專利名稱：存在于硅晶片中的原子空位的定量評價裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位(atomic vacancy)的裝置和方法，該裝置和方法能夠確定存在于由在半導(dǎo)體工 業(yè)中使用的Czochralski法(CZ法)或懸浮區(qū)法(FZ法)制造的硅晶片中 的原子空位種類，并且能夠直接定量評價原子空位濃度而不需要通過 間接方法(例如測量總空隙容積等)來估算。
相關(guān)技術(shù)
硅晶體纟皮認(rèn)為是人類獲得的最純凈和理想的晶體。但是，自由能 熵存在于晶體中，使得在1412。C的熔點下由于固有點缺陷(intrinsic point defects)(原子空位和填隙娃(interstitial silicon))引起的晶體無序 (crystal disorder)總是存在于晶體中，使晶體生長。
迄今，還沒有用于測量存在于硅晶體中的孤立的(isolated)原子空 位數(shù)量的方法。但是，例如，通過在硅晶體的生長階段或在生產(chǎn)硅裝 置(silicon device)的加熱階段進(jìn)行熱處理，以引起(develop)由過量地存 在于CZ晶體中的填隙氧原子和原子空位之間的反應(yīng)形成的氧沉淀 (oxygen precipitates),來定性判斷原子空位的存在。此外，通過聚集 在晶體生長的冷卻階段在晶體的凝固期間引入的過量的原子空位，以 形成作為二次缺陷(secondary defect)的、尺寸為約100 nm的空隙，并
空隙的總?cè)莘e，來估算在晶體生長期間引入的原子空位的濃度。但是， 后 一 種方法只是間接地測量原子空位的存在量。
為此目的，本發(fā)明的發(fā)明人之一提出一種方法，其中硅晶片中的 原子空位濃度可^f皮定量測量而不需要進(jìn)行專利文獻(xiàn)1中的加速處理。根據(jù)專利文獻(xiàn)l中描述的方法，可通過向晶體樣品施加外部磁場并在
冷卻時使超聲波通過晶體樣品，基于曲線的急劇下降量(steep dropping quantity)來測定固有點缺陷的濃度，所述曲線顯示超聲速度變化或晶 體樣品的超聲吸收變化與晶體樣品的冷卻溫度之間的關(guān)系。此外，為 了在作為試驗材料的硅晶片上進(jìn)行超聲波脈沖的振蕩(oscillation)和接 受(receiving)，借助粘結(jié)劑在硅晶片的表面上貼附由例如LiNb03制成 的換能器(transducer)。
專利文獻(xiàn)l: JP-A-H07-174742
但是，發(fā)明人進(jìn)一步詳細(xì)分析的結(jié)果表明，當(dāng)硅晶片被冷卻至不 高于50K的低溫溫度時，換能器由于所述冷卻可從硅晶片的表面部分 剝離，這導(dǎo)致產(chǎn)生這樣的問題，即如果換能器被剝離，就不能精確地 檢測在硅樣品中傳播的超聲波脈沖速度的變化。
換能器從硅晶片表面剝離的原因被認(rèn)為是歸因于這樣的事實，即 當(dāng)樣品被大部分地冷卻至不高于50K的低溫溫度時，換能器收縮，而 硅晶片膨脹，因此導(dǎo)致?lián)Q能器和硅晶片之間熱膨脹的巨大差別，產(chǎn)生 所述剝離。
發(fā)明的公開
發(fā)明要解決的問題
所以，本發(fā)明的目的是提供一種用于定量評價存在于硅晶片中的 原子空位的裝置和方法，其中可通過在硅樣品的表面上形成合理化的 (rationalized)薄膜換能器來確定存在于由半導(dǎo)體工業(yè)中使用的 Czochralski法(CZ法)或懸浮區(qū)法(FZ法)生產(chǎn)的硅晶片中的原子空位種 類，并且可以定量評價原子空位的濃度而不需要進(jìn)行用于提高濃度的 加速處理等步驟。
解決問題的方式
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的概述和結(jié)構(gòu)如下所述。 (l)用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位的裝置，其包括用于 向從硅晶片的特定部位切割出的硅樣品施加外部磁場的磁力發(fā)生器件、能夠?qū)⒐铇悠防鋮s至不高于50K的溫度區(qū)域的溫度控制器件、用 于向硅樣品表面發(fā)出超聲波脈沖并使發(fā)出的超聲波脈沖傳播進(jìn)入所 述硅樣品中且檢測傳播的超聲波脈沖中聲速的變化的超聲波振蕩-檢 測器件，其中在所述硅樣品的表面上直接形成薄膜換能器，所述薄膜 換能器具有以下性質(zhì)能夠在上述溫度區(qū)域監(jiān)測與溫度下降有關(guān)的硅 樣品的膨脹，并且能夠以特定的方向基本對準(zhǔn)(aligning)C軸。
