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硅中注氦诱生微孔对金吸除作用的研究 凝聚态物理专业 研究生李恒指导老师龚敏教授 在集成电路和半导体器件的生产过程中，许多工序都可能使硅片受到金属 的污染。由于金属杂质原子扩散并沉积在器件的有源区，会造成诸如：反向漏 电流较大，反向击穿电压是软击穿等有害的影响。所以需要减小有源区中金属 杂质的浓度，通常采用吸除的方法把金属杂质从器件有源区吸收到有源区之外 预先形成的s i n k ( 陷辨) 中。 我们注意到，在研究氢、氦离子注入诱生微孔的吸除作用时多以对金杂质 的吸除效果来对吸除工艺进行评估，因此本文对微孔吸除机理、金在硅中的扩 散和分布以及半导体中离子注入的特点进行了描述。 在本工作中，通过原子力显微镜( a f m ) 观测到注氮抛光面经热处理后，氦 气膨胀将背表面处硅薄层顶出形成的“凸包”，而在未经注氦的参比样品中则无 此图像出现，因此我们定性认为本研究中注入硅中的氦，在热处理过程中的确 形成了微孑l 。 本研究主要采用掺金的双面抛光片和单面抛光片制成的硅平面二极管为研 究样品，利用二极管反向漏电流密度正的交化，着重研究吸除热处理过程对注 氦诱生微孑l 吸除效果的影响，得到微孔对实验样品中金杂质的较合适的吸除热 处理温度( 8 0 0 ) 和时间( 6 小时) ；而且，不仅证实注氦诱生微孔在双面抛 光片制成的样品中能有效的吸除金杂质( 吸除热处理后j ，减小一个量级以上) ； 并首次观测到在粗糙背面注氦后形成的微孔对金杂质也有良好的吸除作用。由 于实际的集成电路和分离器件都是做在单面抛光片上的。这一结果对将微孔吸 除技术用于实际器件的生产过程具有较重要的参考价值。 本文还对实验样品中存在的氧沉积、晶格损伤对金杂质的吸除效果，与注 氦诱生微孔的吸杂效果进行了比较和讨论，进一步证实了注氦诱生微孔吸除金 杂质的均匀性，并加深了对微孔吸除机理的理解。 关键词：吸除，氦离子注入，微孔，原子力显微镜，金，反向漏电流 a b s t r a c t g e t t e r i n ge f f i c i e n c yo f a ut on a n o c a v i t yi n d u c e d b y h e + i m p l a n t a t i o n m a j o r ：c o n d e n s e ds t a t ep h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：l ih e n gs u p e r v i s o r ：g o n gm i n m e t a lc o n t a m i n a t i o ni nas i l i c o nw a f e ri su n a v o i d a b l ed u r i n gt h em a n ys t e p s r e q u i r e df o rt h ef a b r i c a t i o no f m i c r o e l e c t r o n i c sd e v i c e s h i g hl e a k a g ec u r r e n t sa n d s o f tr e v e r s e c u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c sa l es o m eo ft h ed e t r i m e n t a le f f e c t s p r o d u c e db yt h em e t a la t o m sd i s s o l v e di nt h es i l i c o nm a t r i x g e t t e r i n gp r o c e d u r e s c a nr e d u c em e t a l c o n t a m i n a t i o n m a n yg e t t e r i n gt e c h n i q u e s h a v eb e e nw i d e l y s t u d i e dt oo v e r c o m et h i sp r o b l e m b yr e m o v i n gm e t a li m p u r i t i e sf r o m a c t i v er e g i o n s o f d e v i c e o n en e w g e t t e r i n gm e t h o d t h a th a sr e c e n t l yr e c e i v e dg r o w i n gi n t e r e s ti st h eu s e o fn a n o c a v i t i e sr e s u l t i n gf r o mh e l i u mo r h y d r o g e ni m p l a n t a t i o n t h eg e t t e r i n g p r o c e s s e su s u a l l ya l ee s t