稀有金属2013年第1期
电子辐照对直拉硅单晶电学参数的影响
蔡莉莉 冯翠菊 陈贵锋
华北科技学院基础部物理教研室
河北工业大学材料学院信息功能材料研究所
摘 要：
对N型[111]晶向直拉硅样品进行电子辐照,然后在不同温度下进行常规热处理,对比研究了不同辐照剂量的样品少子寿命和电阻率随退火温度的变化。结果表明:直拉硅单晶样品经电子辐照后电阻率增加,少子寿命下降,辐照剂量越高电阻率增加的越多,少子寿命下降越明显。对辐照样品进行不同温度热处理发现热处理温度低于600℃,少子寿命基本处于稳定值,当退火温度达到650℃时,辐照样品的电阻率与少子寿命均恢复至辐照前的初始值,表明在该温度下辐照引入的缺陷基本消除,因此晶体的导电能力逐渐恢复。而经750℃热处理后,辐照样品的少子寿命和电阻率分别出现一个低谷,辐照剂量越高电阻率和少子寿命值在该温度下下降幅度越大,而且随着热处理时间的延长,辐照样品电阻率不断下降,通过间隙氧含量的测量也初步证明电阻率的下降与间隙氧原子的偏聚有关,该温度下电阻率的下降与辐照相关联。
关键词：
电子辐照 ;少子寿命 ;辐照缺陷 ;电阻率 ;
中图分类号： O613.72
作者简介： 蔡莉莉(1981-),女,河北蔚县人,硕士,讲师;研究方向:半导体材料缺陷工程; 冯翠菊(E-mail:fengcuiju@sohu.com);
收稿日期： 2012-07-09
基金： 国家自然科学基金项目(50872028); 河北省自然科学基金项目(E2008000079); 河北省教育厅科学研究计划项目(2009318)资助;
Effects of Electron Irradiation on Electrical Parameter of Czochralski Silicon
Abstract：
The N-type crystal electron irradiated Czochralski silicon(CZ-Si) samples were subjected to a thermal process at different temperatures.The variations of resistivity and minority-carrier lifetime with annealing times and irradiation doses were investigated.It was found that resistivity increased and minority-carrier lifetime decreased in electron-irradiated Czochralski silicon(Cz-Si).The higher the irradiation dose were,the more the resistivity increased and minority-carrier lifetime decreased.The minority-carrier lifetimes were in stable values below 600 ℃ annealing.The resistivity and minority-carrier lifetime recovered to values before electron irradiation at the annealing temperature of 650 ℃,which showed that defects were eliminated at this temperature as well as conductivity was recovered.The results showed that minority-carrier lifetime reached a low point annealing at 750 ℃ when the value of resistivity was lower than the real one.The resistivity decreased as a function of annealing time at 750 ℃ and it came down with the irradiation fluences.It was possible that irradiation defects were related to interstitial oxygen segregation.
