素半导体晶体具有很强的共价键，这使它们有了高的p e i e r l s 势垒，导致位错的运动能力随温度的下降呈指数形式下降，并在较低的温度呈现出脆 性。考虑到键能的不同，通常将流变应力和应变强化参数通过弹性模量来规则化，对 于立方晶格，以各向同性的剪切模量g = ( c 。一0 1 2 k 。2 y 2 来表示。不论元素还是化合 物半导体，滑移平面和滑移方向均分别为 1 1 1 ) 和 ：而这类材料的b u r g e r s 矢量 也相当的大，这也是会导致交滑移行为的原因。表卜5 中给出了一些半导体材料的熔 点( t 。) 、b u r g e r s 矢量( b ) 、层错能( y ) 以及自扩散参数q “和d 。金刚石立方晶格 蜞有较低浓度的本征点缺陷( 包括空位和自间隙) 的特点，因而给出了自扩散参数。 怛化合物半导体的高浓度的本征点缺陷却有着复杂的行为，自扩散参数很难测量。 ，a 锺矽浙江大学博士学位论文 表卜5 半导体材料塑性变形参数 t 。( 1 qb ( x 1o 1 0 m )y ( m j m )q s o ( e v )d o ( m 2 s 1 ) s i1 6 8 53 8 45 84 0 36 x 1 0 。5 g e1 2 1 04o7 53 1 42 5 1 0 。3 l n s b8 0 045 83 8 i n p1 3 3 54 1 51 8 g a a s1 5 i 34 05 5 g a p1 7 4 038 54 1 b ) 应力应变曲线 晶向的应力应变曲线具有五个变形阶段，较低温度时伴随着明显的屈服 点产生的：低加工硬化阶段( i ) ，强加工硬化阶段( i i ) 和弱化阶段( i l i ) ；而在高 温时还会出现：新的加工硬化( i v ) 和二次回复阶段( v ) 。通常用应力应变曲线中的 对应点的应力来表示各个特性点：f 。t ”t 。t 。和如图卜1 5 所示。在低温时如 果 v 和v 阶段不出现，此时在阶段就会达到而强加工硬化阶段i i 和通常用斜 率0 。和0 w 来表示。实验还发现在阶段，e 是随着应力如图卜1 6 所示线性变化的；而 在v 阶段e 与应力的关系则是非线性的。 j 一? 历 ，倍_ 7 慵。；： 遴兰! i 訇卜1 5 半导体单晶材料4 1 2 3 晶向应力应变( a ) 、加工硬化系数( b ) 和蠕变曲线( c ) 示意图 c ) 应力应变和蠕变曲线的平衡 应力应变曲线中一些特殊的点我们应该注意：下屈服点和v 阶段t 。时的变形( 或 陪低温时的i i i 阶段中) 。它们的特点在于加工硬化系数变化为0 ：而这种情形通常就是 所谓的稳态( 或静态) 变形。 集成电路用直拉硅单晶力学性能 而有些文献也对上屈服点进行了研究，尽管应力和应变及温度的对应关系在某种 程度上是类似于低屈服应力，但不会有平衡的位错密度，同时初始的位错密度和变形 机器的硬度起到极大的作用，这意味着上屈服点不是准静态变形情形。 芒 三l o1 0 ，o 3 0 o t f h p q 图，曼，兰：! 塑皂熙阶段加工器拱夏毪嚣麓舅詈言茹蓑箍 硬化系数随应力的变化 ”“爱另言夏萎；! ；高罱爱苗”“ 1 3 2 下屈服点和变形点的蠕变 a 1 e x a n d e r 和h a a s e n “对f 屈服点j 匝力t t ，和变彤点的蠕受翠已的夭糸做如r 公 式的表示： z i ，肛唧 赤 ( 1 y = c i ，se 。纠万孟f ( 1 l 7 ) o g r 2 + ) e x p ( 一万u c l 。= c ：1 ( 2 + ”) ( 1 1 9 ) 其中u 和m 是激活能和应变指数。同时，假设位错在p e i e r l s 势垒中通过形核和弯结 的迁移而移动的速度则为： v = 所。me x p ( 一百u ) z 浙江大学博士学位论文 而有效应力k ，则是考虑了位错间的相互作用，与所施加的应力和内应力的关系为： 锄= f a 4 n ( 1 2 1 ) 公式中的c 。c 、a 和b 为常数，而n 为位错密度，k 为b o l t z m a n n 常数。而 o u e l d e n n a o u e5 “”等对屈服点附近的硅中位错结构的分析得出，有效应力应该与低屈 服应力相当。 公式1 1 9 业已被实验证实是对高应力下的硅和锗中6 0 。