i m a t e db yg e t t e r i n go f a ut on a n o c a v i t yi ns i l i c o n i nt h i s p a p e r , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fn a n o c a v i t y g e t t e r i n gm e c h a n i s m ，d i f f u s i o n a n d d i s t r i b u t i n go f a u r u m a n di o ni m p l a n t a t i o ni ns i l i c o nw e r ed e s c r i b e d i nt h i sw o r k ，m a n yb u m p so nt h ep o l i s h i n gs u r f a c eo ft h es i l i c o n ，a f t e rah e + i m p a n t a t i o ni na n ds u b s e q u e n t l yah o t - t r e a t m e n t ，w e r eo b s e r v e du s i n ga t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ( a f m ) b u t t h i s p h e n o m e n ac o u l d n o tb eo b s e r v e dw i t h o u th e 十 i m p a n t a t i o n t h ed i o d e sm a n u f a c t u r e du s i n gb a c k - s i d ea n dd o u b l e - - s i d ea u - - d o p e dw a f e r s w e r es t u d i e di nt h i sw o r k t h ee f f e c t so ft h en a n o c a v i t y g e t t e f i n gt e c h n i q u ew e r e m o n i t o r e db yt h el e a k a g ec u r r e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tt h et h e r m a l t r e a t m e n to ft h eg e t t e r i n g - p r o c e s sw a sv e r yi m p o r t a n tt o t h e g e t t e r i n ge f f i c i e n c y a f t e rg e t t e r i n gt h e r m a lt r e a t m e n ta t8 0 0 cf o r6h o u r s ，t h el e a k a g e c u r r e n td e n s i t y o ft h ed i o d e sw e r ed e c r e a s e d t h e e x p e r i m e n t sa l s os h o w e dt h a tt h eg e t t e r i n g e f f i c i e n c yo f t h ed i o d sw i t ha r o u g h - b a c k s i d ew e r e al i u l eb i tb e t t e rt h a nt h o s ew i t h a p o l i s h e d - b a c k - s i d e f o rt h ef i r s tt i m e i n a d d i t i o n ，i n t e g r a t e d c i r c u i t sa n d s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa r e g e n e r a l l y m a d ew i t h s i n g l e s i d ep o l i s h e dw a f e r s ， t h e r e f o r et h er e s u l t so ft h i sw o r ki n d i c a t et h a t n a n o c a v i t y - g e t t e r i n gt e c h n i q u ei s p r a c t i c a li nm a n u f a c t u r eo f d e v i c e s f i n a l l y ，t h eg e t t e r i n gu n i f o r m i t yi sd e m o n s t r a t e d d i r e c t l yo ns a m p l e s t h e g e t t e r i n