Keyword：
electron irradiation;minority carrier lifetime;irradiation defects;resistivity;
Received： 2012-07-09
在质子、 电子辐照下, 硅单晶将产生许多空位和间隙原子, 生成V-O和V-V等辐照缺陷, 引入新的能级, 起俘获中心和复合中心的作用, 从而使硅单晶中的载流子浓度下降, 电阻率升高, 少子寿命降低, 这是改变硅片电学性能的主要原因
[1 ]
。 辐照剂量越大, 电阻率变化越明显, 少子寿命下降越厉害, 严重时还会导致硅片导电类型的变化
[2 ]
, 特别是对于N型高阻硅, 大剂量的高能电子辐照可以改变其导电类型
[3 ]
。 对硅片电学性能的研究通常采用四探针电阻仪、 霍尔效应、 电流电压、 电容电压等手段来进行研究。 为了消除经电子辐照后晶体中产生的大量辐照缺陷, 恢复晶格的完整性, 得到准确的、 稳定的电学参数, 一般都采用退火的方法。 电子辐照对半导体器件及太阳电池的影响已有许多文献报道
[4 ,5 ]
, 高能电子辐照对半导体单晶或器件的影响表现为电子辐照后单晶或器件的载流子浓度降低、 电阻率改变、 少数载流子寿命下降, 这些基本参数的改变会导致半导体器件的退化和失效
[6 ]
。 而近年来对于电子辐照直拉硅单晶材料引起的电学性能的变化公开报道的文献则很少。 本文采用四探针法和光电导衰减法初步研究了电子辐照对直拉硅单晶材料电学参数的影响。
1 实 验
样品选用无位错CZ-Si单晶尾部, N型, <111>晶向, 初始电阻率为60 Ω·cm, 原始间隙氧含量约为8×1017 atoms·cm-3 , 辐照前将样品切割成厚度约为600 μm的样片, 辐照在天津技术物理研究所地那米加速器上进行, 辐照能量为1.5 MeV, 辐照温度约为100 ℃, 通过不同的辐照时间得到不同的辐照剂量, 样品编号及其对应辐照剂量如表1所示。 辐照之后对样品进行反复的清洗及化学表面抛光, 抛光液配比V HNO3 ∶V HF =8∶1。 对辐照样品在单管扩散炉氩气氛下进行不同温度的热处理, 对所有热处理后的样品用HF溶液处理以去除热处理过程中硅表面的氧化层, 然后用四探针电阻测试仪和光电导衰减法分别测量样品的电阻率和少子寿命。
2 结果与讨论
少子寿命对辐照最敏感, 少子寿命直接决定着一些半导体器件的工作状态
[7 ]
。 从表1看到电子辐照后的硅单晶少子寿命大大下降, 而且辐照剂量越大, 少子寿命下降越明显, 这一实验结果基本上与理论结果相吻合, 少子寿命的变化与辐照剂量的关系式:
1 τ = 1 τ 0 + k φ (其中τ 0 , τ 分别表示辐照前后的少子寿命, φ 表示辐照剂量, k 为电子辐照少子寿命退化常数), 退化常数k 的取值在一定程度上反映了硅单晶电子辐照损伤的轻重程度, 也就是单晶的抗辐射能力
[8 ]
。 对辐照样品在不同温度下进行热处理后再进行少子寿命的测量, 从图1看到低于600 ℃退火, 少子寿命变化很小, 基本处于稳定值, 这在一定程度上说明了少子寿命值的变化主要受缺陷浓度的影响
[9 ]
, 傅立叶红外光谱图的结果证明低于600 ℃热处理样品体内缺陷仍存在
[10 ]
, 随着退火温度的升高, 缺陷逐渐消除, 寿命值也不断得到恢复, 图1表明650 ℃热处理少子寿命达到一峰值, 基本恢复到辐照前的初始值。 而750 ℃退火少子寿命值却又急剧下降, 出现了一个低谷, 说明在该温度下缺陷的浓度值突然增加, 为了进一步证实实验结果又测量了样品电阻率的变化。图3为750 ℃不同时间热处理样品的电阻率随时间的变化, 从图中可以发现未辐照样品A0电阻率基本保持不变,而经电子辐照后的样品A1, A2电阻率随退火时间在不断的下降, 退火时间达到5 h后电阻率降为最低, 随后延长退火时间电阻率基本保持不变, 说明750 ℃热处理5 h电阻率达到一饱和值。 另外实验发现辐照剂量越高, 样品的电阻率下降幅度越大, 而辐照剂量越高饱和值越低,这也证实了辐照缺陷主要影响退火初期施主的形成
[15 ]
。 图4为辐照样品间隙氧含量随退火时间的变化, 间隙氧含量减少与电阻率的降低基本是同步的, 间隙氧含量也是在退火时间达到5 h后降为最小值, 随后延长退火时间间隙氧含量基本保持不变。 因此间隙氧参与了辐照缺陷的形成, 很可能是辐照引入的缺陷随着时间的延长相互结合形成了较大体积的缺陷团, 能捕获大量的间隙氧原子[16]
