晶体硅中过渡族金属的沉淀规律

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1、浙江大学博士学位论文晶体硅中过渡族金属的沉淀规律姓名：席珍强申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：杨德仁;阙端麟20030401摘要晶体硅不仅是微电子工业的基础材料，也是光伏工业的基础材料，其体内的杂质或缺陷会显著地影响各种硅基器件的性能。其中，过渡族金属就是晶体硅中非常重要的杂质元素。在硅基器件的制备过程中，过渡族金属会不可避免地沾污硅片，并在硅中以单质，复合体或沉淀的形式存在。一般来说，以各种形成存在的过渡族金属都会损害硅基微电子器件或晶体硅太阳能电池的性能，特别是金属沉淀。因此，研究晶体硅中过渡族金属的沉淀规律对于制备高质量的

2、各种硅基器件有着相当重要的现实意义。另外一方面，在理论上研究本征点缺陷，位错以及晶界等缺陷对晶体硅中金属沉淀规律的影响对于丰富和完整“缺陷工程”也是十分必要。其中，铜，镍和铁是硅基器件工艺中最常见也是最重要的三种过渡族金恩。在过去的死十年中．虽然对小直径单晶硅中过渡族金羁沉淀规律及其对材籽的宅学性覆傲7大量的研究．但是缀少入磷究大直径擎晶硅戳及铸造多晶磕中这些过渡族金疆的沉淀规律。本文在综述前人工作的基础上，用红外扫描电镜(SmM)，电子扫描电镜(SEN)结合电子束诱生电流仪(EBIC)，光学显微镜(opticalmicroscopy)结合缺

3、陷腐蚀法(Defectetching)，和透射电镜(TEM)结合x射线能谱(EDx)以及表面光电压仪(sPy)等系统地研究了不同热处理温度和冷却速度下大、小直径直拉单晶硅和铸造多晶硅中铜，镍和铁的沉淀规律及其对材料电学性能和其后氧沉淀形成规律的影响。研究指出，在晶体硅中，无论是原生点缺陷，还是位错或晶界都会显著影响铜的沉淀规律。当1100。C快冷条件下，在大直径单晶硅中不同的本征点缺陷区域会出现不同的铜沉淀形貌，即在D缺陷区域出现高密度的，细小的铜沉淀团而在A缺陷区域其形貌刚好相反。而在11000C慢冷条件下，无论A缺陷还是在D缺陷都会出现非

4、常巨大的“星形”铜沉淀团，这种铜沉淀团对硅基体产生很大的压应力。然而无论是快冷还是慢冷，经铜沉淀处理过的大直径单晶硅样品中D缺陷区域的少予扩散长度都是远小于经过相同处理后A缺陷区域的少子扩散长度。这些结果表明，空位促进了铜沉淀的形核，抑制了铜沉淀团的长大。在原生的直拉单晶硅中，铜沉淀的温度为8000C，这与由前人的理论所推导出的结果一致。但是，在铸造多晶硅中，铜沉淀温度大约为700。C，明显低于直拉单晶硅中的沉淀温度。虽然都是快扩散的过渡族金属元素，镍在单晶硅中的沉淀性质在很多方面与铜不同。在11000C快冷条件下，镍会在小直径单晶硅体内沉淀

5、的同时，在近表面形成无镍沉淀存在的洁净区，而在慢冷条件下镍很难在硅片中形成沉淀。然而对于大直径单晶硅，无论是快冷还是慢玲条件下镍都会在硅片的铁内形成沉淀，这与硅片中本征缺陷(空位团)直接相关。在直拉单晶硅中，镍沉淀温度高于800。C，而且显著依赖于材料种类和冷却速度。在铸造多晶硅中，镍沉淀的温度大约为700oC。然而，用红外扫描电镜等很难观察到热处理温度低于11000C处理过的样品中是否存在铁沉淀，所以无论是对于直拉单晶硅还是对于铸造多晶硅，很难确定铁的沉淀温度。在11000C快冷条件下，在大小直径单晶硅中铁沉淀很相似，但是在慢冷条件下在大直

6、径单晶硅中形成密度较低的铁沉淀，这也与硅中原生的缺陷直接相关。另外，铜，镍和铁都易在晶界或位错上偏聚沉淀，而且不同的晶界对它们的沉淀规律都有显著的影响。但是无论在哪种晶体硅中，在沉淀温度以上热处理硅片，快速冷却都会在晶体硅中形成高密度的金属沉淀，从而导致极低的少子扩散长度，而慢冷条件下这些过渡族金属更加容易在缺陷处沉淀。这些实验结果表明：快冷条件金属沉淀以均匀形核为主，而慢冷条件下以异质形核为主。在室温下，铜沉淀团，镍沉淀和铁沉淀对少数载流子都有很强的复合特性，尤其是慢冷条件下所形成的金属沉淀，但是少子的扩散长度主要取决于材料中沉淀的密度。无

7、论在普通直拉单晶硅还是在掺氮直拉单晶硅中，8000C以上的铜沉淀预处理都会显著促进其随后的氧沉淀形成，特别是快冷条件下的铜沉淀预处理。实验还发现，在经过800。C以上的铜沉淀预处理的硅片中形成了高密度但是较小的氧沉淀，而且氧沉淀～般以异质形核为主。这表明，铜沉淀诱生缺陷作为氧沉淀异质形核的中心，从而促进了氧沉淀的形核，而自间隙铜或其复合体对随后的氧沉淀没有明显的影响。然而，无论在普通直拉单晶硅还是在掺氮直拉单晶硅中，镍沉淀预处理都对其随后的氧沉淀形成都没有明显的影响。AbstractInmicroelectronicorphotovoltai

8、cindustry，crystallinesiliconisthemainmaterialinwhichimpuritiesordefectscarlremarka