(2) 根據(jù)項目(l)的用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位的裝 置，其中所述超聲波振蕩-檢測器件包括檢測參考波(reference wave)脈 沖信號和樣品穿過波(passingwave)脈沖信號之間的相差的器件，其中 所述參考波脈沖信號是直接在發(fā)出的超聲波脈沖上測量的，所述樣品 穿過波脈沖信號是在超聲波脈沖傳播進(jìn)入硅樣品中后測量的。
(3) 根據(jù)項目(1)或(2)的用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位 的裝置，其中所述薄膜換能器是由氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(A1N)制成的。
(4) 根據(jù)項目(1)、 (2)或(3)的用于定量評價存在于硅晶片中的原子 空位的裝置，其中所述薄膜換能器通過物理沉積法形成于所述硅晶片 上。
(5) 根據(jù)項目(l)-(4)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片中 的原子空位的裝置，其中在所述薄膜換能器和硅晶體之間提供金薄膜 (gold thin film)。
(6) 根據(jù)項目(l)-(5)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片中 的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器具有與硅樣品表面呈5-60。 的角度傾斜的C軸，且測定在硅樣品中傳播并凈皮檢測的垂直波(vertical wave)成分和橫波成分中的至少橫波成分。
C7)根據(jù)項目(1)-(6)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片中 的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器的厚度為0.5-200 pm。
(8)根據(jù)項目(l)-(7)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片中 的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器的共振頻率為10 MHz-lO GHz。(9) 根據(jù)項目(1)-(8)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片中 的原子空位的裝置，其中所迷磁力發(fā)生器件為0-20特斯拉的范圍。
(10) 根據(jù)項目(1)-(9)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片 中的原子空位的裝置，其中所述溫度控制器件包括能夠冷卻至5 mK 的低溫溫度的稀釋致冷機(jī)(dilution refrigerator)。
(11) 根據(jù)項目(1)-(10)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片 中的原子空位的裝置，其中所述超聲波振蕩-檢測器件使用脈沖寬度不 小于10 ps的超聲波脈沖。
(12) 根據(jù)項目(l)-(ll)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片 中的原子空位的裝置，其中所述超聲波振蕩-檢測器件包括用于改變振 蕩頻率以便呈現(xiàn)由改變一定溫度或磁場下的聲速而產(chǎn)生的相差以進(jìn) 行零檢測的器件。
(13) 根據(jù)項目(1)-(12)中的任何一項的用于定量評價存在于硅晶片 中的原子空位的裝置，其能夠同時測量多個硅樣品的相差或者要被測 量的單個硅樣品的多個位點處的相差。
(14) 用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位的方法，其包括向 硅樣品上發(fā)出超聲波脈沖，所述硅樣品是從硅晶片的特定位置切割出 的，并且在其表面上直接提供有具有以下性質(zhì)的薄膜換能器能夠在 不高于25K的溫度區(qū)域，在必要時施加外部磁場同時在上述溫度區(qū)域 冷卻的狀態(tài)下，監(jiān)測與硅樣品的溫度下降有關(guān)的膨脹；使發(fā)出的超聲 波脈沖傳播進(jìn)入硅樣品；檢測在傳播的超聲波脈沖中聲波速度的變 化；從聲波速度的變化計算出與冷卻溫度的下降有關(guān)的彈性常數(shù)的減 少量；和從計算出的彈性常數(shù)的減少量定量評價出存在于硅晶片中的 原子空位的種類和濃度。
