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电子束半导体掺杂兰州物理研完所于志战、本摘要文抓要介绍了国内外有关电子束半导体格杂方面的实脸技术修杂机理研究,了今后要进一步深入研究的几个问题。以及电子束半导休移杂实用性等问题提出,随着电子束应用的日益广泛近年来有人等人还利用电子束掺杂法进行半导休表面氧、’么!利用荷能电子束辐照贴放或涂敷在硅锗,−./0/,。化和的混合生长等研究,等半导体材料表面上的杂质材料实现了电子电子束掺杂是电子辐射效应一种独特的应。,。束致半导体掺杂同半导体离子注入掺杂相比用众所周知,荷能电子和物质作用时,会使电子,。束掺杂具有电子能量易于改变既能制造物质产生辐射损伤荷能电子在半导体晶休中∀浅结又能掺杂朴半导体探处半导体晶体中生生长的缺陷通过缺陷增强扩散过程促进了杂质,成的晶格缺陷的形态和多少可以控制结晶性原子在半导体材料中的扩散夕使其能扩散至半。质破坏较小等优点这种新的掺杂方法不但具。,导体内部深处和田等人通过实验工作发现经,有物性研究方面的介义也具有一定的实用意∋)1234高能电子束辐照,杂质原子在半导体。义用电子束掺杂法制作的平面二极管具有较“5”型分布,内深度方向呈表现出室温下的。好的二极管瑞争性州而利用高能电子束掺杂异。常扩散现象对于经荷能电子束辐照后半导,∃∃,法在#%#荧光体中掺入锌使其发光亮体内的缺陷生成及杂质原子在其中的扩散机理“。,度提高了&∋()&∗(+,!近年来和田隆夫,,‘一6丁。问题已进行了很多研究工作,步增大氮气的比例制备出了性能优良的绝缘,这种绝缘材料可用于非晶器材料非晶氮化硅、五结论,,件的绝缘层可使制造非晶器件的工艺简化。并能使非晶器件性能有很大提高.一.一二采用辉光放电法制备了078和97,;二,,:8样品翘过对样品进行椭偏谱测量.一∃、参考资料分析了978样品的折射率消光系数<及∀一.ΑΒΧΔ.工ΗΙ7Α.ΧΚΛΧ,。〔〕>?≅栩1ϑ4介电常数虚部随淀积时衬底温度的改变而变户∋ΕΦ,&ΕΓΕ∀.一二,一二∃、、。∋化并分析了97:8样品的<,’〔匀莫党等《钮理学报》、。&∋ΕΜΝΓ随淀积气体中氮气与硅烷气体体积比=的改变几Ο33,、Χ0Χ二∗〕人丫7卜%不Δ7Π老卜弃Π∀,∃立而。变化从祖出的结果中我们可以看出=的增&ΕΝ(大在膜中引起的宏观光学参数的变化趋势与在〔诊〕同〔Α〕,.一978时,ΘΟ〕罗晋生等非晶半导休淀不降低衬底温度引起的宏观光学。参数的变叱趋势相似在工作研究中我们进一 ,,,木文仅就电子束半导体掺杂的实验技术位素丰度元素的电离几率等利用娱野一玻掺杂机理研究及今后要进一步研究的几个问题、尔兹曼等方法可以计算出半导体内杂质原子浓。。作一扼要介绍度分布和扩散系数电子束半导体掺杂效果受多个因素的影、。一电子束半导体掺杂的实验研究和田等人通过改变杂质薄片的厚度,响荷能电子束的能量,电子束半导体掺杂可以利用不同能量的电辐照电子通量率和总通量大小。