g r e s u l t so fa ut o o x y g e n i n t r i n s i c p r e c i p i t a t i o n a n dt ot h e n a n o c a v i t yf o r m e db yh e l i u mi o ni m p l a n t a t i o nw e r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e di nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：g e t t e r i n g ，h e l i u m - i m p l a n t a t i o n ，n a n o c a v i t y ，a f m ，a u ，l e a k a g e c u r i e n t 四川大学硕士学位论文 弓i 言 引言 杂质吸除是减少硅片中的金属杂质污染、降低某些晶格缺陷、提高硅片质 量的有效办法。随着集成电路的发展，对硅材料的质量提出了越来越高的要求。 为了满足集成电路发展的需要，除了改进硅单晶生长技术，提高硅片加工质量 外，通常在硅片背面进行特殊加工，利用杂质吸除技术，以保证硅片的质量。 在硅片背面进行的特殊加工，常用的方法有：硅片背面的浓磷扩散、使用 砂液喷射硅片背面从而在硅片浅表层形成一定程度的机械损伤、用硅烷通过 l p c v d 形成多晶硅层沉积在硅片上、用离子注入造成硅片晶格损伤。而吸除技 术都需要满足以下三个物理效应“1 ：释放杂质或延伸缺陷组分的分解：杂 质或位错组分( 主要是硅自填隙子) 向俘获区的扩散：杂质或自填隙子被吸 除中心所俘获。 我们注意到，由于背面浓磷扩散或者背面损伤并不太适合v l s i ，而由氢离 子、氦离子注入硅中诱生的微孔对金属杂质的吸除作用从9 0 年代起就引起了人 们的关注。但是对微孔吸杂效果的研究大多是利用离子注入的方法将金属杂质 引入微孔层附近，再采用卢瑟夫背散射( r b s ) 、剖面透射显微镜( x t e m ) 、二 次离子质谱仪( s i m s ) 等方法，研究微孔的形成规律以及金属原子被微孔收集 的现象：仅见到v r a i n e r i 啪1 等人报道了核探测器和功率晶体管中微孔吸除的 研究结果。 本工作采用原子力显微镜( a f m ) 观察注氦硅片在热处理后表面形貌图，并 且根据实验样品在吸除热处理前后反向漏电流密度以的变化直接反映微孔对 金杂质的吸除效率：而且从实验结果推测该样品中注氦诱生微孔的最佳吸除条 件。 在大多数研究中采用的样品是双面抛光硅片，而集成电路中通常采用的是 单面抛光硅片，因此在本实验中，不仅研究了双面抛光制成的样品中注氦诱生 微孔的吸除效果和吸除均匀性，还对掺金的单面抛光硅片制成的样品进行了同 样的研究，为将微孔吸除技术应用于实际生产中提供了必要的基础支持。并且 通过对微孔、氧沉积和晶格损伤吸除效果的比较，进一步证实注氦诱生微孔对 金的良好吸除作用和吸除均匀性，加深了对吸除机理的理解。 四川大学硕士学位论文 第一章吸除杂质的方法及其机理 第一章吸除杂质的方法及其机理 吸除是一种减少或消除器件有源区( 空间电荷区) 中杂质( 尤其是金属杂 质) 和其它晶格缺陷的方法。无论采用哪种吸除技术或方法，都需要三个物理 效应：释放杂质或延伸缺陷组分的分解；杂质或位错组分( 主要是硅自 填隙子) 向俘获区的扩散；杂质或自填隙子被吸除中心所俘获。 要获得良好的吸除效果，杂质的释放、扩散、俘获这三个效应缺一不可。 如图1 - 1 所示 2 1 ：对于一个有效的吸除过程，从杂质最初所处位置释放杂质所 需的能量应较低，同时也要求杂质一旦被s i n k 俘获就不易被释放出来：其次， 当杂质从有源区向吸除区扩散时，两区域之间的间距如果比杂质的扩散长度小， 扩散到吸除区的杂质则较多。 图1 1 吸除过程中杂质的释放、扩散、俘获 所以，无论采用哪种吸除技术或方法，以上三个效应都是限制吸除效率的关 键因素：而且利用吸除模式对吸除过程进行解释，也需对这三个效应进行分析。 2 四川大学硕士学位论文 第一章吸除杂质的方法及其机理 1 1 吸除杂质的方法 1 1 1 内吸除 内吸除是指样品( 硅衬底) 经过热处理后，由于氧的外扩散以及内部的氧 沉淀，在硅体内形成的s i o , 沉积物和相关联的微小缺陷对杂质的吸除作用【3 1 。 对衬底为c z 硅的样品，氧浓度接近其固溶度1 0 1 8 c m 。3 【3 】，在经历高温、 低温、高温三步热处理后，硅体内产生具备吸除作用的氧沉积物和微小缺陷并 且俘获杂质。通常认为，第一步的高温热处理，导致氧的外扩散，表面区变为 无氧，形成所谓的“洁净区”( d e n u d e dz o n e ) ：接着的低温热处理，内部的氧 过饱和，在硅体内出现氧沉淀以及s i o 。沉积物，也即形成氧的成核中心；最后 再将样品进行高温热处理，氧大量沉积并且氧沉积物“挤出”位错，成为能吸 除杂质的俘获中心i “j 。 1 1 2 外吸除 外吸除是指吸除区的产生由外部因素造成，通常由硅片或器件的背面引入， 可以通过浓磷扩散，机械损伤l ”，离子注h i 8 】等方式获得。 