和螺型位错运动的正确描 述；但当低应力和温度接近0 7 5 t 时，位错的激活能依赖于应力，而应力指数则随温 度而变化。 而表面和预处理情况也会对屈服应力等造成影响。图l 一1 7 表示了硅单晶在不同 保护气氛下的低屈服应力。虚线及空心符号表示在9 0 n 。和i o h ：气氛下的数据；而 实心符号则是氩气保护下的数据。可见，虚线和实心的数据是一致的，而空心符号的 数据则有所偏差。这主要是因为在1 1 5 0 到1 3 0 0 c 之间样品表面会形成层可能是s i 。n 4 的薄膜而造成的表面效应对低屈服应力的影响。而o m r i 等”则研究了以e = o 0 7 应变 预处理的硅单晶的屈服点。以公式1 1 9 ，他们得到依赖于应变率的激活能 ( 2 + m ) = o6 5 e v ，而参数( 2 + m ) 则会由6 0 0 。c 的2 7 变为7 5 0 。c 的3 8 。因而，可知这 l = j 未经预处理的变形特点极为不同。同时，这种预处理的影响会或多或少的被重掺杂 的硅单晶所抑制或加强“。 1 3 3 动态回复 前面业已描述了蠕变和常应变率实验中的动态回复的基本特性，可以看出初始的 回复阶段只能在应力应变曲线中被观测到。 a 1 初始回复阶段 图卜1 8 表示了硅单晶稳态流变应力。在初始回复阶段与应变率的关系。在i i i 阶 段的回复被认为是扩散控制攀移机制：刃型位错克服滑移势垒在滑移面内通过攀移运 动并消失，从而释放内应力。攀移过程包括了发射或吸收点缺陷，同时攀移为点缺陷 望塞壁皇堕旦重垄壁望曼垄堂丝堂 的自扩散所控制。而a l e x a n d e r 则认为在阶段的动态回复是滑移和交滑移的混合过 程，在这一过程中非平衡点缺陷在先前的变形中被吸收，而且这一过程的激活能是双 空位迁移能和位错滑移激活能的总和。但后者却无法解释位错滑移激活能在下屈服点 与应力的依赖关系。无论如何，如果要了解回复和加工硬化行为，模型都要引入亚结 沟。 s i e t h o f f ”认为在v 阶段交滑移过程也许就是二次回复过程，同时得到： lk t - i n 割z z ， 呓= 嵩 1 n ( 嵩) l ，2 z 。， 可见，最大交滑移能甾与b u r g e r s 矢量直接相关，并对应着半导体在高温下的二次回 c ) 稳态蠕变 l，hpo 图卜1 8 硅单品 晶向在i i i 阶段 图卜1 9 硅单晶 晶向稳态蠕 的稳态流变应力与应变率的双对数图 变时蠕变率与应力关系单对数图 上文曾指出应力应变曲线和蠕变曲线达到稳态时遵循捐同的回复过程。硅单晶的 浙江大学博士学位论文 高温蠕变遵循着公式1 2 2 ，而且在单对数坐标的应力应变图中具有直线特征。图卜1 9 中的实线表示的就是这一行为。 1 3 4 掺杂效应 a ) 轻掺杂杂质对塑性变形的影响 杂质对机械强度的影响，从c z 硅片抗热应力引起的位错滑移和翘曲的能力比f z 硅片大的多就可以看出。这种差异是c z 硅中含量高达1 0 ”c l n l 数量级的氧原子与位错 的相互作用造成的。s u m i f l o 等”用原位x 射线术观测了随位错周围杂质气团的发展， 杂质钉扎位错能力而增加的情况。他们发现，在掺有各种杂质的硅晶体中引入单个位 错并热处理时，位错开始运动所需的应力与热处理温度和时间有关。 氧、氮和碳等轻杂质具有较强的钉扎位错能力“6 5 66 ”。热处理时间不是很 长时，对位错的钉扎能力大体随热处理时间线性增加。如果杂质种类和浓度一定，在 任一温度下测得的钉扎力仅跟聚集在位错单位长度上的杂质原子的数目有关。因此， 杂质浓度较高，以及热处理温度较高时，钉扎力的增长速率也较高。当氮浓度为 j4 i o ”c f f l 。时，氮原子的钉扎能力大致相当于氧浓度为1 5 1 0 ”c m l 时的。可见，氮 比氧具有更强的钉扎位错能力。磷的钉扎能力也比氧强，不过磷的扩散系数过小，比 氰的扩散系数小三个数量级，因此，它的钉扎效果未能引起研究者的关注。而对于碳 的作用，则有着不同的看法。 i m a i 和s u m i n o ”用数值法求解杂质在位错应力场的扩散问题，得出聚集于位错单 位长度上的杂质原子数与杂质种类、浓度以及热处理时间和温度之间的关系。