氮氣氛退火直拉硅中缺陷的低溫紅外光譜分析

劉麗麗, 孫士帥, 張穎濤, 李洪濤

(1. 天津理工大學 理學院，天津 300384；2. 中國原子能研究院，北京 102413)

0 引 言

紅外光譜測試(FTIR)是硅片測試的一種常規手段。常溫的FTIR可以測量硅片中的間隙氧(Oi)含量，對比退火前后的間隙氧含量，間接可以測出硅中氧沉淀的生成量。低溫(20 K)FTIR測試用來獲得樣品的精細紅外光譜[1～3]。

近年來，在直拉硅(CZ-Si)單晶中人為引入一些雜質，以獲得更好的機械或電學特性。在直拉硅單晶中摻入氮(N)雜質稱為微氮直拉硅(NCZ-Si)?，F有的實驗證實：在大直徑硅中摻氮可以減小voids的尺寸，使其在高溫退火時容易被消除[4]；N在器件制造過程中能促進氧沉淀的生成，增強硅片的內吸雜能力[5～9]；同時N能夠釘扎位錯，提高硅片的機械強度[10-11]。

本文將單晶硅在氮氣氛下退火，然后用低溫(20 K)紅外傅里葉變換檢測發現，低溫紅外光譜中出現了2 850和2 920 cm-1兩個吸收峰，這兩個吸收峰與氮雜質有關，且與單晶硅內原始氮、氧含量及快中子輻照劑量有關。

1 材料與方法

1.1 材 料

樣品：浙江大學海納半導體有限公司提供的無位錯直拉硅單晶，分為CK、A、B三種，均為單面機械拋光，n型，〈111〉晶向。CK樣品為CZ-Si，直徑20 mm，厚度0.7 mm，初始間隙氧含量([Oi])10.8×1017atoms/cm3，根據輻照劑量分為5組(見表1)。A樣品為NCZ-Si，直徑150 mm，厚度0.67 mm，初始氧含量約為5.9×1017atoms/cm3。B樣品同樣為NCZ-Si，直徑150 mm，厚度0.67 mm，初始氧含量約為9.1×1017atoms/cm3。A、B樣品按輻照劑量各分為兩組A0、A1、B0和B1(見表2 )。

表1 CZ-Si的輻照劑量及間隙氧含量

表2 NCZ-Si的輻照劑量及間隙氧含量

1.2 試驗方法

將所有樣品化學拋光后用去離子水沖洗并干燥，然后將所有CK、B以及部分A樣品在單管擴散爐進行1 100 ℃退火8 h，氮氣為保護氣氛；另外，將部分A0樣品在氬氣氛保護下1 100 ℃退火8 h。所有樣品取出退火爐并快速降溫至室溫后用HF酸浸泡2～3 min以除去樣品表面的氧化膜。利用低溫紅外技術(20 K)獲得樣品的精細光譜，掃描256次，以消除噪音的干擾。

2 結果與分析

2.1 2 850、2 920 cm-1吸收峰與退火氣氛的關系

圖1為A0樣品分別在氮氣氛和氬氣氛保護下退火后的低溫紅外吸收譜。圖中A0為氮氣氛下退火，A0Ar為氬氣氛下退火。對比兩條譜線可以發現，氮氣氛下退火的A0樣品吸收譜中出現了2 850、2 920 cm-1兩個吸收峰。A0Ar樣品為微氮直拉硅，本身含有一部分N雜質，但是當它在氬氣氛下退火時，沒有出現2 850、2 920 cm-1這兩個吸收峰，說明這兩個吸收峰所代表的缺陷只生成于氮氣氛保護下退火。

2.2 2 850、2 920 cm-1吸收峰與單晶硅中原始氧含量的關系

圖2是A0和B0樣品1 100 °C退火8 h后的低溫紅外光譜，在這兩個樣品的光譜中都發現了2 850、2 920 cm-1吸收峰且B0樣品的峰值強度要高于A0樣品。A0和B0樣品均為NCZ-Si，只是B0樣品的原始間隙氧含量要高于A0，在相同的熱處理情況下，原始間隙氧含量越高，退火后形成的2 850、2 920 cm-1吸收峰強度越強，說明這兩個吸收峰的生成和間隙氧含量有關。

2.3 2 850、2 920 cm-1吸收峰與單晶硅中原始氮含量的關系

為了驗證吸收峰形成與氮雜質濃度的關系，比較了A1、CK3樣品1100 °C退火8 h后的低溫紅外光譜。在相同的熱處理情況下，A1樣品光譜中2 850、2 920 cm-1吸收峰的峰值強度要高于CK3樣品。CK3樣品為CZ-Si，A1樣品為NCZ-Si，且CK3樣品的原始間隙氧含量要高于A1樣品。這說明樣品中的原始氮含量越高，退火后樣品低溫紅外光譜中2 850、2 920 cm-1吸收峰強度越強，且氮雜質含量對2 850、2 920 cm-1吸收峰形成的影響要比間隙氧含量的影響要大。說明這兩個吸收峰的生成和樣品中氮雜質含量有關。

2.4 2 850、2 920 cm-1吸收峰與單晶硅輻照劑量關系

圖4是不同輻照劑量的CK樣品退火后的低溫紅外光譜。CK1～CK4樣品光譜的2 850、2 920 cm-1吸收峰強度沒有明顯區別，但都明顯強于CK0樣品。說明空位會影響2 850、2 920 cm-1吸收峰相關缺陷的形成?？熘凶虞椪諘谥崩瓎尉Ч柚幸隫O缺陷[12-13]，高溫退火時，VO缺陷會分解，釋放空位，空位和單晶硅中的氮雜質反應生成N2V2，N2V2和氧原子結合生成N2V2On[14～15]。但輻照劑量對2 850、2 920 cm-1吸收峰相關缺陷的形成沒有影響。猜測有兩方面的原因：① 當輻照劑量達到1×1017個/cm2，所產生的空位濃度已經達到或超過和氮氣氛退火時擴散進來的氮雜質反應的臨界值。因此，當空位濃度高于臨界值后將不再參與生成N2V2。② 輻照劑量越大，樣品中的間隙氧含量越低，低的間隙氧含量限制了2 850、2 920 cm-1吸收峰相關缺陷的形成。

3 結 語

單晶硅中原始間隙氧含量、氮雜質含量越高，退火后低溫紅外光譜中2 850、2 920 cm-1吸收峰的強度越強?？熘凶虞椪諉尉Ч柰嘶鸷蠊庾V的2 850、2 920 cm-1吸收峰強度強于未輻照單晶硅，但與輻照劑量無關。這些發現說明2 850、2 920 cm-1吸收峰相關缺陷的形成與單晶硅中的原始間隙氧含量、氮雜質含量及輻照空位有關，猜測其組分為N2V2On，具體的組分將待后續進一步研究。