杂质对直拉硅单晶力学性能的影响.pdf

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1、⑧论文作者签名：!耋叠垫墨指导教师签名：论文评阅人1：俭趣眦．．出壅太堂昌篮生篮国塞塞坠室评阅人2：施麴直塞态堂堑垄丞评阅人3：选遗j匕室太堂堑堡丕评阅人4：边健逝江太堂堑堡丕评阅人5：鏖逡耍厦[]太堂物理丕答辩委员会主席：睦塑咽逝江太堂盟型丕委员1：边健逝逛太堂堑堡丕委员2：毯国楚逝适太堂盐粒丕委员3：扬德仨逝运太堂越牡丕委员4：璺囱圈逝婆太堂挝牲丞答辩日期：2Q!!垒鱼月Z旦●●l---__●ll!rjI■l■H*《●!√，*．。t，，、．，Author’SSin●3upervisorExtema】Reviewe一

2、一一CommitteIChairperson：tzxammmgommitteeChairoersonEx￡""lgCommitt(Members：LxammingommitteeMembersDateoforaldefence：独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了

3、明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：I智错良冉签字日期：矽J1年6月谚日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝’江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑至三盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者鲐I髫锄士签字日期：矽Jf年易月哥日导师签名：；l0√Pv百二签字日期：冽f年占月磐日摘要直拉硅单晶作为集成电路

4、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

5、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

6、．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

7、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5500C)，杂质影响硅中氧扩散的机理。浓度为3x1018em"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8x1019em"3的锗杂质和浓度为2x1019cm"3浙江大学博士学位论文的砷杂质

8、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品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