对于磷扩散吸杂技术，一般认为在磷扩散层杂质原子与磷“离子结对”( 或 形成络合物) 1 9 l ，从而减少或消除存在于结区的杂质，特别是快扩散金属杂质 c u 、a u 、f e 等，它们在未扩磷的区域多数为填隙式，并以填隙机制扩散( 迁移 率高，而固溶度小) ；当其到达磷扩散层则更多地处于替位位置，得到大量的来 自于磷的电子，此时，替位金属杂质和磷之间有一个很大的库仑键能川。所以 磷的浓度越高，扩散层越厚，吸杂效果越好，而在v l s i 制造中需要降低扩散温 度，结果降低了磷的浓度和结深，因此大约在9 0 0 以下，损伤吸除技术的俘 获效果比磷扩散好例。 喷砂、砂粒打磨、激光诱发损伤和离子注入都能造成晶格损伤，其中喷砂、 砂粒打磨是通过机械损伤的方式在样品中引入缺陷，经过热处理后起到吸除中 心的作用。而采用离子注入的方法，对于某些离子，高剂量( 1 0 ”c m - 2 ) 注入 再经过热处理之后，因晶格缺陷扩展而产生位错和有晶粒间界的多晶材料【l 】， 四川大学硕士学位论文 第一章吸除杂质的方法及其机理 由于位错及晶粒间界附近存在应力场，所以其周围也是杂质聚集较多的区域， 同样具有一定的吸除的效果。一些气体经离化后注入硅片中，气体聚合形成具 有小平面单晶面的内部气泡1 0 1 ，对于扩散速率高的气体，在热处理过程中向外 扩散从而在硅片中形成微孑l ，微孔的内表面非常洁净，有丰富的悬挂键，能有 效的吸附杂质。 1 2 吸除杂质的模式( 机理) 在分离器件和集成电路的制造工艺中，金属杂质的污染很难避免，而金属杂 质对器件的一些电特性都是有害的，所以吸除技术得到广泛研究。人们通过对 大量的实验数据的分析和理论研究，提出了一些关于解释吸除过程的模式( 机 理) ，大致有如下四种嘲：增强金属固溶度模式延伸( 扩展) 缺陷模式 硅自填隙子模式分凝模式 1 2 1 增强金属固溶度模式 r l m e e k 剀和s l c h o u 【l l j 等人用这种模式解释磷扩散吸杂技术。他们认为 在硅片中的浓磷扩散使扩散区的费米能级发生改变，也就是使费米能级更接近 导带底，从而影响或改变其它杂质在该扩散区的溶解度。对于重金属杂质，它 们主要以填隙式扩散到浓磷区，磷原子向金属杂质提供大量的电子，二者“离 子结对”并占据附近的空位，所以在浓磷扩散区，重金属杂质主要以固溶度高、 迁移率低的替位式存在，增大了金属在该区的溶解度。 此外，m e e k 还认为金属和磷之间形成了络合物，例如：a u ，p ，c u ，p ，等等。 如果扩入硅中的磷浓度越大，就能与更多的金属杂质形成络合物，同样增加了 金属在该扩散区的溶解度。因此，增强金属杂质在浓磷扩散区的溶解度，使硅 片内其它区域金属杂质浓度下降，体现吸除的作用。 可以看出，用该模式分析吸除过程，首先假设吸除中心( s i n k ) 具有良好的 俘获能力，只要杂质扩散到s i n k 附近，就能被有效的俘获。所以，吸除过程中 4 四川大学硕士学位论文 第一章吸除杂质的方法及其机理 的关键是杂质的释放和扩散，这就与温度的高低有密切的关系。 1 2 2 扩展( 延伸) 缺陷模式 r c n e w m a n 1 2 1 等人提出：由于延伸缺陷( 尤其是位错) 与杂质之间的相互 作用，使得位错成为某些杂质原子( 或离子) 的陷阱( s i n k ) ，从而达到吸除的 效果。他们认为杂质原子或者点缺陷与位错之间的作用能可能是由以下三方面 造成的： 1 由于固体溶质和溶剂原子因半径不同而引起的弹性相互作用。 2 当固体溶质原子与位错之间的弹性作用和晶体内具有不同弹性模量区域之间 的相互作用相似时，也可能导致二者的弹性作用。 3 由于存在大量悬挂键而呈现受主类型的位错所具有的电学作用。 假定任何一种杂质原子都可以用一个简单的球体来模拟，该原子和刃位错 之间的作用能可用极坐标( r ，v ) 表示为： e = 4 m 彰s i n ) r ( 1 一1 ) 切变模量( 对于s i ，其值为7 5 5 x1 0 “d y n c m 2 ) b 伯格斯矢量 硅原子半径( 1 1 7 a ) 其中： 占= ( t o - r e ) i t o ( 1 - - 2 ) l 杂质原子的半径 从以上两个公式可看出，当位于刃位错上部( o y r o ) 时，作用能为正，而位于刃位错的下部则作用能为负；对于原子半径 较小以 屹的原子将集结到受伸张的区域， 乓p 时，磷的浓度愈 大，分凝温度愈小，分凝系数k 的值就愈大，相应的吸除效率就愈高。 同理，可以得到金属杂质在高位错密度区域( 可利用机械损伤、离子注入 等方法获得) 的溶解度n u 。 m = n 。e x p ( - e u ，m k t ) ( 1 8 ) n 。位错密度 e u 。金属在高位错区的激活能 以及金属杂质在高位错密度区的分凝系数 k = 1 + 瓦n pe x p 阮厂小叫( 1 - - 9 ) 如果同时存在这两种吸除方式对金属进行吸除，而且它们的吸除效率是互 相独立的，所以分凝系数可表示为： 足= + 惫e x - 阮厂，) 懈卜瓦n p e x p 阮厂m ) 灯】( 1 - - 1 0 ) k a n g 由此推知：对于所有的金属杂质和吸除技术，分凝系数可表示为： 置= 1 十丁1 y , x n oe x p ( e ( 。) ，玎) ( 卜1 1 ) v 日m 月 四川大学硕士学位论文第一章吸除杂质的方法及其机理 m 被吸除的金属杂质 n 表示不同的吸除方式( 例如：磷扩散、离子注入、机械损伤) 。