杂质对直拉硅单晶力学性能的影响

论文摘要

直拉硅单晶作为集成电路的基础材料已经被广泛而深入地研究了几十年,其力学性能是其中重要的研究课题。随着集成电路用硅片直径的增大、硅片加工精度要求的提高及硅基微机电系统（MEMS）的兴起,人们对直拉硅单晶的力学性能更加关注。业已证明,氧和氮杂质可以显著改善硅单晶的力学性能。然而,其它杂质对直拉硅单晶力学性能的影响还很少被研究。这限制了我们对硅单晶力学性能的认识,从而不利于进一步改善硅单晶的力学性能。因此,系统地研究各种杂质对直拉硅单晶力学性能的影响具有重要的意义。本文利用纳米压痕、显微压痕、超声探测技术和高温弯曲等手段详细研究了高浓度的锗、磷和砷杂质以及高密度氧沉淀对直拉硅单晶的弹性模量、硬度、断裂韧性和位错滑移等力学性能的影响,得到了如下具有创新意义的结果：（1）研究了高浓度锗掺杂对直拉硅单晶力学性能的影响。利用纳米压痕技术发现了掺锗会使硅单晶的杨氏模量和硬度提高,通过超声测量技术和显微拉曼光谱技术,我们揭示了锗杂质促进了硅单晶在压痕过程中从金刚石立方（Si-I）相到体心四方（Si-II）相的相变是促使其杨氏模量和硬度在压痕过程中表现出提高的原因,也发现了这种促进作用会随锗浓度的升高而增强。显微压痕的研究表明：掺锗使单晶硅的压痕断裂韧性略有降低；浓度高至1.4x1020cm-3的锗杂质对位错滑移的临界切应力和位错运动的激活能没有明显影响,但使硅单晶中位错的运动速率略有增大。（2）研究了高浓度磷杂质和砷杂质对直拉硅单晶力学性能的影响。利用纳米压痕技术发现了重掺磷会使硅单晶的杨氏模量略有降低。而显微压痕的研究表明重掺磷能使硅单晶的压痕断裂韧性提高。利用高温弯曲实验对直拉硅单晶中位错运动的研究表明重掺磷和重掺砷都能显著提高位错运动速率,使位错运动的激活能明显降低,且在实验的应力范围内,位错运动速率随切应力增大而线性增加。重掺磷硅单晶位错运动的临界应力明显增加,而重掺砷硅单晶的位错运动的临界应力和轻掺硅没有明显差异。（3）研究了重掺锗和重掺砷对直拉硅单晶中氧钉扎位错和氧在硅中的扩散的影响。研究发现高浓度锗杂质和砷杂质对氧和位错的相互作用没有明显影响。结合已有的重掺硼硅单晶中氧的扩散系数的数据,我们分析了在双氧原子扩散机制主导氧扩散的低温下（不高于550℃）,杂质影响硅中氧扩散的机理。浓度为3×1018cm-3的硼杂质使氧的有效扩散系数显著增加,有效扩散系数为氧浓度相同的轻掺硼硅单晶中的8-25倍。浓度为8×1019cm-3的锗杂质和浓度为2×1019cm-3的砷杂质对硅中的氧扩散有较小的抑制作用。锗掺杂最多使硅中氧的有效扩散系数减小为原来的1/4,砷掺杂至多使硅中氧的有效扩散系数减小为原来的1/5。由于锗杂质仅在晶格中引入应变而不影响费米能级的位置,根据锗杂质对氧扩散的影响,我们得到硅晶格的应变会影响硅中双氧原子的扩散。而砷杂质和硼杂质在硅晶格中引入的应变和锗杂质在硅单晶中引入的应变符号相反,且在我们研究的掺杂浓度下,重掺砷和重掺硼硅单晶中的晶格应变远低于锗掺杂硅单晶中的晶格应变。因此我们可以得知费米能级位置会影响硅中双氧原子的扩散：费米能级靠近价带顶时促进氧扩散,靠近导带底时则会抑制氧扩散,且费米能级靠近价带顶时对氧扩散的影响比靠近导带底时更强。（4）研究了密度为109cm-3数量级的片状氧沉淀对直拉硅单晶力学性能的影响。对压痕诱生滑移位错的研究表明高密度氧沉淀对硅单晶中位错的滑移有明显的抑制作用,且氧沉淀密度越高,尺寸越大,对位错滑移的抑制作用越强。基于沉淀强化和弥散强化的机理建立了压痕诱生位错的滑移距离和氧沉淀的密度、尺寸之间的关系。结果表明沉淀强化机制能较好地解释氧沉淀对硅单晶的强化作用,氧沉淀和位错的应力场的相互作用是氧沉淀抑制位错滑移的主要原因。氧沉淀使硅单晶的杨氏模量略有增加,而对硅单晶的纳米压痕硬度和压痕断裂韧性都没有明显影响；对纳米压痕过程中卸载突退现象的研究表明,在相同的实验条件下,含有高密度氧沉淀的硅单晶中卸载突退倾向于更晚发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 单晶硅的基本力学性质
• 1.2.1 单晶硅的晶体结构
• 1.2.2 单晶硅的弹性模量
• 1.2.3 单晶硅的断裂强度和断裂韧性
• 1.2.4 单晶硅的接触损伤和压痕断裂韧性