以及半导体衬底材料的性质进行了各种因素对子束来实现和田等人利用直线加速器引出的。、、∋一1234高能电子束进行了硅锗砷化稼等掺杂影响的研究实验结果表明掺入半导体。’材料的铝、锢、硼、磷及锑化稼等多种掺杂实中的杂质原子浓度和辐照电子能量有关例!,∀##验,李秀琼等人则利用∗(<34的低能电子束实如对厚度为的锗杂质薄片当辐照温度、∋’)∗名,。为∃%℃辐照通量为&(%+,#在电子现了Μ型硅的磷掺杂∗,能量为了−.时硅衬底中掺入的锗原子最高能电子束掺杂是将衬底晶片切割成一定。,Ρ“,多掺杂效果和电子辐照总通量也有关系通尺寸Θ例如&(&(ΣΣΦ的小块用常规的半导‘/、‘吕∗么,常使用的总通量大小为(%(%+,#量体清洗法作清洁预处理然后对着晶片镜面贴。。,放上也作过清洁顶处理的高纯度杂质薄片这级通量太小掺杂结果不明显如有意地将试,样部分面积用一定厚度的铅板盖上以屏蔽掉样组合的样品可放置于大气中或放在抽空的真,。,电子辐照的影响则在这部分表面下的体内未空室内进行掺杂试验由于荷能电子的热效应。,不经冷却处理的样品在掺杂过程中温升大且检测到杂质原子在总通量一定情况下掺杂。∗,。效果和通量率大小有关例如对0+12组合样不能控制掺杂结果很不稳定所以更多的是在。,,∋‘/∗水温可控的流水中作掺杂实验流水中电子掺品当辐照温度为∃%℃辐照总通量为&(%!·。+∗#3时,在通量率为(/∋4“∗+∗#么∀附杂实验装置简图如图&所示组合试样用薄的铝。,∗近掺入的0杂质原子最多叫杂质原子掺入半导体衬底材料中的深度和杂质薄片厚度有。Τ关当辐照电子能量一定时5通常为/−∗.6,&道,∗’杂质片厚度有一最佳值如对0+∀2组合样品!&缪李导体手全怎锗片厚3##时掺入最深,杂质片材料比重越凡,’。崔托横轻该最佳厚度值变大更又加签、,高能电子束掺杂实验结果表明硅锗等半导体材料中的稼、锑、锢、铝等杂质原子随匕」=」日4>。7“8”杂狱束板深度的分布呈如图所示的型分布‘9动,‘亿乒典,多,巴!冷那水忠。「&幽(六9!(4;。。;掣勿州粤恻裕感<;厄际八尸:入9厅。幸自&卜工冷邹水入流割蚤,、皿6、5工飞⋯图(电子束半导体掺杂装置概图ΑΒ一ΑΑΑ上ΑΒΑΑΑ上Χ5,6一&。。尺,忿岌4头;箔包好使其镜面对着电子束将样品盒放进水‘乡口。八首。祷背时温可保持恒定的水槽中进行辐照掺杂衬底半一图30。&宜衬底中杂质原子浓度的“8”型分布’了导体中的杂质原子用二次离子谱仪或卢瑟夫背艺。,散射法进行测量在作测量数据处理时考虑同质原子的这种分布用普通的反冲注入机理是难?≅ 。,34电子传递给杂,,以解释的根据计算&(2?为电子的动能2为杂质原子的质量∋为3,。质原子/,的最大能量为60<4依据Υ99离它的原子序数/Α杂质,当电子能量例如对子注入理论,具有这种能量的反冲/Α原子(23,二60<3,&Φ式为&4时Ψ为4由Θ算出反,,注入半导体的深度约为&(/,而/Α的Γ234冲能谱结合离子注入的射程计算可得到杂。