表示由不同的吸除方式造成的损伤区或扩散区密度 量。，。) - e 。一已，。 ( 1 1 2 ) 瓦，。和玩，分别表示金属( m ) 在吸除区和非吸除区中的激活能。 由公式( 1 2 4 8 ) 可推知，吸除效率依赖于e c 。，) ，而目。1 与被吸除的金 属杂质种类，以及采用何种吸除技术有关。而且各种吸除技术的吸除效率可以 叠加，所以，两种或更多的吸除技术的共同使用，可以提供最大的吸除效率。 但是，当它们共同作用时，如果只有一种吸除技术对某种杂质的吸除起主要作 用，吸除效率仅由这种吸除方法所决定。 分凝模式与增强金属固溶度模式有相似之处，但是它们用于解释吸除的基 础理论不同。在增强金属固溶度模式中，金属杂质的溶解度是基于化学反应， 服从质量作用定律的，而且被研究的也仅仅是在吸除区的金属溶解度的增加。 分凝模式是由热力学发展而来的，吸除区和非吸除区的金属溶解度都必须考虑， 并且在这两区域溶解度的比例也需要研究。该模式提出：如果金属杂质在吸除 区的溶解度很高，但和它在非吸除区的溶解度相同，则没有吸除作用发生。 1 3 吸杂效率的研究方法 1 3 1 通过样品中杂质含量的变化反映吸除效率 文献 2 ，1 5 1 8 中都是先将金属杂质注入样品中，再将高剂量h + ，h e + 注 入到金属注入层附近；退火后，利用剖面透射电镜( x t e m ) 观测由离子注入后 形成的损伤区或形成的微孔区域，并且采用卢瑟福背散射( r b s ) 或二次离子质 谱仪( s i m s ) 测试金属杂质在样品表面、体内、注入损伤区或微孔区的含量： 通过比较退火前后金在微孔区和非微孔区含量的变化，证实微孔对金属的吸除 作用。 9 四川大学硕士学位论文 第章吸除杂质的方法及其机理 1 3 2 通过器件电参数反映吸除效率 通过二极管反向漏电流密度，的测量来研究吸除效果。其理由在于一方面 反向漏电流是半导体器件十分重要的特性参数，另一方面 对金属杂质和缺陷 极为敏感，其灵敏度远高于目前基础研究的测试手段。此外，j ，的测量远具有 仪器简单，结果直观之优点。我们知道，硅二极管的反向漏电流密度，可近似 表示为【1 9 】 ， q n , w j 2 g ( 1 1 3 ) 式中q 为电子电荷量，其值为1 6 x 1 0 。1 9 库仑；凡为本征载流子浓度，室温下为 1 4 5 1 0 ”i x a c m 2 ；矽为测试偏压下，p n 结空问电荷区的宽度；t g 为空间电荷 区内电子空穴对的产生寿命。对于单一深能级中心可近似得到叫产生寿命 铲叩x p f 掣1 ( 1 - - 1 4 ) 式中f ，为电子一空穴的复合寿命，e r 为深能级的位置，e ，为本征费米能级。而 。2 志 “。1 曲 式中n ，为深能级中心的密度，c 。为小注入条件下，深能级中心对少子 的俘获率。比较( 1 1 4 ) 和( 1 一1 5 ) 可以得到 q n ，w c m 2 书 ( 1 1 6 ) 上式表明反向漏电流密度j ，与硅p + n 结空间电荷区中起复合中心的金属杂质浓 度成正比。因此可以通过以的测量来评估吸除作用的效果。 1 4 注氦诱生微孔的形成及吸杂原理 随着v l s i 集成度的进一步提高，特征尺寸不断的减少，器件有源区中的金 1 0 四川大学硕士学位论文 第一章吸除杂质的方法及其机理 属杂质对器件性能劣化的影响更大，采用吸除的方法能使金属杂质从器件有源 区迁移到无源区，减少杂质在有源区的浓度，降低其对器件性能的影响。“2 “， 对于集成电路，最典型的器件无源区是器件的背面。而常用的吸除方法：背面 浓磷扩散或者背面损伤并不太适合v l s i 。 由于在集成电路制造过程中，部分工艺需在高温下长时间热处理，而磷在 硅中的扩散速率较快，为避免磷进入器件有源区，需要器件衬底材料有一定的 厚度，较厚的衬底材料不但会增加制造成本，还会造成其它一些对器件性能不 利的影响。对于背面机械损伤，损伤的浓度、分布不易控制，如产生延伸性缺 陷，极有可能使缺陷在器件制造过程中进入有源区，造成不利影响。对于氧沉 积引起的内吸除，由于无法控制沉积区的分布，在器件有源区的部分区域里， 也有可能出现分凝点，所以也不太适合v l s l 0 2 “。 为了控制吸除区的浓度分布，人们提出由离子注入引入吸除中心的方法。 由氮、氧离子注入或s i 注入引起的辐照损伤可以控制注入深度，但是，由此引 入的损伤在高温热处理过程中的不稳定，使得吸除中心对金属杂质的俘获效率 受到了限制。 近年来，利用高剂量的氦离子注入诱生的微孔，对金属杂质的吸除作用已 得到普遍重视。氦是一种轻离子，甚至当注入为低能量时，微孔也能在一定深 度的区域形成，采用该方法可以在硅片中有选择地注入氦离子，从而控制微孔 的形成区域。氦在硅中的高渗透率，使其在高温热处理过程中几乎全部从硅中 逸出，而留在硅中的微孔内表面具有丰富的悬挂键( 不饱和化学键) ，能有效吸 附运动到其附近的金属杂质，起到吸除的作用。 