重掺砷硅单晶中痕量硼二次离子质谱定量分析的异常现象

在用二次离子质谱(SIMS)进行重掺砷硅单晶中痕量硼的定量分析时,有时会出现硅片表面局部区域硼浓度非常高,接近1016atom/cm3的现象。但是只要把分析区域横向移动几百微米的距离,硼浓度就降到正常范围<1×1014atom/cm3。按重掺砷硅单晶制备工艺过程,硼在硅单晶中的分布应该是非常均匀的,而且存在这种硼浓度分布的异常硅单晶加工生产的n/n+外延片并没有出现质量问题。这说明硼浓度分布异常的情况也许是一个假像。本文将探索这一异常情况与硅中所存在的氧的相互关系。

重掺砷衬底氧本征吸杂能力的探讨

虽则集成电路级单晶衬底的氧本征吸杂工艺已作过广泛的探讨,重掺衬底的氧本征吸杂研究还仅是近年来才开始的.与体材料相比,采用P/P^+和n/n^+外延材料加工MOS电路有很多优点.自从得克萨斯仪器公司在81年首先成功地在工业上采用硅外延片加工64k RAM以来,MOS电路的衬底已开始从体单晶向外延片的过渡.同时,也激发了研究重掺衬底氧本征吸杂(IG)工艺的兴趣.本实验室通过对重掺砷衬底氧本征吸杂工艺的摸索,体内缺陷的观察,外延层上MOS C-t寿命以及二极管反向特性曲线的测定,以探讨高掺杂情况下,衬底硅材料的本征吸杂能力.

防止重掺砷CZ单晶硅组分过冷的探讨

在探讨组分过冷数学模型的基础上,针对重掺砷CZ单晶硅的生长,理论计算了防止组分过冷时固液界面处晶体温度梯度GS的临界值为51.32~33.10 K/cm.以此为依据,设计了具有较大温度梯度的18寸（60 cm）晶体生长热场,以数值模拟的方法,给出了固液界面处晶体的温度梯度GS的模拟值为54.68~38.14 K/cm.在晶体等径生长的各个阶段,固液界面处晶体的温度梯度GS的模拟值均在防止组分过冷的临界值之上,可以有效避免晶体生长过程中组分过冷的发生,并利用实际晶体生长试验的结果验证了以上分析的有效性.

重掺砷硅单晶中痕量硼的二次离子质谱定量分析

重掺砷硅单晶中杂质硼含量的控制是十分关键的,因无法用常规的红外光谱法测试,于是转而使用二次离子质谱法来测试.虽然二次离子发射机理复杂,基体效应明显,但通过相对灵敏度因子法,还是能够比较精确地给出定量测试结果,解决重掺砷硅单晶中硼杂质的定量检测问题,进而为控制硼含量提供了依据和帮助.

低温退火对重掺砷直拉硅片的氧沉淀形核的作用

通过对比研究重掺砷直拉硅片和轻掺n型直拉硅片经过低温(450—800℃)和高温(1000℃)两步退火的氧沉淀行为,阐明了低温退火对重掺掺砷直拉硅片的氧沉淀形核的作用.研究指出:重掺砷硅片在450℃和650℃退火时的氧沉淀形核比在800℃退火时更显著,这与轻掺硅片的情况截然相反;此外,与轻掺硅片相比,重掺砷硅片在450℃和650℃退火时氧沉淀的形核得到增强,而在800℃退火时氧沉淀的形核受到抑制.分析认为,重掺砷硅片在450℃和650℃退火时会形成砷-空位-氧(As-V-O)复合体,它们促进了氧沉淀的形核;而在800℃退火时As-V-O复合体不能稳定的存在而缺少氧沉淀形核的前驱体,并且重掺砷会导致硅晶体中的晶格压应力,因此氧沉淀形核被显著地抑制.实验还表明,在重掺砷硅片中掺入氮杂质可以促进低温退火时的氧沉淀形核,这种促进作用在800℃退火时表现得更加明显,这与氮引入的异质形核中心有关.

失效器件分析

As重掺杂Si片的电阻率可低到10-3Ω.cm,可用作外延片的衬底材料,对于正向压降低的半导体器件来说,用这类外延片制作器件是最恰当的选择。As重掺杂Si片在外延时容易产生气相自掺杂,尤其是同型外延时还存在固态外扩散现象,在整个制作器件过程中易产生工艺参数偏差,导致器件性能下降,严重时器件失效,当然衬底材料也可以选用价格较高的背处理工艺Si片,能有效地抑制由于后续加工工艺产生的许多缺陷。对某生产厂生产的一批器件电参数性能下降的原因进行了剖析,分析阐明了以As重掺杂Si片为衬底的外延片中衬底杂质对器件质量的影响。

硅中磷杂质的SIMS定量检测

利用SIMS(二次离子质谱仪)测试了国产重掺砷硅单晶中的痕量杂质磷,通过样品前期处理和精密的仪器调试,使检测时间缩短,并使硅中磷的检测限达到5×1013cm-3。实验结果表明,样品的前期处理工艺会对检测结果产生影响。不同处理工艺得到的样品,在表面粗糙度方面产生区别。不同的表面粗糙度,影响到样品的测试时间和测试精度。同时,通过仪器调试,仪器的真空度达到1×10-10torr,使测试背底和检测限降低。