發(fā)明效果
沖艮據(jù)本發(fā)明，通過在硅樣品的表面上形成合理化的薄膜換能器可 確定存在于由半導(dǎo)體工業(yè)中使用的Czochralski法(CZ法)或懸浮區(qū)法 (FZ法)生產(chǎn)的硅晶片中的原子空位的種類，并且可以直接定量評價原子空位的存在濃度而不需要進(jìn)行用于提高濃度的加速處理等步驟。 附圖簡述


圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于定量評價原子空位的裝置的示意圖。
圖2是當(dāng)放置有硅樣品5的樣品固定部7從定量評價裝置1中抽 出時的放大圖。
圖3是說明通過使用超聲波脈沖檢測相差的方法的流程圖。 圖4是說明未摻雜質(zhì)的(non-doped)CZ硅錠的實施方式的截面示 意圖5是顯示當(dāng)被冷卻至30K-20mK時，根據(jù)本發(fā)明的定量評價方 法測定的彈性常數(shù)隨冷卻溫度的變化的圖表。
圖6是在實施例中使用的未摻雜質(zhì)的CZ硅錠的截面圖，其中每 個存在的區(qū)域(空隙區(qū)域、R-OSF區(qū)域、Pv區(qū)域、Pi區(qū)域)都以通過使 用Cu飾法(Cudecoration)來確定每個區(qū)域的分界線的狀態(tài)顯示。
圖7是顯示在圖6中所示的6個位置，當(dāng)樣品(Y-1和Y-6 Y-10) -故冷卻至30K-20mK時測定的彈性常數(shù)隨冷卻溫度的變化 (ACL[川)/CL[m])的圖表。
圖8是顯示計算出的關(guān)于圖7中使用的樣品Y-l和Y-6~Y-10的 原子空位濃度的結(jié)果的圖表。
圖9是顯示彈性常數(shù)的變化結(jié)果的例子的圖表，其通過在使用未 添加B的FZ硅單晶(上圖)和摻雜B的FZ硅單晶(下圖)時施加磁場而 繪制。
圖10是顯示施加至換能器的脈沖信號的例子的圖，其中上圖是 脈沖寬度為0.2ps時的情況，下圖是脈沖寬度為12網(wǎng)時的情況。
圖11是說明這樣的實施例的示意圖，即為了進(jìn)行同時的相測定， 通過在晶片的4個位置上沉積金(Au)/氧化鋅(ZnO)/金(Au),而在硅晶 片上直接形成換能器。
圖12是顯示當(dāng)換能器形成于從相同樣品切割出的兩個CZ硅晶體 的每個表面上時，在樣品中繪制的彈性常數(shù)和溫度之間關(guān)系的圖表，其中上圖顯示在表面提供有ZnO作為換能器的樣品上測定的結(jié)果，下 圖顯示在表面提供有A1N作為換能器的樣品上測定的結(jié)果。
圖13是顯示在對比例中評價的結(jié)果的圖表。
圖14是顯示對每個樣品的400MHz共振頻率的超聲波測量結(jié)果 的圖，其中所述樣品是當(dāng)ZnO被形成于從相同樣品中切割出的兩個 FZ硅晶片上時獲得的，相對于樣品平面的C軸傾斜角為40?；?0。。
圖15是顯示在樣品中測定的彈性常數(shù)隨溫度的變化結(jié)果的圖表， 其中所述樣品是通過在FZ硅晶體上形成作為換能器的ZnO而獲得 的。
發(fā)明的最佳實施方式
以下，將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的用于定量評價存在于硅晶片 中的原子空位的裝置。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于定量評價原子空位的裝置的示意圖。
圖示的定量評價裝置1主要由磁力發(fā)生器件2、溫度控制器件3 和超聲波振蕩-檢測器件4組成。
圍繞硅樣品5的放置位置來安置磁力發(fā)生器件2,以施加外部磁 場至從硅晶片特定部位切割出的硅樣品5。當(dāng)提及磁力發(fā)生器件2時 是指，例如，超導(dǎo)磁體。而且，根據(jù)本法明，在硅樣品5中傳播的超 聲波脈沖的聲速變化，如果需要，是在施加外部磁場至硅樣品5的狀 態(tài)下檢測的，優(yōu)選磁力產(chǎn)生裝置2在0-20特斯拉的范圍內(nèi)可控制，更 具體地在0-6特斯拉的范圍內(nèi)(見圖9)。例如，如后所述，可通過施加 外部磁場而確定孤立在硅晶片中的原子空位的種類。