1 4 1 氦诱生微孔的形成 在硅中，惰性气体的固溶度非常低( 1 0 ”c m 3 ) ，当通过离子注入造成的氦 浓度超过它的极限值时，就形成了气泡o ”。由于离子注入的能量决定了气泡 形成的深度范围( 位置) ，而其浓度由注入剂量决定。原子模型显示，氦空位对 很容易形成，而且每对都可以俘获第二个氦原子，形成一个团簇并达到能量最 小状态。这样形成的团簇一般可以俘获到的1 5 个氦原子啪”1 。通过该方式积聚 起来的点缺陷以及氦原予可以形成大量的陷阱( s i n k ) ，这些陷阱就是气泡的成 核中心。如果在注入过程中，样品中就没有气泡出现，热处理后，在样品里观 察不到空位、气泡。热处理后能观察到的仅仅是辐照缺陷，这就是硅中注入氦 的特点。实际上，在硅中，注入不同的气体，就会观察到不同的情况，相同的 气体在不同的材料中也是如此：这种影响很有可能与氦在硅中的高渗透性有关。 v r a i n e r i 通过t e m 观察注入时硅中的氦气泡，发现能在硅中观察到气泡 的最小注入剂量d 。i n 为5 1 0 “c m 2 。注入后，氦在注入层的分布也不是唯一的， 它是满足高斯分布的，随着深度的不同，浓度也在不断地改变，通常能形成氦 四川大学硕士学位论文 第一章吸除杂质的方法及其机理 气泡所对应的氦浓度峰值c ，为3 5 1 0 ”。 在微孔形成热处理过程中可以观察到，由离子注入进入硅片里的氦在气泡 中并不是稳定的。通常当温度为3 0 0 * c 时，氦就能逐渐离开气泡、进入硅晶格 中扩散到硅表面并挥发出来，留在硅中的无氦气泡即是微孔。 氦通过硅品格到达硅表面，可以根据氦的渗透率来解释，氦的逃逸率与激 活能有关。 a n ，一3 。n p 8 一( 1 - - 1 7 ) d f h e 原子在气泡中的数目； j p h e 在硅中的渗透率； r 气泡到表面的距离： 气泡的半径。 从该公式中可看出，逃逸率掣与在气泡中的氦原子数以及氦在硅中的渗透 讲 率成正比，而与气泡的半径、以及气泡到表面的距离成反比。由于氦在硅中有 较高的渗透率，所以它在硅中的行为与金属在硅中不同。当e 。= 1 7 e v ， p = 2 6 x 1 0 “c m 2 s 时，气泡中几乎所有的氦全部挥发出来所需的时间就可推 算出来，不同的温度对应的时间不同，当温度为7 0 0 时，大约需要1 5 h o u r s 几乎所有的氦就能全部挥发出来“”。因此，氦离子注入后，在7 0 0 下处理 1 5 h r s 左右，就有一定数量的微孔产生。 1 4 2 氦诱生微孔在热处理过程中的变化 氦诱生微孔在热处理过程中的变化及其稳定性与吸除效率有密切关系，所 以在一定注入能量和剂量下，微孔随着热处理温度和时间变化的情况需要进一 步的了解。“。 微孔可以作为单个的个体来考虑，也可以把它们作为一个系统来描述其运 动或迁移情况。通常假设系统是稳定的、非压缩性的，而且其中的介质( s i 晶 格) 也是非压缩性的；微孔发生碰撞，二者之间的摩擦力是内摩擦力，例如： 两个微孔经过碰撞后结合在一起成为一个大的微孔。介质和微孔之间的动量转 移也被假设与微孔质量无关，而微孔的质量与其体积成正比，所以，可以得出 四j l l 大学硕士学位论文第一章吸除杂质的方法及其机理 这样的结论：微孔的迁移率反比于它的半径。 微孔的浓度、直径以及微孔层的宽度在温度固定的情况下是热处理时间的 函数，随着时间的增加，微孑l 的浓度下降、直径增大。如果把微孔作为个体来 考虑，在热处理进行的最初一段时间内，它们可以通过自扩散进入硅晶格，微 孔附近的某些缺陷分解 3 0 1 ，并且有大量的硅填隙子填满一些最小的微孔，或者使 小微孔的直径变得更小，只剩下直径稍大的微孔。但是当热处理进行l 小时后， 整个系统已经达到平衡状态，微孔是稳定的，不再有大的变化。所以，热处理 l 小时后，微孔结构的变化主要由热处理的温度来决定。 大量的实验证明，微孔的密度分布并不均匀，在投影射程( r p ) 附近密度 较大，在近表面处密度较小。当热处理温度升高时，密度较大区域中的微孔更 容易发生碰撞成为直径较大的微孔。由于微孔的迁移率与直径成反比，r p 附近 的微孔迁移率比近表面处小直径微孔迁移率小，随着温度的升高，表面处小直 径微孔会逐渐消失，因此整个微孔层的密度下降。如果与微孔问的距离比较起 来，微孔的扩散长度是不能忽略的，随着注入剂量的增加，微孔的直径增大， 浓度下降，微孔层宽度减小。如果热处理温度使得微孔扩散长度远低于它们之 间的距离，由于缺少相互作用，微孔的直径不会有大的变化，其浓度仍然与最 初的气泡浓度有关。在合适的热处理温度下，小直径微孔的的迁移速率也不足 以使其向表面快速运动并逐步消失，此时，微孔的密度最大，微孔层的宽度最 宽，所以微孔内表面面积最大，能吸除更多的金属杂质。 1 4 3 氦诱生微孔的吸杂机理 从9 0 年代初开始研究微孔吸杂技术以来，并没有一个统一的模式( 机理) 用于解释微孔的吸杂作用。但与其它杂质吸除方法类似，微孔对杂质的有效吸 除作用同样需要满足三个条件： 1 杂质从器件有源区的释放； 2 被释放的杂质向吸除区的扩散； 3 吸除中心对杂质的俘获。 