晶体硅中缺陷和沉淀的红外扫描仪研究

关键词：硅，红外扫描仪，缺陷，沉淀

中图分类号：TN16；TN 4 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)07-0018-03

1 前言

随着超大规模集成电路的发展，对微电子用单晶硅中微缺陷和杂质的要求也越来越高，亚微米级的杂质或缺陷都会对集成电路的性能产生重大影响。在这方面过渡族金属杂质的危害就显得特别突出。在亚微米级的集成电路中，一个微小的金属沉淀就极有可能损害它的电学性能，从而导致这个集成电路的失效。因此现代微电子工艺过程中在尽力避免金属的沾污的同时，更重要的是采用内吸杂和多晶硅外吸杂等工艺。为了有效地采用吸杂工艺制备高质量的硅器件，就必须深入研究晶体硅材料中过渡族金属的沉淀行为。另外，在光伏工业中广泛采用太阳能电池用单晶硅和铸造多晶硅，在这些材料中存在着高密度的位错，金属杂质或晶界等缺陷，而这些缺陷和杂质的交互作用使得太阳能电池的转换效率显著下降，因此观察这些硅材料中缺陷和杂质的交互作用对于采用合适的吸杂工艺提高太阳能电池的转化效率有着十分重要的作用。

传统上，无论在微电子工业中还是在光伏工业中，研究晶体硅中缺陷和杂质所常用的方法有缺陷择优腐蚀结合光学显微镜观察。为了更加准确地研究缺陷和杂质的相互作用，一般需要借助于透射电镜。对于他们的特点，归纳如表1所示。正如表中所知，无论是择优腐蚀结合光学显微镜还是透射电镜观察，都难以用于微电子器件制备工艺中的无损观察。

2 成像原理

红外扫描仪的物理基本原理是硅对于近红外波段的光是透明的。其基本的工作程序如下：当波长在1.1～1.3 mm的红外激光（典型波段）经一个孔径大约为0.8～0.9的透镜后聚集成一束细小的激光探针，照射到硅片上，由于硅对于此波段的激光是完全透明的，激光就会穿透硅片被一个放置在合适位置上的探头所接受到，激光信号再经收集，放大，储存到计算机里，终经相应的图象软件在计算机里成像。如果硅片中存在着缺陷或杂质，这些缺陷或杂质会在硅片引入一定大小的局部应力，从而导致硅片局部的不均匀，使得激光经过该位置时产生散射，从而导致探头所接受到的信号减弱，在所生成图象的对应位置形成暗像。由于硅片和探头可以在一定的机械装置控制下移动，所以采用此检测设备可以对硅片进行不同深度和面上的扫描观察。虽然成像过程似乎很简单，但是其成像原理却是十分复杂[1]。

3 应 用

3.1 单晶硅中的金属沉淀
是直拉单晶硅经1100℃热处理6min，用不同冷却方式所形成铜沉淀的红外扫描电镜照片。

(a)显示的是快速冷却后所形成的铜沉淀团。从图中可以清楚地看到，大小在5mm左右，密度大约为108cm-3的点状铜沉淀团比较均匀地分布在整个照片中，而且这些铜沉淀团的衬度在70％以上，说明铜沉淀对硅基体产生了很强的局部应力。（b）显示的是慢冷后所形成的铜沉淀团。从图中可以发现，这种沉淀团非常巨大，一般都在200mm以上，不仅在表面而且在体内都能够观察到如此大的铜沉淀团，而且都是这种呈“星形”或“十字形”，这种形貌显著地不同于快速冷却后所形成铜沉淀团的形貌。图中沉淀团衬度可达300％，表明慢速冷却比快速冷却对基体硅产生更大的压应力。另外从(b)图中还可以发现：在同一个铜沉淀团里每两个肢端之间的夹角约为45°或者是90°，不同的铜沉淀团里的相对应的肢端都会相互平行，呈一定晶向排列。根据铜沉淀团重复形核长大理论[2]，那么图中肢端的方向应该是<110>或<100>，这样之间的夹角刚好为45°或者是90 °。

是直拉单晶硅样品经1100℃热处理30分钟后空冷后所形成铁沉淀的红外扫描仪照片。快冷形成密度高达7.5×107 cm-3的点状铁沉淀，这些铁沉淀所引起的衬度约为6％，远远小于铜沉淀的衬度，这表明铁沉淀对硅基体所产生的局部应力很小。

3.2 铸造多晶硅中的位错和氧沉淀
显示的是原生铸造多晶硅硅锭底部样品中氧沉淀和位错的红外扫描仪照片。图中可以清晰地观察到氧沉淀和高密度位错。需要指出的是，在铸造多晶硅顶部部分，用红外是很难观察到位错和氧沉淀。这是由于铸造多晶硅底部氧浓度很高，在材料生长过程就会形成氧沉淀，从而产生较大的内应力，而在铸造多晶硅的底部则刚好相反。同时，在铸造多晶硅底部，由于材料生长的原因，底部部分应力较大，所以位错也可见，而在底部则不能被红外扫描仪所观察到[3]。

3.3 三晶硅中的孪晶晶界

三晶硅是一种新型的半导体材料，可望在太阳能电池工业得到应用[4]。显示的是用红外扫描仪所观察到的孪晶晶界。图中孪晶晶界的衬度低于1％，说明在晶体过程中热应力较小，否则就很容易形成多晶材料。这对于指导该材料的晶体生长有很重要的意义。

4 总 结

用红外扫描仪可以很方便地观测到各种晶体硅材料体内的金属沉淀、位错、氧沉淀和孪晶晶界，这对于提高晶体生长质量，制备高质量的硅基器件有着很重要的意义。同透射电镜和光学显微镜相比，这种研究手段不会破坏样品，而且还可以进行深度扫描和面扫描。