設(shè)有溫度控制器件3以便硅樣品5可被冷卻并控制在不高于50K 的溫度區(qū)域。圖1中顯示的是使用稀釋致冷機(jī)作為溫度控制器件3的 情況。例如，通過適當(dāng)?shù)匮h(huán)在混合室6中的3He和4He的混合液體， 可使稀釋致冷機(jī)將裝置的上側(cè)冷卻至4.2K的低溫溫度，將裝置的下 側(cè)冷卻至5mK的低溫溫度。而且，圖1顯示的結(jié)構(gòu)是，放置有硅樣 品5的樣品固定部7通過浸沒在混合室6中的3He和4He的混合液體中而被直接冷卻，但本發(fā)明并不僅限于這種結(jié)構(gòu)。例如，形成冷卻的
混合室6的部件是由高導(dǎo)熱性材料制成，其中硅樣品5可通過利用從 形成混合室的部件的熱傳導(dǎo)而被間接冷卻。后者在要被冷卻的溫度區(qū) 域向更高溫度的 一側(cè)擴(kuò)大時特別有優(yōu)勢。
安置超聲波振蕩-檢測器件4以用來向硅樣品5的表面發(fā)出超聲波 脈沖，并將發(fā)出的超聲波脈沖傳播至硅樣品5中，隨后檢測傳播的超 聲波脈沖中聲速的變化。
圖2是從圖1的定量評價裝置1中抽出的放置有硅樣品5的樣品 固定部7的放大圖。
在本發(fā)明中，在放置硅樣品5之前，直接或通過金屬薄膜間接地 在硅樣品5的表面上形成薄膜換能器8,該薄膜換能器8具有以下性 質(zhì)能夠在不高于50K的溫度區(qū)域內(nèi)監(jiān)測硅樣品5的膨脹，并具有以 特定方向?qū)?zhǔn)的C軸。通過采用此結(jié)構(gòu)，即使硅晶片被冷卻至不高于 50K的低溫溫度，薄膜換能器也可監(jiān)測硅晶片的膨脹，因此不會由于 前述冷卻導(dǎo)致薄膜換能器的剝離，并且在硅樣品中傳播的超聲波脈沖 的聲速變化可^支精確地檢測，因此，可直接、穩(wěn)定、定量地評價孤立 在硅晶片中的原子空位的種類和存在濃度，而不需要進(jìn)行用于提高濃 度的加速處理等步驟。
此外，如圖3所示，所述超聲波振蕩-檢測器件優(yōu)選為檢測參考波 脈沖信號和樣品穿過波脈沖信號之間的相差的器件，其中所述參考波 脈沖信號直接測量發(fā)出的超聲波脈沖，所述樣品穿過波脈沖信號是在 超聲波脈沖傳播進(jìn)入硅樣品后測量的。
薄膜換能器8優(yōu)選由氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)制成。
優(yōu)選地，薄膜換能器8通過物理沉積法(例如濺射)形成于硅晶片 上，以便氧化鋅(ZnO)等以原子水平緊密結(jié)合至硅晶片，以在硅晶片 上形成具有極好粘性的氧化鋅(ZnO),因而具有能夠在不高于50K的 溫度區(qū)域監(jiān)測硅樣品5的膨脹的性質(zhì)。
另外，優(yōu)選在薄膜換能器8和硅樣品5之間提供金沉積膜，以防止在冷卻期間的剝離并增強(qiáng)導(dǎo)電性。
薄膜換能器8優(yōu)選具有與硅樣品的表面呈5-60。的角度傾斜的C 軸，以便測定在硅樣品中傳播和被檢測的超聲波中的縱波成分和橫波 成分中的至少橫波成分，增加剪切成分(shear component)并提高分辨 率(resolution)。當(dāng)角度小于5。時，超聲波中的縱波成分明顯產(chǎn)生且生 成橫波成分的效率被相當(dāng)大地降低，但當(dāng)角度超過60。時，生成橫向 超聲波和縱向超聲波的效率都被相當(dāng)大地降低。
而且，C軸的角度更優(yōu)選在40-50。的范圍，以便均衡地提高生成 縱向超聲波和橫向超聲波的效率。在圖14中顯示的是，以與樣品平 面分別呈40。和80°的C軸傾斜角在從相同樣品中切割出的兩個FZ硅 晶片上形成ZnO換能器時，在所得每個樣品上以400MHz的共振頻率 得到的超聲波測量結(jié)果。根據(jù)圖14的結(jié)果，可理解當(dāng)C軸的角度為 40。時，彈性常數(shù)在低溫溫度區(qū)域內(nèi)的變化可^皮精確地測量，而當(dāng)C 軸的角度為80。時，縱向超聲波和橫向超聲波的生成量都很少，因此 不能測量在低溫溫度區(qū)域內(nèi)的彈性常數(shù)的變化。
制備具有以特定角度傾斜的C軸的薄膜換能器8的方法，例如這 樣的一種方法，即其中硅樣品相對ZnO目標(biāo)(target)呈傾斜設(shè)置。
薄膜換能器8優(yōu)選具有0.5-200pm的厚度，以便可產(chǎn)生可測量的 超聲波。當(dāng)厚度超過20(Him時，有可能降低測量精確性，而當(dāng)厚度小 于0.5jxm時，往往難于在更高頻率進(jìn)行電測量(electric measurement)。