而限制吸除效率的因素有以下几种i j l j ： 四i i 大学硕士学位论文第一章吸除杂质的方法及其机理 1 内部因素： 吸除层的特点( 例：微孔、机械损伤和离子注入损伤的特点) 被吸除金属杂质的种类及其浓度： 2 外部因素： 样品热处理的温度和时间，热处理过程中冷却的速率。 s m m y e r s i j 副通过t e m 观察在8 0 0 下热处理1 h 后的微孔，可以看到微孔 的结构及分布( 如图1 2 【3 5 1 ) ：w o n g i ”1 和v a i n e f i l 2 2 在部分微孔内壁观察到金属 ( p t 、c u 等) 的沉积物，认为是氦( 或氢) 诱生微孔内壁的丰富的悬挂键对金 属杂质有很强的吸附作用。当样品内金属杂质浓度较大时，采用适当的热处理， 使金属杂质在硅片内趋于过饱和状态，由于形成微孔所造成的晶格畸变应力， 以及微孑l 在热处理过程中迁移、结合所释放的能量能使过饱和金属运动到富微 孔区附近，并被吸附到微孔内或在微孔内聚集成金属沉积物。a c a c c l a t o 3 2 1 等人 认为微孔内壁对金属杂质的吸附类似于化学吸附，此时二者之间有很强的束缚 能，而且微孔内表面吸附金属杂质后，使该系统的能量有一个净减小。( 在化学 吸附中两者的原子或分子间发生电子转移，改变了吸附物的结构，而电子的转 移包括：完全的电子转移二者之间的结合是纯离子键，结合力是正负离 子之间的静电库仑力；不完全电子转移二者之一或双方提供电子作为二 者的共有化电子，形成局部价键：共有化电子不是等同的，结合力主要是共有 化电子与离子实之间的库仑力。) 当掺杂浓度很低时，虽然在微孔中没有观察到 金属沉积物，但经过适当热处理后，吸除区内金属杂质的浓度也有一定的升高， 所以仍然是微孔形成过程中的迁移、碰撞造成的晶格应力以及产生的s i 自填隙 子的作用，使低浓度的金属杂质能运动到微孔附近并被俘获。 根据k a n g 2 1 和p o l i g n a n o 3 习的观点，无论掺杂浓度的高低，当硅片中引入 吸除中心，并且进行热处理时，金属杂质在硅片内吸除区和非吸除区界面重新 分布，即金属杂质出现分凝效应。由于金属杂质通过“k i c k o u t ”方式与硅自填 隙子相互作用，不断被“刺激”运动到微孔周围区域：而氦诱生微孔对金属杂 质有很强的吸附作用，在微孑l 内某些金属与硅形成化合物( 例：c u 3 s i ) ，某些 金属原子积聚起来形成金属沉积物( 例：p t 、a u ) ；所以微孔及其附近缺陷周 围区域的金属浓度不断下降，甚至被耗尽【3 4 1 ，因此通过分凝效应使非吸除区中 1 4 璺型盔兰堡主兰垡堡兰 蔓二兰堡堕墨墨墼查兰墨苎垫型 的金属杂质浓度减小，达到吸除的目的。 图1 2 微孔的c r o s s - s e c t i o nt e m 图像( ( 1 0 0 ) 硅经过注氮能量为3 0 k e v ，剂量为1 1 0 ”a t o m c m 2 ；以及之后的热处理8 0 0 l h ) 1 3 5 1 1 5 竺坐旦苎墅堂壁堡苎 墨二至垦堕墨垦塑查堡垦茎垫墨 参考文献 1 施敏超大规模集成电路技术科学出版社1 9 8 7 【2 j s k a n ga n dd k s c h r o d e r j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 8 9 ，6 5 ( 8 ) ：2 9 7 4 3 】t y t a n ，e e g a r d n e ra n dw k t i c e a p p l p h y s l e t t ，1 9 7 7 ，v 3 0 ：1 7 5 【4 】s k i s h i n o ，k n a g a s a w aa n dt i i z u k a j p n j a p p l p h y s ，1 9 8 0 ，1 9 ：1 4 6 6 【5 k n a g a s a w a , y m a t s u s h i t aa n ds k i s h i n o a p p l p h y s l e t t , 1 9 8 0 v 3 7 ：6 2 2 6 6 s ，mh u j o u m a l a p p l i e dp h y s i c s ，1 9 8 1 ，5 2 ：3 9 7 4 【7 】d p o m e r a n t z j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 8 1 ，5 2 ：3 9 7 4 8 】t e s e i d e l ，r l m e e ka n da g c u l l i s j o u r n a la p p l i e d p h y s i c s ，1 9 7 5 ，4 6 ：6 0 0 9 】r l m e e k , a n dt e s e i d e l j p h y s c h e m s o l i d s 1 9 7 5 3 6 ：7 3 1 1 0 a g c u l l i s ，t e s e i d e la n dr l m e e k j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 