电户束掺杂试验表月,质原子在半导体衬底材料中的浓度分布在半导体晶体表面下34电子在97、/Α中的一了“Γ/,十,&(2射程分别为∋(/深处也能检测到这就是电子束半。,导体掺杂实验中独特地表现出来的室温下异常ΣΣ和#ΧΣΣ按电子在导半体中的经迹考虑。它在Ο&中生成的弗仑克尔型缺陷的生长率约为溅射及异常扩散现象【’。ς。Ε个Ζ厘米此外电子和晶体的晶格作用、,二电子束半导体掺杂机理使晶格歪斜这相当龄在禁带中央产生了深能【’‘级缺陷!Χ半导体中固有的和电子辐照产生,应要分析理解电子束半导体掺杂的机理的这些缺陷对反冲杂质原子在其中的扩散行为,。明确电子对半导体材料的作用这些作用对杂将发生大的影响,质原子扩散起什么作用杂质原子是怎样在半∋缺陷在半导体中的分布。,[导体材料中向深处扩散的这样几个问题电子辐照在半导体中生成的缺陷浓度&电子对材料的作用∴.0]Β.【‘∋!应用半导体的电阻和电子辐照通。荷能电子是一种贯穿性较强的射线它和量间的关系得出为:>二中艺月,其中,为各种,&杂质及半导体材料作用时可使其中的原子被。缺陷的生成率和田隆夫给出电子辐照生成缺,,溅出来也可将一部分能量传递给杂质原子。:。陷浓度的空间分布为使其成为反冲原子它可以在半导体中产生电·,Ρ,,·_·,Ρ,,·:Θ?⊥,Θ??,Φ。Θ?,;子一空穴对这种简单的弗仑克尔型缺陷,ς餐也可、,Β?Θ∋Φ生成位错晶格歪斜及深能级等各种缺陷。,3Βς≅ΩΧΚϑΔΔΞ‘!系统地评述了高能电子在其中?为入射电子的能量?为缺陷生长。,⎯半导体中产生缺陷问题的阂值能量?为电子和原子作用时的瞬。一电子和杂质材料中的原子发生反冲作用态能量应用每种缺陷的生成率月及快电子贯一。。时,反冲能谱为穿物质的门德卡罗法算出的能谱可以求出:,3#、忿·’#Θ,Ψ‘一”]仃一3_界气一一歹一α夕神β畏瓦(&吕34(ΛΛ&吞(χ‘ΘΦ‘一ΘΦΦ之亏恻珑也彭Θ是β。&Λ一洲雳〔畏贵〕δ井冬δ洲产Ζ’一,Θ&Φ,。。‘’。一一δΖΖ。.∀式中Β反冲能量为Ψ的微分截面大小;吞办‘洲沪一一‘口Ψ二,最大反冲能量Ψ·“∋?χ#Δ]3#了、、?∋、Λ乡Ν3#抓Σ了。,Φ。∋。洋发Ζ?、Α一ε十‘’Μ“‘一一戈伍砰夕开3‘二图∗?卜。性04等深能级块陷在近表面处的分布〔〕 3、‘,3之。对于能量为ΑΧ24通量为&6φΑΧΖγΣ杂质原子沿着深度方向扩散有一附加的力,∗的电子辐照硅中生长的空位缺陷浓度约为杂质原子在半导体中的扩散‘“,]、、]、3、&(个Ζ厘米空位缺陷是均匀地分布在∗((对于//1ΩΗΥ7及Α一⊥族。。.∃’“&,、3卜Σ厚的薄层内[Υ≅1￡指出受能元素在半导体97−中的热扩散间题已进行了。3、‘“3“。、3量Α924通量&(“一&ΟΖγΣ电子辐照大量的研究对于受电子辐照的97−中杂。‘。的:型硅中产生的?一。&634等三种深能级质扩散问题也有人作过研究户”!Υ∴∗,3Γ!&缺陷在表面处呈如图所示的分布它对杂质≅7Δ综合自己及他人的研究成果给出如表,3。