薄膜換能器8的共振頻率優(yōu)選為10MHz-10GHz的范圍，以便可 進(jìn)行超聲測量。當(dāng)共振頻率高于lOGHz時，往往難于在更高頻率進(jìn)行 電測量，但當(dāng)其小于10MHz時，有可能降低測量精確性。
在超聲波振蕩-檢測器件4中，優(yōu)選使用脈沖寬度不大于10ps的 超聲波脈沖，以便有可能測量厚度不大于10mm的硅樣品的聲速。當(dāng) 脈沖寬度超過l(His時，有可能難于區(qū)分相鄰的脈沖。在圖10中，上 圖顯示脈沖寬度為0.2ps，下圖顯示脈沖寬度為12^s。
所述超聲波振蕩-檢測器件4更優(yōu)選具有用于進(jìn)行零^r測的器件，其通過改變振蕩頻率以使得由于溫度或磁場中聲速的變化產(chǎn)生的相 差恒定，以進(jìn)行零檢測。
而且，優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的定量評價裝置1可同時測量多個硅 樣品的相差和單個硅樣品的多個位置的相差。在圖11中顯示是這樣
的實施例，即為了同時測量晶片的多個位置處的相位(圖11中的4個 位置)，通過沉積金(Au)/氧化鋅(ZnO)/金(Au)以在單個硅晶片上直接形 成換能器。
圖4是直徑為6英寸的原型的(prototype),未摻雜質(zhì)的CZ硅錠的 示意性截面圖。如從圖4中看到的，證實延伸超過約3cm的固有點缺 陷區(qū)域(Pv區(qū)域和Pi區(qū)域)存在于中心部分。
隨后，分別從作為固有點缺陷區(qū)域的Pv區(qū)域和Pi區(qū)域切割出尺寸 為4 mmx4 mmx7mm的硅樣品(A)和(B),并放在圖1和圖2所示的定 量評價裝置中，隨后當(dāng)它們被冷卻至30K-20mK時，通過本發(fā)明的定 量評價方法測量彈性常數(shù)隨冷卻溫度的變化。測量的結(jié)果顯示在圖5 中。而且，使用在圖3中檢測出的超聲波脈沖的相差On,根據(jù)下式計 算出在彈性常數(shù)測量中使用的聲速v:
式On=27i (2n國l)lf/v
其中(2n-l)1是第n回波的傳播長度，f是超聲波頻率。 根據(jù)圖5的結(jié)果，可理解的是在Pv區(qū)域的樣品(A)中(其中被認(rèn)為 有豐富的凍結(jié)(frozen)原子空位區(qū)域)，在20K-10mK的低溫溫度區(qū)域， 彈性常數(shù)與溫度的倒數(shù)(inverse)呈比例地明顯下降，換言之，樣品(A) 在較低溫度時被軟化了。另一方面，在Pi區(qū)域的樣品(B)中(其中被認(rèn) 為有豐富的晶格間硅)未檢測到這種彈性常數(shù)的降低。
此外，圖15顯示了測量出的彈性常數(shù)隨溫度變化的結(jié)果的例子， 其中測量用樣品是通過在FZ硅晶體上形成作為換能器的ZnO而獲得 的。在圖15中，通過使用稀釋致冷機(jī)作為溫度控制器件，進(jìn)行所述 測量直至20 mK的低溫溫度。從圖15中顯示的結(jié)果證實，如同上述 CZ硅晶體，即使在FZ硅晶體中也檢測出在較低溫度時的軟化現(xiàn)象。此外，分別通過使用摻雜B的FZ硅單晶和未添加B的FZ硅單 晶來研究磁場依賴性(d印endency)。圖9顯示了當(dāng)施加0-16特斯拉的 磁場時彈性常數(shù)變化結(jié)果的例子，其中上圖是未添加B的情況，下圖 是添加B的情況。從圖9的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在摻雜B的FZ硅單晶中的低 溫軟化現(xiàn)象是由施加不大于約4特斯拉的磁場引起的，而當(dāng)施加超過 上述值的磁場時，低溫軟化現(xiàn)象消失，但是在整個磁場范圍內(nèi)都未引 起在未摻雜質(zhì)的FZ硅單晶中的低溫軟化現(xiàn)象。這表明原子空位中電 荷狀態(tài)和應(yīng)變(strain)間的結(jié)合是軟化現(xiàn)象的起因。未摻雜質(zhì)的FZ硅 單晶的原子空位具有俘獲有4個電子的非磁性電荷狀態(tài)，而摻雜B的 FZ硅單晶的原子空位具有俘獲有3個電子的磁化的電荷狀態(tài)。即，認(rèn) 為原子空位的分子軌道被分裂成單態(tài)(singlet)和三重態(tài)(triplet)，并且通 過所述三重態(tài)中的電四極(electric quadrupole)與應(yīng)變間的結(jié)合的揚-特 勒效應(yīng)導(dǎo)致C44和(Cn-Cu)/2的低溫軟化現(xiàn)象。在未摻雜質(zhì)的ZF硅單 晶中可看出，反鐵電四極(antiferroquadrupolar)相互作用存在于原子空 位中，因此原子空位周圍的Ta對稱性甚至在20mK的最低溫度仍一皮保 持，以簡并所述三重態(tài)，從而使電四極波動(fluctuate)。