• 1.2.5 单晶硅的塑性
• 1.2.6 单晶硅的硬度
• 1.2.7 杂质对单晶硅基本力学性质的影响
• 1.3 单晶硅中的位错运动
• 1.3.1 单晶硅中的位错运动机制
• 1.3.2 应力对位错运动的影响
• 1.3.3 温度对位错运动速率的影响
• 1.3.4 压痕残余应力作用下的位错运动
• 1.3.5 杂质对位错运动的影响
• 1.4 单晶硅中杂质原子对位错的钉扎作用
• 1.4.1 直拉硅单晶中氧对位错的钉扎作用
• 1.4.2 直拉硅单晶中其他杂质原子对位错的钉扎作用
• 1.5 单晶硅力学性能的纳米压痕研究
• 1.5.1 纳米压入技术
• 1.5.2 纳米压入技术测试材料的硬度和模量
• 1.5.3 纳米压痕研究单晶硅的力学性能
• 1.5.4 杂质对单晶硅纳米压痕力学行为的影响
• 1.6 本文的研究方向
• 第二章 实验样品和研究方法
• 2.1 实验样品和样品制备
• 2.1.1 实验样品
• 2.1.2 样品制备
• 2.1.2.1 样品解理和切割
• 2.1.2.2 样品清洗
• 2.1.2.3 样品抛光
• 2.2 主要实验设备
• 2.2.1 显微维氏硬度机
• 2.2.2 热处理炉
• 2.2.3 扫描红外显微镜
• 2.2.4 纳米压痕测试系统
• 2.2.5 高温弯曲实验
• 2.2.6 显微激光拉曼光谱
• 第三章 锗掺杂对直拉硅单晶力学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验样品
• 3.2.2 纳米压痕实验及拉曼光谱测试
• 3.2.3 压痕断裂韧性测试
• 3.2.4 高温三点弯曲实验
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 掺锗对直拉硅单晶纳米压痕力学行为的影响
• 3.3.2 掺锗对单晶硅压痕断裂韧性的影响
• 3.3.3 掺锗对单晶硅中位错运动的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 重掺磷、重掺砷对直拉硅单晶力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验样品
• 4.2.2 纳米压痕实验
• 4.2.3 压痕断裂韧性测试
• 4.2.4 高温三点弯曲实验
• 4.2.5 压痕诱生位错滑移实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 重掺磷对单晶硅纳米压痕力学行为的影响
• 4.3.2 重掺磷对单晶硅压痕断裂韧性的影响
• 4.3.3 重掺磷、重掺砷对单晶硅中位错运动的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 杂质对氧钉扎位错的的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验样品
• 5.2.2 位错钉扎实验
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 氧对位错的钉扎作用及杂质的影响
• 5.3.2 数值模拟方法
• 5.3.3 掺杂对氧的有效扩散系数的影响
• 5.3.4 掺杂对氧的扩散机制的影响
• 5.3.5 掺杂影响氧扩散的机理
• 5.3.6 重掺P对氧扩散的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 氧沉淀对直拉硅单晶力学性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 实验样品
• 6.2.2 压痕诱生滑移位错实验
• 6.2.3 纳米压痕实验
• 6.2.4 压痕断裂韧性实验
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 氧沉淀对压痕诱生位错滑移的影响
• 6.3.2 氧沉淀对单晶硅的强化作用
• 6.3.3 氧沉淀对单晶硅纳米压痕力学行为的影响
• 6.3.4 氧沉淀对单晶硅压痕断裂韧性的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表论文