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《浙江大学》 2011年
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杂质对直拉硅单晶力学性能的影响

曾徵丹  
【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。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN304.12

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