從這些結(jié)果已發(fā)現(xiàn)，^f皮俘獲的電子數(shù)目為奇數(shù)(3或5)的原子空位， 在彈性常數(shù)的低溫軟化現(xiàn)象中具有磁場依賴性，而被俘獲的電子數(shù)目 為偶數(shù)(4)的原子空位，在彈性常數(shù)的低溫軟化現(xiàn)象中沒有磁場依賴 性。所以，在本發(fā)明中，原子空位的種類可從磁場依賴性的存在與否 來確定。
根據(jù)本發(fā)明的定量評價存在于硅晶片中的原子空位的方法的實 施例將在下面說明。
在根據(jù)本發(fā)明的定量評價方法中，存在于硅晶片中的原子空位的 種類和濃度可以通過以下步驟來定量評價向硅樣品上發(fā)出超聲波脈 沖，其中所述硅樣品是從硅晶片的特定位置切割出的，且在其表面上 直接或通過金薄膜間接地提供有薄膜換能器，所述薄膜換能器具有能 夠在不高于25K的溫度區(qū)域內(nèi)，如果需要，在施加外部,茲場同時在上述溫度區(qū)域內(nèi)冷卻的狀態(tài)下，監(jiān)測與溫度下降有關(guān)的硅樣品的膨脹的
性質(zhì)；使發(fā)出的超聲波脈沖傳播進(jìn)入所述硅樣品；檢測傳播的超聲波 脈沖中聲速的變化；從聲速的變化計算出與冷卻溫度的下降有關(guān)的彈 性常數(shù)的減少量。
雖然以上只是參考本發(fā)明的實施方式描述，但各種修改可被加入 到權(quán)利要求中。
實施例
通過使用根據(jù)本發(fā)明的存在于硅晶片中的原子空位的定量評價 裝置來定量評價存在于硅晶片中的原子空位的濃度，這將在下面描 述。
(實施例)
使用直徑為6英寸、負(fù)載(charge)為45kg、長度為80mm的未摻 雜質(zhì)的CZ錠，且通過使用Cu飾法來確定圖6中所示的存在于該CZ 錠中的各區(qū)域(空隙區(qū)域、R-OSF區(qū)域、Pv區(qū)域和Pi區(qū)域)的邊界線， 其后從該錠上如圖6所示的6個位置切割出尺寸為4mmx4mmx7mm 的樣品(Y-1和Y-6 Y-10)，在每個樣品的兩個表面上直接提供厚度為 10nm、具有與樣品表面呈40。的角度傾斜的C軸、且由ZnO制成的換 能器。隨后，將每個樣品放置到圖1和圖2中所示的定量評價裝置中， 以根據(jù)本發(fā)明的定量評價方法測量當(dāng)被冷卻至30K-20mK時，彈性常 數(shù)隨冷卻溫度的變化(ACWC44)。測量的結(jié)果顯示在圖7中。此外，圖 7的縱坐標(biāo)(ACWC44)是相對值，該縱坐標(biāo)顯示出樣品的值被換算 (shifted)以使得不會彼此重疊。
(對比例)
以上述實施例中相同的方式制備樣品，只是由LiNb03制成的換 能器通過粘合劑貼附到樣品Y-7的表面，且進(jìn)行如上述實施例中的相 同的測量。測量的結(jié)果顯示在圖13中。
在實施例的測量中，如圖7的結(jié)果，Pv區(qū)域(已^皮認(rèn)為具有豐富的 凍結(jié)原子空位區(qū)域)的樣品Y-6 Y-8，在10K-20mK的低溫溫度區(qū)域內(nèi)，彈性常數(shù)與溫度的倒數(shù)(reciprocal)成比例地明顯降低，而在其他區(qū)域 (包括&區(qū)域)的樣品中沒有發(fā)現(xiàn)在低溫溫度區(qū)域的彈性常數(shù)的變化。
另一方面，在對比例的測量中，如從圖13的結(jié)果中看出的，彈 性常數(shù)沒有變化，而在實施例(Y-7)中、在10K-20mK的低溫溫度區(qū)域 時卻發(fā)現(xiàn)了彈性常數(shù)變化。此外，在圖13中的約4K的溫度處可證實 彈性常數(shù)的變化，這種變化是由于低溫溫度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)不良粘合(粘合 剝離)引起的。所以，認(rèn)為由于不良粘合的發(fā)生，故不能實現(xiàn)精確的測 量。
此外，繪制(plotting)樣品中彈性常數(shù)和溫度關(guān)系的實施例顯示在 圖12的下圖中，其中所述樣品的表面上提供有A1N，其作為換能器 并代替ZnO。此外，用于對比，圖12的上圖中顯示繪制樣品中彈性 常數(shù)和溫度關(guān)系的數(shù)據(jù)，其中所述樣品是通過在用于圖7中的樣品 Y-8的表面形成作為換能器的ZnO而獲得的。如從圖12的結(jié)果看出 的，即使當(dāng)A1N用作換能器，獲得的結(jié)果也和當(dāng)ZnO作為換能器時 的相似。