原子在半导体中的扩散将产生影响相当龄对所示的−晶体中各种杂质原子的扩散性质表&杂质在半导体中的扩散性质浮砚‘甲、‘‘ΚΔ‘玉‘公‘类别/⎯Ω&δ,&Ω]ΧΗ3]∃杂质元素Υ:7/1Ω/#Α万4族元素,乡受呼二⋯一蔽豪二⋯一薪一强扩散活化能η女34)&34ι∋Π4’“一,;吕里6(。Ω时的扩散系数>∋(一‘)ςΧ一3Σ,Ζ0一%&(3Κ∃Ζ0&()(一盆γ里Ζ0一)一&(一Λ&(一Γ&(一吕&(一,最大溶解度Θ原子比Φ))】)&(一扩散过程填隙‘和其它双流替位、分解及其它空位及共它扩散机理填隙服从获克定律否δ大多不大多不服从和田进行的大量高能电子束半导体掺杂实验表78空位起主导作8月∀:。二,∋;1“&认为,6亏居晶格格点的替明半导体中的缺陷对杂质原子扩散起了增强9。∀6。作用,位杂质原子)分解成空位<和填缭袭质原由于电子和物质的作用形式不同其辐,>=射增强扩散有反冲增强扩散电离增强扩)·“),?≅中由聆有热,。汲其反过程放缺陷增强扩散等缺陷增强扩散是杂质原社贰。∀∀子在半导体材料中扩弹的主要过程!#,,能放出降低了对杂质原子扩散的阻止从而、、%%。∃&等人用示踪原子法分别研究了∋(。使杂质原子的扩散得到加强当半导体为高位)%,∗等在+中的扩散及)中的−&中的扩散机理错ΑΒ及高温扩,密度晶体散时可认为分解开。∀/%‘2问题.+/013研究分析了4和5在−&中,的空位和填隙原子是各自独立地进行扩散的高温增强扩散是依靠空位缺陷还是依靠硅自。∀∀)ΧΔ勺达到平∋(能在一很短时间衡值,,填隙原子的问题综合他们的成果关敖缺陷:2Ε,:&&,1’“3,%∋;和ΦΓ11在研究(在+中的扩6∀增强扩散机理有下述几种看法(,散时从空位浓度《(Η替位原子浓度8出 ,二、发求出/的扩散系数>为导作用的分解模型是不能解释实验中出现的扩,,。,_Ω>散现象的他们认为这时的扩散是一股主要为>Θ∗Φ,ΩχΩ“”填隙原子组成的自由流及另一股主要为替。,尹。”,其中>为−原子的自扩散系数Ω为Ω原位原子组成的,’Λ卜自由流形成的双流过程。。3“”子在−中的饱和溶解度由Θ∗Φ式算出的>同这两股流之间可互相转化自由流是一股33。,了ϕΔ的实验结果符合得很好快流填隙原子的扩散系数较替位原子的大两,ΟγΣ,“Θ∋Φ自填隙原子起主导作用个数量级约为&(Ζ0而非自由流是,5。%03Α3、一缓流但替位原子在半导体材料中的溶解度−等人研究⎯κ在97中的高温。,却比填隙原子的大两个数量级按照双流过程扩散得出的结论说在硅处于高温热平衡时,,的俘获机理扩散方程成为硅自填隙原子ς是占统治地位的点缺陷此时的Α,[,&篇,,。·”一””‘Ι二、χ”相‘互转”‘化’过程’为砂/αας广八在‘缺陷’增分‘α8以“[“一”一曰曰黔一一阵一)鲁,,扩散过程中自填隙原子的行为起主导作用没有发现空位对、κ的扩散作出什么大的贡⎯_>艺χΙ“一““。献令势和田隆夫在解释电子束掺杂过程中杂质电,工“”子的异常扩散现象时认为自填隙原子在杂质Ι为单位时间里俘获一个自由流成分的几。,#原子的体扩散过程中起主导作用他用数值计率Ι为每一被俘获成分单位时间里重新释放。