シリコン単結晶の炭素と酸素の含有量を決定する方法は?

シリコン単結晶の炭素と酸素の含有量を決定する方法は?

単結晶シリコンの製造工程では、原料や方法などの要因により、単結晶シリコンの性能に直接影響を与える炭素や酸素などの不純物が必然的に導入されます。 たとえば、図1に示すように、当社が提供する焼きなましシリコンウェーハの詳細については、以下を参照してください。https://www.powerwaywafer.com/what-are-annealed-silicon-wafer%ef%bc%9f.html.

焼きなましシリコンウェーハ

図1酸素と炭素を含む焼きなましシリコンウェーハ

シリコン中の酸素含有量は、今日のシリコン材料およびデバイス製造の受け入れ、プロセス監視、および研究開発のために習得する必要のある重要なデータです。 炭素は、酸素に次いでシリコンで2番目に重要な不純物であり、単結晶シリコンの特性、特に熱処理中の酸素の挙動に決定的な影響を及ぼします。 したがって、シリコン単結晶中の酸素含有量の正確な測定と制御は、シリコン材料の製造とデバイス処理において不可欠なリンクです。 ここでは、低温(LT)フーリエ変換赤外分光法を使用してシリコン単結晶の置換炭素と格子間酸素含有量を測定するための標準的な方法をお勧めします。

1.低温フーリエ変換赤外分光法の適用範囲

この方法は、室温抵抗率が0.1Ω*cmを超えるN型シリコン単結晶および室温抵抗率が0.5Ω*cmを超えるP型シリコン単結晶中の置換炭素および格子間酸素不純物の測定に適しています。

炭素および酸素含有量を決定するためのこの標準の有効範囲は5X10からです14atoms.cm-3(0.01ppma)シリコン中の置換炭素と格子間酸素の最大固溶度まで。 実際の測定基準は、基準で指定されているものよりも高くなります。

2.LTフーリエ変換赤外分光法の測定原理

シリコン単結晶サンプルを15K未満の温度に冷却します。サンプルを赤外線ビームで直接透過し、吸収スペクトルを収集し、参照方法を使用して、波数607.5cmでの赤外線吸収ピークの吸収係数を決定します。-1シリコンの置換炭素原子による。 波数1136.3cmのシリコンの格子間酸素原子の赤外線吸収ピークの炭素含有量と吸収係数を決定します。-1酸素含有量を決定します。

3.シリコン中の炭素と酸素を測定するための干渉因子

以下にリストされている要因は、シリコン中の炭素/シリコン酸素の測定に影響を与えます。

1)炭素と酸素の吸収帯には干渉因子が存在し、シリコン格子の振動吸収帯があり、炭素と酸素の測定に影響を与えます。 炭素と酸素の含有量が5X10未満のゾーンフューズドシリコンシングルウェーハ14原子*cm-3(0.01 ppma)を参照サンプルとして使用し、参照サンプルとテストサンプルの厚さは、シリコン格子吸収振動バンドの影響を排除するために可能な限り一定にする必要があります。

2)マルチレベルの内部反射は、二次干渉とベースライン偏差を引き起こす可能性があります。 二次干渉とベースラインドリフトは、サンプルの厚さ、表面処理、または分離能を変更することで排除できます。

3)試験結果に対する温度依存の格子吸収の影響を避けるために、試験サンプルと参照サンプルは可能な限り同じ温度に保つ必要があります。

4)置換炭素と侵入型酸素の赤外スペクトル吸収ピーク位置とキャリブレーション係数は温度によって異なり、対応する吸収ピーク位置とキャリブレーション係数も温度によって異なります。表Aを参照してください。

A.1炭素吸収ピーク位置とキャリブレーション係数

温度/K 炭素赤外線吸収ピーク位置/cm-1 校正係数(Fc)/ cm-2
300 607.2 0.82×1017
78 607.5 0.40×1017
10 607.5 0.37×1017

 

A.2酸素吸収ピーク位置と校正係数

温度/K 炭素赤外線吸収ピーク位置/cm-1 校正係数(Fc)/ cm-2
300 1106 3.14×1017
78 1127 1.32×1017
10 1136 0.20×1017

 

5)低温では、自由キャリアの吸収をある程度抑えることができます。 しかし、高濃度にドープされたシリコン単結晶の場合、自由キャリアの濃度が非常に高く、また、キャリア吸収が激しいため、シリコンの赤外線吸収スペクトルを測定することは困難です。

4.楽器

1)低温フーリエ変換赤外分光計:波数250cm用の光学部品と検出器を備えています-1〜1300 cm-1、分光計の分解能は、15Kの温度で1cm-1以上に達する必要があります。

2)サンプルホルダー:熱伝導率の高い金属材料でできており、小さな穴があり、サンプルを通過する赤外線を遮断できます。

3)サンプルの厚さを0.001mmの精度で測定するのに適したマイクロメータまたはその他の機器。

5.シリコンのサンプル

1)シリコン単結晶をシリコン単結晶サンプルに切断し、両面を研磨し、機械的または化学的方法で両面を鏡面に研磨します。

2)処理されたサンプルの両面の試験領域の厚さの変化は、0.05mmを超えてはならず、表面には酸化物層があってはならない。

3)準備したサンプルの厚さは2.0mmから4.0mmの間です。 直径はサンプルホルダーのサイズに適しています。

4)多結晶シリコンサンプルの場合、他の方法を参考にしてシリコン単結晶を事前に準備しておく必要があります。

6.炭素および酸素含有量の測定手順

1)サンプルの表面を無水エタノールで拭きます。

2)GB / T 6618の規定に従って、0.001 mmの精度でサンプルの厚さを測定し、サンプルの厚さを記録します。

3)サンプルをサンプルホルダーにロードします。 次に、サンプルホルダーをサンプルチャンバーに固定します。

4)機器のパラメータを設定し、機器によって構成されたクライオスタットデバイスを介してサンプルを15K未満の温度に冷却します。

5)分析プログラムを実行し、空のアパーチャをスキャンして、バックグラウンドスペクトルを収集します。 参照サンプルをスキャンし、参照スペクトルを収集します。 テストするサンプルをスキャンし、テストするサンプルのスペクトルを収集します。 置換炭素と侵入型酸素の含有量は、参照方法によって計算されました。 10.6置換炭素と格子間酸素の吸収ピーク位置を表1に示します。赤外スペクトルを図2と3に示します。

表1置換炭素および格子間酸素吸収ピーク位置

素子 ピーク位置/cm-1
炭素 607.5
酸素 1136.3

 

図2置換炭素の低温赤外スペクトル

図2置換炭素の低温赤外スペクトル

 

図3侵入型酸素の低温赤外スペクトル

図3侵入型酸素の低温赤外スペクトル

詳細については、メールでお問い合わせください。 [email protected][email protected].

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