隨后，計算出的樣品Y-l和Y-6 Y-10的原子空位濃度的結(jié)果顯 示在圖8中。此外，圖8的縱坐標(biāo)中的原子空位濃度是以相對值來表 示的，其基于在樣品Y-7的實際原子空位濃度為2.46xlO"/cmS的前 提下，樣品Y-7為1.0。根據(jù)C-Co(T-Tc)/(T-0)來計算彈性常數(shù)的減少 量。試驗中獲得的特征溫度Tc與 之間的差值厶=Tc-G)與原子空位 濃度N成比例。原子空位濃度N的絕對值可使用試驗中獲得的A、通 過關(guān)系式N二A.Q)/f根據(jù)經(jīng)驗(empirically)來測定。此處，5是指對應(yīng) 從外部施加的應(yīng)變(形變能量)的原子空位的電子狀態(tài)中的能量變化的 放大率(magnification)。
從圖8的結(jié)果看出，當(dāng)將從Pv區(qū)域切割出的樣品Y-6 Y-8與從 Pi區(qū)域切割出的樣品Y-9和Y-10比4交時，前者的原子空位濃度高， 而后者的原子空位濃度低。此外，在從空隙(void)區(qū)域切割出的樣品 Y-l中不存在原子空位但存在空隙(voids)，使得原子空位濃度變得更低。此外，從切割自Pv區(qū)域的樣品Y-6 Y-8之間的比較可得知，與位 于R-OSF區(qū)域的邊側(cè)的樣品Y-6和位于Pi區(qū)域的邊側(cè)的樣品Y-8的 原子空位濃度相比，從Pv區(qū)域的中心位置切割的樣品Y-7中的原子空 位濃度是最高的。 產(chǎn)業(yè)上的實用性
根據(jù)本發(fā)明，通過在硅樣品的表面上形成合理化的薄膜換能器可 直接定量評價孤立在由半導(dǎo)體工業(yè)中使用的Czochralski法(CZ法)或 懸浮區(qū)法(FZ法)生產(chǎn)的硅晶片中的原子空位的種類和存在濃度，而不 需要進(jìn)行用于提高濃度的加速處理等步驟。
特別地，在半導(dǎo)體工業(yè)中，對使用沒有二次點缺陷(如空隙，等) 的完全晶體的硅晶片的需求正快速增長。在傳統(tǒng)技術(shù)中，很難直接觀 察并定量評價存在于晶片中的原子空位的濃度，因此具有例如制造出 的硅裝置的廢品率很高的情況等問題。相反，根據(jù)本發(fā)明，可通過使 用原子空位的定量評價裝置來定量評價原子空位的種類和存在濃度， 這可以說是對半導(dǎo)體工業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位的裝置，其包括用于向從硅晶片的特定部位切割出的硅樣品施加外部磁場的磁力發(fā)生器件、能夠?qū)⒐铇悠防鋮s至不高于50K的溫度區(qū)域的溫度控制器件、用于向硅樣品表面發(fā)出超聲波脈沖并使發(fā)出的超聲波脈沖傳播進(jìn)入所述硅樣品中且檢測傳播的超聲波脈沖中聲速的變化的超聲波振蕩-檢測器件，其中在所述硅樣品的表面上直接形成薄膜換能器，所述薄膜換能器具有以下性質(zhì)能夠在上述溫度區(qū)域監(jiān)測與溫度下降有關(guān)的硅樣品的膨脹，并且能夠以特定的方向基本對準(zhǔn)C軸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于定量評價存在于硅晶片中的原子 空位的裝置，其中所述超聲波振蕩-檢測器件包括檢測參考波脈沖信號 和樣品穿過波脈沖信號之間的相差的器件，其中所述參考波脈沖信號 是直接在發(fā)出的超聲波脈沖上測量的，所述樣品穿過波脈沖信號是在 超聲波脈沖傳播進(jìn)入硅樣品中后測量的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于定量評價存在于硅晶片中的 原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器是由氧化鋅(ZnO)或氮化鋁 (A1N)制成的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1 、 2或3所述的用于定量評價存在于硅晶片中 的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器通過物理沉積法形成于所述 硅晶片上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任何一項所述的用于定量評價存在于硅 晶片中的原子空位的裝置，其中在所述薄膜換能器和硅晶體之間提供 金薄膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任何一項所述的用于定量評價存在于硅 晶片中的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器具有與硅樣品表面呈 5-60。