算法求解了连续性方程组出来的几率二。及他们分析了.Φ牢俘获Ι#。一,、、,毕。两种情况分∀;。。“∀〕∀产、ϑΦ浅俘获Ι在作了一些简化假竺〔卜/〕二∀〔/十‘α认坦>Θ/犷名芬卫&Δ7〔/〕〔’〕3φΜΘ一φΥΦ指设后得出杂质原子在半导体中呈Ζ,。3Ζ数形式这可以解释很多实验结果≅7指出/1[〔/月3,只,等在−中的扩散属非费克型扩散有当Ι。‘,、。/。。、“∋、〕,产〔/竺鲤〕“>·Θ/加、〔/愁”““一二[“〔/二、〕〔:二Ι#:#,即两股流处于完全平衡,毕羚户荞ς〕可把它。这们看成是各自独立时才服从费克扩散定律Ζ,又〔/7〕种情况只有在低位错密度晶体Υ>中才会发ΘΛΦ。生,应用∃<的分解模型另一方面ΗΚ.算出的一。∋、ς〔>口袱>ΘςΦς〕一,屯∀‘‘。、χ[#‘替位原子扩散系数较实验值大得多对于一〔/〕〔ς〕移φλ中等位错密度的晶体,双流过程的俘获机理是可。行的∀〕χ−ς〔/一ΘΛΦ杂质空位对子模型、Χ0.Α’Γ!0&,。2∴Ι7Β在研究κ/在Ο中的其中−为自填隙的产生率如果把表面扩散考,一。,扩散过程时认为磷杂质空位对构成?心?虑进去算出晶体背面处的杂质原子浓度作为产,则杂质原于在半一导体内的分Δ4另一个边界条件牛一,。、一、Γ分Ε.Φ心可以有ΦΦΦ几种荷电“”,。产布呈5型和实验结果是一致的卜Θ∗Φ双流过程。一。态他基于杂质空位对模型求解了扩散方程3、、、Υ∴7研1ΩΧΗ33他认为ΗΙ∀≅究/在−中高杂质在硅中的扩散只能以Φ心来,(∗夕十。温扩散时指出当晶体中的位错密度为&一实现自由的施主杂质Ε是不动的Ν,,&(ΖγΣ这样常见的实际情况时用空位起主缺陷增强扩散除上述几种模型外也有人 。对深一能级缺陷上的电子空穴重新复合放出能转电子束半导体掺杂已作了不少研究工作我,最降低了对杂质原子扩散的阻止能这种情况以为在下述几个方面还可以进行更深入广泛的’9。。作了研究Ξς研究、Κ3Χ。,ΘΟΦ表面扩散问题&Φ/⎯ΑΔ“!认为半导体硅中含、,39∃时,它们对空位有强的选择如前所述高能电子束掺杂的杂质原子在有高浓度−。“5”型半导体中呈分布仅用体扩散过程是难性捕获作用用这种选择性捕获法来研究电子。。;以解释的实际上杂质原子还可以沿着半导体束半导体掺杂扩散机理问题进一步从实验Υ。表面先扩散至背面,然后由背面扩散至半导体探明空位和填隙原子在扩散中的作用。’内部≅≅2]ΑΑ7∃0“&研究了热多晶体∋Φ国内外分别已用低能或高能电子实现。3的表面扩散及荷电态变化在晶界处的沟纹生长了半导体的电子束掺杂用能量为,24的电。‘。、问题表面扩散产生的沟纹外形⊥ΘφΔΦ满足子束作半导体掺杂尚未有人进行过实验。方程式∗Φ用电子束掺杂法制成κ:结已有报道一、。⊥Θφ,ΔΦ;⎯旦丝坚兰丝这种方法制造的半导体元件其实用性和电子束ΘΝΦ日Ρ,。半导体掺杂法的实用意义有待研究‘召。之ε,>ΛΦ进一步改善实验技术研究样品在真_>,0为表面扩散系数,丫其中⎯<Ψ空条件下的电子束半导体掺杂间题。夕,,、为为单位表面的面自由能为分子体积参考资料单位表面的原子数。