表1样品编号及少子寿命随电子辐照剂量的变化
Table 1 Numbering of the sample and minority lifetime with irradiation dose
Sample numbers
A0
A1
A2
0
6
36
-2 )0
3.0×1016
3.5×1017
70.5
38.3
16.7
图2是不同剂量电子辐照后样品电阻率随退火温度的变化, 电子辐照后样品的电阻率迅速增加, 并且辐照剂量越高电阻率增加地越多, 辐照剂量相对较高的样品A2电阻率已经超出四探针电阻仪测量范围。 从图2看到A1样品在热处理温度为500 ℃时其电阻率降为最低, 此时未辐照样品A0的电阻率也降为最低, 据文献
[
11 ]
报道这一结果的出现是源于该温度下硅单晶中产生了大量的热施主, 当热处理温度继续升高达到650 ℃时, 辐照样品A1, A2的电阻率值均恢复至真实值, 傅立叶变换红外光谱图的分析证明了该温度下电子辐照引入的缺陷基本消除
[12 ]
, 说明此时晶格完整性基本得到恢复, 因此电阻率恢复到辐照前的初始值, 可见650 ℃退火是少子寿命和电阻率复原的温度点。 另外与少子寿命变化规律相同的是在750 ℃退火辐照样品电阻率也呈现下降趋势, 而且辐照剂量越大下降幅度越大, 因此该温度下电阻率的下降也应该与辐照相关联, 很可能是辐照引入的缺陷浓度在该温度下急剧增加, 这些缺陷呈现施主态而导致电阻率的下降
[13 ]
, 随后退火温度达到800 ℃电阻率恢复到真实值, 此时少子寿命也恢复至辐照前的真实值(见图1), 退火温度再升高, 电阻率基本稳定不变, 表明此时施主态已经消失。 文献
[
14 ]
报道中子辐照直拉硅在750 ℃出现了施主现象, 它与直拉硅中的热施主、 新施主有相似之处也有明显不同。 它是一种因辐照引起的与辐照缺陷、 硅中杂质(氧碳)有关的一种缺陷—杂质复合体, 其结构本质还有待深入探讨。
图1 不同温度等时热处理辐照样品少子寿命的变化
Fig.1 Minority lifetime of irradiated samples with different annealing temperatures
图2 不同温度等时热处理样品电阻率的变化
Fig.2 Dependence of resistivity with annealing temperature in electron irradiated and non-irradiated samples
图3 750 ℃热处理样品的电阻率随时间的变化
Fig.3 Resistivity variation with annealing time at 750 ℃ inelectron irradiated and non-irradiated samples
图4 750 ℃热处理辐照样品间隙氧含量随时间的变化
Fig.4 Interstitial oxygen concentration variation with annealing time at 750 ℃ in electron irradiated CZ-Si
图5 氩气氛中A0, A2样品750 ℃退火12 h的解理面照片
Fig.5 Optical micrographs of cleavage plane in samples annealed at 750 ℃ for 12 h (a) A0; (b) A2
3 结 论
高能电子辐照对硅单晶电学性能有显著的影响, 使硅单晶的少子寿命大大降低, 电阻率急剧升高, 低于600 ℃退火, 少子寿命基本处于稳定值。 当退火温度达到650 ℃时, 辐照样品的少子寿命和电阻率基本恢复至辐照前的初始值, 而750 ℃退火由于辐照缺陷与硅中杂质(氧碳)相互作用形成一种缺陷—杂质复合体, 致使少子寿命、 电阻率在该温度点又有所降低, 而且随着退火时间的延长, 电阻率呈现下降趋势, 实验证明该温度下间隙氧原子发生偏聚, 并与样品中的缺陷相结合形成缺陷团从而导致电阻率呈现下降趋势。
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