的角度傾斜的C軸，且測定在硅樣品中傳播并^皮檢測的垂直波成 分和^f黃波成分中的至少，鏡波成分。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任何一項所述的用于定量評價存在于硅 晶片中的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器的厚度為0.5-200 pm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任何一項所述的用于定量評價存在于硅 晶片中的原子空位的裝置，其中所述薄膜換能器的共振頻率為10 顧z隱10GHz。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任何一項所述的用于定量評價存在于硅 晶片中的原子空位的裝置，其中所述磁力發(fā)生器件為0-20特斯拉的范 圍。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任何一項所述的用于定量評價存在于 硅晶片中的原子空位的裝置，其中所述溫度控制器件包括能夠冷卻至 5 mK的低溫溫度的稀釋致冷機(jī)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任何一項所述的用于定量評價存在于 硅晶片中的原子空位的裝置，其中所述超聲波振蕩-檢測器件使用脈沖 寬度不小于10 ps的超聲波脈沖。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任何一項所述的用于定量評價存在于 硅晶片中的原子空位的裝置，其中所述超聲波振蕩-檢測器件包括用于 改變振蕩頻率以便呈現(xiàn)由改變一定溫度或磁場下的聲速而產(chǎn)生的相 差以進(jìn)行零檢測的器件。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任何一項所述的用于定量評價存在于 硅晶片中的原子空位的裝置，其能夠同時測量多個硅樣品的相差或者 要被測量的單個硅樣品的多個位點處的相差。
14、 一種用于定量評價存在于硅晶片中的原子空位的方法，其包 括向硅樣品上發(fā)出超聲波脈沖，所述硅樣品是從硅晶片的特定位置切 割出的，并且在其表面上直接提供有具有以下性質(zhì)的薄膜換能器能 夠在不高于25K的溫度區(qū)域，在必要時施加外部磁場同時在上述溫度 區(qū)域冷卻的狀態(tài)下，監(jiān)測與硅樣品的溫度下降有關(guān)的膨脹；使發(fā)出的 超聲波脈沖傳播進(jìn)入硅樣品；檢測在傳播的超聲波脈沖中聲波速度的 變化；從聲^減少量；和從計算出的彈性常數(shù)的減少量定量評價出存在于硅晶片中 的原子空位的種類和濃度。
全文摘要
本發(fā)明提供存在于晶片中的原子空位的定量評價裝置，其中硅晶片中的原子空位濃度可通過在硅樣品的表面形成合理化的薄膜振蕩器而被定量評價，而不需要進(jìn)行例如用于提高濃度的加速處理。該原子空位定量評價裝置包括用于向從硅晶片的特定部位切割出的硅樣品5施加外部磁場的磁力發(fā)生器件2、能夠?qū)⒐铇悠?冷卻至不高于50K的溫度區(qū)域的溫度控制器件3、用于向硅樣品5的表面發(fā)出超聲波脈沖并將超聲波脈沖傳播通過所述硅樣品5且檢測傳播的超聲波脈沖中聲速的變化的器件4。該定量評價裝置的特征是，在所述硅樣品5的表面上直接形成薄膜振蕩器8，所述薄膜振蕩器具有能夠在上述溫度區(qū)域內(nèi)監(jiān)測硅樣品5的膨脹的物理性質(zhì)，并且具有預(yù)定方向的C軸。
文檔編號H01L21/66GK101432622SQ20078001528
公開日2009年5月13日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月3日
發(fā)明者后藤輝孝, 寶耒正隆, 根本祐一, 金田寬 申請人:國立大學(xué)法人新澙大學(xué);勝高股份有限公司