氮离子注入单晶硅的性能研究

论文摘要

氮杂质对单晶硅的性能有重要影响,氮在硅中的性质,相关缺陷的作用机理,以及对硅电学性能的影响一直为人们所研究。本文通过氮离子注入的方法在单晶硅中掺入杂质,经常规退火和快速热退火（RTP）处理后,利用傅立叶红外光谱仪（FTIR）和金相显微镜等仪器,研究了注入剂量、注入能量、退火条件等因素对氮离子注入单晶硅的本征吸除效应、电学性能、氧沉淀及诱生缺陷的影响。利用FTIR对经不同温度RTP处理的氮离子注入硅片进行测量,发现经650～800℃温区热处理后出现799 cm-1、998 cm-1和1018 cm-1三个氮氧复合体吸收峰;当RTP温度升高到800℃时,氮空位复合体吸收峰出现,且具有一定的稳定性;RTP处理使得氮相关复合体的形成不充分;氮气氛下热处理,硅片表面的氮向硅片体内扩散,氮氮对和氮氧复合体吸收峰有所增强。不同剂量的氮离子注入后,电阻率有所减少,且注入剂量越高电阻率越低。氮离子注入的单晶硅中能形成一种与氮有关的新施主,随着氮氧复合体的生成而出现,随着氮氧复合体的分解而消失;氮关新施主改变了注氮单晶硅的电学性能;氮氧复合体具有一定的稳定性,在650～750℃温区之间能稳定存在。本文对注氮硅单晶中的本征吸除效应进行了研究,结果表明,经氮离子注入后,单晶硅经一步短时退火即可以在硅片表面形成完整的清洁区。氮离子注入单晶硅经高温退火后体内产生了大量氧沉淀诱生的层错、位错和位错环。这些层错、位错以及位错环随着退火时间的延长而逐渐长大,缺陷密度随之增加,清洁区质量也越来越好。氮离子注入的剂量和能量对单晶硅体内的缺陷有着巨大影响,注入的剂量越小,单晶硅表面的缺陷密度越小,清洁区质量越好;注入能量越小氮掺杂位置越浅,氮杂质越容易外扩散,表面清洁区的质量越好。RTP预处理对硅单晶体内缺陷同样有着重要的影响,预处理温度越高,缺陷密度越大,清洁区宽度越小,且层错长度和位错环直径随预处理温度的升高而减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 硅中氧的性质
• 1-2-1 直拉硅中氧的引入
• 1-2-2 硅中氧的扩散
• 1-2-3 硅中的氧沉淀
• §1-3 硅中氮的性质
• 1-3-1 直拉硅中氮的引入及测量
• 1-3-2 氮对单晶硅性能的影响
• 1-3-3 氮氧复合体
• §1-4 离子注入及对硅片的作用
• 1-4-1 离子注入工艺
• 1-4-2 离子注入系统
• 1-4-3 沟道效应和注入离子在单晶内的分布
• 1-4-4 注入损伤和注入缺陷
• §1-5 本文主要研究内容
• 第二章 样品与实验方法
• §2-1 样品的选择
• §2-2 样品的制备
• §2-3 主要实验设备
• 2-3-1 离子注入机
• 2-3-2 常规退火炉和快速热处理炉（RTP）
• 2-3-3 傅立叶变换红外光谱仪器（FTIR ）
• 2-3-4 四探针测试仪
• §2-4 样品的腐蚀
• 第三章 氮离子注入单晶硅中氮相关复合体的IR研究
• §3-1 引言
• §3-2 实验过程
• §3-3 实验结果与讨论
• 3-3-1 氮离子注入单晶硅的常温红外光谱研究
• 3-3-2 氮离子注入单晶硅中氮关复合体的常温红外光谱研究
• 3-3-3 不同退火时长对氮离子注入单晶硅中氮关复合体的影响
• 3-3-4 不同的保护气氛对氮离子注入单晶硅中氮关复合体的影响
• §3-4 本章小结
• 第四章 氮离子注入对单晶硅电学性能的影响
• §4-1 引言
• §4-2 实验过程
• §4-3 实验结果与分析
• 4-3-1 氮离子注入单晶硅后注入样品和非注入样品的电阻率
• 4-3-2 不同温度RTP热处理对氮离子注入单晶硅电学性能的影响
• 4-3-3 不同退火时长对氮离子注入单晶硅电学性能的影响
• 4-3-4 不同保护气氛下热处理对氮离子注入单晶硅电学性能的影响
• 4-3-5 预处理对氮离子注入单晶硅电学性能的影响
• §4-4 本章小结
• 第五章 氮离子注入对单晶硅中氧沉淀及清洁区的影响
• §5-1 引言
• §5-2 实验过程
• §5-3 实验结果与讨论
• 5-3-1 不同RTP处理条件对注氮硅中氧沉淀的影响
• 5-3-2 不同退火时长对注氮硅中氧沉淀及清洁区的影响
• 5-3-3 不同温度预处理对注氮硅中氧沉淀及清洁区的影响
• §5-4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果