当主要是表面扩散引起,,,〔λ〕和田隆夫应用物理4ΧΑΟ∋κ∋∗Ε&Ε6∗,Δ‘’毛的晶界沟纹生长时沟纹外形同时间成比〔∋〕李秀琼等半导体学报,4ΧΑΟΜΑΧ0,Α始毛。,例如果由实验可测得沟纹深度就可算出⎯,〔∗〕和田隆夫特愿阳Ο了一Ο&一ΟΟ特开昭ΟΓ一&∋(&Ε,’。值再由>同⎯的关系求出表面扩散系数〔弓〕ς≅ΩΧΚϑ3ΔΔ?Α33ΔΧ∃Α之.Β元.Δ7Χ∃>.Σ.137‘我们曾用激光人为地在硅表面上制造沟纹,在Ο3Σ73ΧΒ]3ΔΧΚ0.∃Β23Δ.Α0Θ/3.Β3Σ73κΚ300:3ϕ∴ΧΚ<.∃ΒΥΧ∃ΒΧ∃Φ&(ΝΝ.“流水中作−/Ζ97组合样品的电子束掺杂中的,,〔Ο〕Ψ.Β.8,王.Β.κ五⊥0=3ε4Χλ⎯∗ΧΜ∗∗0Λ∋ΕΟΛ,≅的表面扩散研究试图观察表面有沟纹时对表Ν7Α3Χφς/ΜΜ70。&∗Ο,Μ∋ΛΧ,φΕΝ‘,〔〕≅=≅κΙ⊥4。,面扩散的作用实验表明硅表面上的沟纹不,,,,〔了〕Υ0∃1∴Χ7ςκΑ⊥0ΩΙ3Σ9Χ‘7Β0&ΟΜ,Ν∋一ΕΝ≅,.Χ03ΑΧΧΔ.Α∀/0Χ#Χ,∋Ν,&ΕΓΕ但未促进表而扩散反而对表面扩散有所抑〔〕5−ΜΜΑκΙ⊥4ΑΜ。制其原因在于激光制作的表面沟纹深度达十〔的山田寿一修士泞业袄丈Θ名古屋工业大学内部报告Φ,。〔&(〕Ψ≅.Β.:]3Α3Α0ΔΚ]Σ.∃Β23ΔΙΧΒ0φ0#&Ο∗几个微米较热晶界沟纹尺寸大得多Ζ&∗&,&Ε6&κ至今虽然对电子束半导体掺杂的杂质原子〔&&〕筱家雄三固体物理4ΧΑ&Λ,ΜΟ∋Ν,&ΕΓΕ一,些研究和田隆夫把杂质原扩散机理已作了〔&∋〕.0].ς.Μς/ΜΜΑκΙ⊥04ΧΑΓ&Νκ∗ΤΓ,一Ε了Γ[∴Β‘∀“”,,,子在半导体的5型分布这种异常室温扩〔一∗〕[Υ≅.∃1/ΜΜΑκΙ⊥0Υ3ΔΔ4ΧΑ∗∗ΜΟΛ了&ΦΓ6,,一ΛΧ.ΑκΙ0ΧεΧ&∗ΛΓΓ,&ΕΓΝ散解释为体缺陷增强扩散和表面扩散综合作用〔〕ς[ϕ⊥=4Α⎯ΜΚ.,〔一Ο〕≅Η∃<>3ϑΧ3Δ07∃93Σ73Χ∃Β]3ΔΧΚ03Β7Δ3Β之结果但关龄扩散机理的研究尚未达到成熟.Κ..∃ΧΚ全Ι一Χ.∃03Κ.&,&ΕΟα。ϑ⊥ς:⊥:工ςΑΑΒ/ΣΔΒΣ∗之地步〔&Ν〕ΗΩΗΚ.∃<κΙ⊥0=。ε4。&&(Λ,ΜΝ&μ,&ΕΟΝ三、结〔&Γ〕2∴Χ0Ι7Β.ς.Μ,ς/ΜΜΑ,κ卜⊥04ΧΑΑ1,Μ∋Γ∋Λ,&(6(语、.,,,〔λ名〕>4Υ∃1κΙ⊥0=,εΥ。士ΔεΧΑ∗∗Μ刁ΟΕ&。了Λ夕,,电子束半导体掺杂是一种新的技术在&。]ΑΑ∃0Μ卜⊥0。∋6,&Ε污μ〔〕ϕ≅27ς/ΜΜΑ4&κ∗∗∗一,Κ∀&Ε6(年哥本哈根举行:Ψ>9国际会议〔∋(〕/?ΧΑΧΔ=.Β7.>.Σ.13.二Β>。ϑγ3ΔΧ7∃Χφ∃73,∃ΔΧΚΧ∃Χ∃.Β7.>.Σ.∃Β>〔∃,ΟΩΠ=ϑ7仁用高能电子束作半导休κ型掺杂被认为是,3Σ733.Β7∃1,&Ε了∋、。Ο=Μ一Ε&一种可行的具有新奇意味的技术国内外关