7 8 ，4 9 ：5 1 8 8 【11 s l c h o ua n dj f g i b b o n s j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 7 5 ，4 6 ：11 9 7 【1 2 1 l b u l l o u g ha n dr c n e w m a n p r o g r e s si ns e m i c o n d u c t o r s ，1 9 6 4 ，v 8 ：1 0 0 1 3 4 【1 3 】r f a l s t e r a p p l p h y s l e t t , 1 9 8 5 ，v 4 6 ：7 3 3 【1 4 】g b b r o n n e r a n dj d p l u m m e r j o u r n a l a p p l i e d p h y s i c s ，1 9 8 7 ，6 1 ：5 2 8 6 【1 5 】a k i n o m u r a , j s w i l l i a m sa n d j w o n g - l e u n g a p p l p h y s l e t t , 1 9 9 8 v 7 3 ：2 6 3 9 16 】m i ng a o ，x f d u a na n df e n gl i a nw a n g a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 8 ，v 7 2 ：2 5 4 4 1 7 j w o n g l e u n g ，e n y g r e n ，a n dj s w i l l i a m se la t a p p l p h y s l e f t ，1 9 9 5 ，6 7 ( 3 ) ：4 1 6 18 】a c a c c i a t o ，c m c a m a l l e r ie ta 1 j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 9 6 ，8 0 ( 8 ) ：4 3 2 2 1 9 】施敏半导体器件物理与工艺科学出版社。1 9 9 2 2 0 】k h o n d a a o h s a w aa n dn t o y o k u r a a p p l p h y s l e t t , 1 9 8 4 ，v 4 5 ：2 7 0 r 2 1 k h o n d a ，a o h s a w aa n d n t o y o k u r a a p p l ，p h y s l e t t , 1 9 8 5 v 4 6 ：5 8 2 2 2 v r a i n r i ，p g f a l l i c aa n dg p e r e o l l a , e ta 1 j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 9 5 ，7 8 ( 6 ) ：3 7 2 7 2 3 g f c e r o f o l i n ia n dm l p o l u f n a n o j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 8 4 ，5 5 ：5 7 9 2 4 】1 l r e v e s z a n d j m m a y e r ，e ta 1 j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 7 8 ，4 9 ：5 1 9 9 2 5 a g c u l l i sa n dr l m e e k ，e ta 1 j o u r n a la p p l i e dp h y s i c s ，1 9 7 8 ，4 9 ：5 1 8 8 2 6 】a l u u k k a i n e n ，e ta 1 p h y s i c sr e n e wb ，1 9 8 5 ，3 2 ：4 8 1 4 2 7 c j r o s s o w w , e ta 1 p h y s i c sr e v i e wl e t t e r ，1 9 8 5 ，5 5 ：2 9 6 0 1 6 四川大学硕士学位论文第一章吸除杂质的方法及其机理 2 8 1c z w a n ga n dc t ，c h a n p h y s i c sr e v i e wl e r e r ，1 9 9 1 ，6 6 ：1 8 9 2 9 】a a n t o n e l l ia n dj b e m h o l c p h y s i c sr e v i e wb ，1 9 8 9 ，4 0 ：1 0 6 4 3 3 0 e r o q u e t aa n da g r o be ta 1 n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d sb ，1 9 9 9 ，1 4 7 ：2 9 8 3 1 】k o j is u m i n o m i c