从钉扎 能力与聚集于位错上的杂质原子数的关系来看，钉扎力不是来自于单个杂质原子沿位 错的弥散分布，而可能是来源于杂质原子沿位错成团所造成的增强错配引起的大的弹 陡交互作用。也有可能，位错与杂质原子或杂质原子团之间的静电交互作用在钉扎效 啦中扮了重要角色。 无位错f z 硅和c z 硅的应力应变特性十分相似”；但是，当晶体本身含有位 错i m 则有很大差异。k s u m i n o 对比了这两种有位错晶体的应力应变曲线，指出 集成电路用直拉硅单晶力学性能 跟f z 硅相比，c z 硅的应力应变曲线的特点是具有较高上屈服应力和大的应力降 落( 从上屈服点至下屈服点) 。而这是低位错密度晶体在形变中的特征，可见c z 硅的屈 服行为与位错密度低两个数量级的f z 硅相当。这也就暗示着c z 硅中的位错只有不到 l 起着位错增殖中心的作用，这是因为c z 硅中的位错在形变之前巳被氧原子或氧的 复合物所钉扎住，从而失去增殖的能力。同时他也指出，两种晶体中的有效剪切应力 几乎相等，这表明两种晶体的力学行为的差异不是由于位错迁移率的不同，而是由于 杂质原子对位错的钉扎作用不同造成的。 硅晶体的变形与含氧量也有莫大的关系”，当初始位错密度一定时，上屈服应力 随氧浓度增加而线性增加。氧浓度较低( 1 4 l o ”c m 。) 的晶体的强度则随位错密度以 及形变温度的降低而快速增加。含氧量为1 0 ”c l l l 4 数量级的位错密度较高的晶体在高温 时氧原子的强化作用也相应的很小。当表面粗糙时，即使晶体不含位错，也可以观察 到两种晶体在形变上的差异。对比两种无位错晶体的屈服应力与加裁速率的关系， k s u m i n o 发现表面经化学抛光的两种晶体在很大加载速率范围由强度上差异很小。然 而，金刚砂研磨后在低加载速率下c z 硅的屈服应力比f z 硅的大。我们知道，表面损 伤处是位错优先产生的中心。在位错产生初期，位错的运动受到线张力以及位错间交 互作用的阻碍，这使氧原子可以聚集在位错上。但当加载速率较大于氧原子钉扎能力 的增长速率时，则产生的位错大多数未被钉扎，因而此时c z 屈服应力与f z 的一样。 相反，当加载速率较小于氧原子钉扎能力的增长速率时，c z 硅中的位错被有效的钉扎 住了，使其屈服应力高于f z 硅。在表面化学抛光的晶体中，由于抛光的表面没有易于 产生位错的大的不规则处，一切产生位错的过程都是在高应力下进行的，以致于位错 被杂质钉扎的过程无法发生。这使得两种晶体具有相近的屈服强度。 氧沉淀同样会对变形产生影响”。c z 硅晶体经9 0 0 i 1 0 0 。c 温度热处理，会产 生了大量氧沉淀，因此来源于固溶氧原子的高机械强度丧失。通常，随沉淀产生的同 u 寸，伴随沉淀会产生非本征层错和冲出位错环。含高密度位错源的硅晶体具有类似于 软晶体的应力应变特征。经1 2 0 0 c 以上高温处理，沉淀溶解，缺陷收缩，氧原子 又可产生钉扎作用，晶体恢复高强度。而经1 3 0 0 1 3 热处理后，氧以间隙物形式分布于 浙江大学博士学位论文 单晶中，不论氧浓度如何，对高温拉伸性能无任何影响“。可见，这种应力一应变行 为的变化是位错源密度减少而引起的。因此，作为位错源的缺陷的产生是造成晶体软 化的起因。 上屈服应力与层错密度间的关系在沉淀和融解过程中是不一样的，这说明层错不 足导致晶体软化的位错源。上屈服应力会随着沉淀下来的氧的量的增加而迅速下降， 这一现象是无法用沉淀粒子作为位错产生中心的模型来解释。y o n e n a g a 和s u m i n o 71 认为此时冲出型位错才是主要的位错源；在沉淀产生后期，冲出型位错密度变高，而 溶解于基体的氧原子已经很少了。因此，大多数冲出型位错没有受到氧原子的钉扎， 反而成了新的位错源，造成晶体的软化。 b ) 重掺硅单晶的变形特性 口 l 量铂 p 旷已二 ab s i 口= f2 5 f l o 加b ，c m 3 1 2 6b1 0 1 2 i 1 0 2 c 图1 2 0 重掺b 硅单晶( c ，= 1 2 5 x1 0 2 。c m _ 3 ) 在屈服区域和i 阶段的 应力应变曲线 当掺杂浓度高达1 0 ”一1 0 ”c m 。3 时，电活性杂质与相反电性的位错的强烈的相互作用 就会体现出来。图! - 2 0 表示了重掺硅单晶在应变率为e = 4 8 1 0 s 。和e = 4 8 x 1 0