本發(fā)明涉及一種激勵(lì)硅中金屬原子擴(kuò)散的方法，具體涉及在室溫下通過質(zhì)子輻照激勵(lì)硅中金屬原子擴(kuò)散的方法。

背景技術(shù)：

硅單晶中都含有如鐵、鎳、鉻等過渡金屬雜質(zhì)，且器件在制備過程中不可避免地受到多種過渡金屬雜質(zhì)不同程度的沾污。對于硅材料來說，過渡金屬雜質(zhì)在硅禁帶中通常具有深能級，從而決定少數(shù)載流子壽命。這些雜質(zhì)的存在會降低非平衡載流子壽命或補(bǔ)償決定材料導(dǎo)電類型和導(dǎo)電率的淺雜質(zhì)，多數(shù)情況下對硅器件的性能產(chǎn)生不利影響，有的影響還很嚴(yán)重，例如，在大規(guī)模集成電路、太陽能電池、光電探測器等硅器件工藝中要盡量降低過渡金屬雜質(zhì)含量。當(dāng)然，某些過渡金屬也會被人為引入到硅中，例如：金或鉑常被用于硅高速開關(guān)器件，用于調(diào)控其開關(guān)速度。

另一方面，金屬硅中含有鋁、鈣和鎂等非過渡金屬雜質(zhì)，經(jīng)提純可以制備廣泛應(yīng)用于光伏行業(yè)的太陽能硅和電子工業(yè)的電子級硅。非過渡金屬在硅中的作用比較復(fù)雜，例如：鋰的存在會使硅晶格產(chǎn)生大的形變，進(jìn)而產(chǎn)生各種缺陷；鋁可以作為P型摻雜劑，用于制備PN結(jié)等。

雜質(zhì)原子在硅材料中的室溫?cái)U(kuò)散系數(shù)通常都非常小，若要有明顯的硅中雜質(zhì)原子擴(kuò)散，通常需要七、八百甚至上千攝氏度的高溫和很長時(shí)間，不僅程序復(fù)雜、成本高昂、能耗巨大、污染環(huán)境，而且高溫加熱過程中很容易受到來自周圍環(huán)境的雜質(zhì)玷污。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在室溫環(huán)境下激勵(lì)硅中金屬原子擴(kuò)散的方法，要求程序簡單、成本低廉，不易受二次污染。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種激勵(lì)硅中金屬原子擴(kuò)散的方法，是在室溫環(huán)境中對硅材料或硅器件進(jìn)行質(zhì)子輻照，激勵(lì)金屬原子在硅中擴(kuò)散。

進(jìn)一步，所述質(zhì)子輻照的能量為1keV～10MeV，優(yōu)選為10keV～2MeV，更優(yōu)選為50keV-1MeV。

所述質(zhì)子輻照的劑量優(yōu)選為1E14/cm²～1E19/cm²，更優(yōu)選為1E15/cm²～1E17/cm²。

所述質(zhì)子輻照的束流優(yōu)選為0.001～10mA，更優(yōu)選為0.01～1mA。

在對硅材料或硅器件進(jìn)行質(zhì)子輻照的過程中，可通過冷卻水對硅材料或硅器件進(jìn)行冷卻，避免發(fā)熱。

本發(fā)明的質(zhì)子輻照方法不僅可以在室溫環(huán)境下激勵(lì)Ti、Cr、Fe、Cu等過渡金屬元素原子在硅中的擴(kuò)散，也可以在室溫環(huán)境下激勵(lì)A(yù)l、Ca、Mg、Li等非過渡金屬元素原子在硅中的擴(kuò)散。

本發(fā)明通過質(zhì)子輻照激勵(lì)硅中金屬原子在室溫環(huán)境下擴(kuò)散，其可能的原理如下：

在質(zhì)子注入硅片的過程中，帶有一定能量的質(zhì)子與硅晶格碰撞，在硅片近表面區(qū)形成含有大量空位型缺陷的表面缺陷區(qū)，在質(zhì)子輻照的過程中空位型缺陷釋放出空位，與此同時(shí)，質(zhì)子輻照還產(chǎn)生弗倫克爾對：硅自間隙I-空位V對。即使在很低的溫度下，I和V也能在硅晶片中快速擴(kuò)散，它們是激勵(lì)金屬原子室溫環(huán)境下擴(kuò)散的原動力。硅中代位金屬原子以M_S表示，間隙金屬原子以M_i表示。下面分別討論室溫環(huán)境下質(zhì)子輻照激勵(lì)硅中金屬原子擴(kuò)散的兩種機(jī)制：主要以代位形式存在的金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制和主要以間隙形式存在的金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制。

1、主要以代位形式存在的金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制：當(dāng)質(zhì)子輻照產(chǎn)生的硅自間隙I運(yùn)動到硅中M_S旁邊，發(fā)生Kick out，I將M_S擠入間隙，成為M_i，而自己占據(jù)了代位位置，如反應(yīng)式(1)所示。

由于M_i在硅中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)高于M_S，往往要高多個(gè)數(shù)量級，因而，在室溫環(huán)境下金屬原子擴(kuò)散成為可能。硅表面附近許多M_i進(jìn)入表面空位型缺陷內(nèi)，故表面的M_i濃度小于體內(nèi)，濃度差引發(fā)室溫環(huán)境下硅體內(nèi)的M_i向表面空位缺陷區(qū)擴(kuò)散。

2、主要以間隙形式存在的金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制：大多數(shù)金屬原子主要以間隙形式存在，通常直拉硅中氧的濃度為10¹⁸cm^-3量級，大多數(shù)金屬M(fèi)被硅中的氧氧化成O-M。當(dāng)質(zhì)子輻照產(chǎn)生的空位V運(yùn)動到O-M旁邊時(shí)，空位V將O-M還原，形成M和氧空位O‐V(即A中心)，如反應(yīng)式(2)所示：

由于M主要以間隙形式存在，故M被還原后主要進(jìn)入間隙成為M_i。

由于M_i在硅中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)高于O‐M，故上述反應(yīng)大幅提高了金屬原子的擴(kuò)散速度，使室溫環(huán)境下的擴(kuò)散成為可能。實(shí)驗(yàn)證明質(zhì)子輻照對硅中氧原子的室溫?cái)U(kuò)散有顯著的激勵(lì)作用，輻照后的硅表面附近氧濃度大幅提升，表面附近的大多數(shù)M_i與表面的氧結(jié)合成O‐M，降低表面附近M_i的濃度。除此之外，一部分M_i進(jìn)入上述空位型缺陷內(nèi)，也導(dǎo)致表面附近的M_i濃度減小。在上述兩種作用下，表面的M_i濃度小于體內(nèi)，濃度差促使M_i在室溫環(huán)境下由體內(nèi)往表面擴(kuò)散。

上述原理可以用來解釋硅中主要以代位形式和間隙形式存在的金屬原子在室溫環(huán)境下的擴(kuò)散。當(dāng)然，并不排除可能存在其它機(jī)制，進(jìn)一步的機(jī)理研究還在進(jìn)行中。

本發(fā)明利用在室溫環(huán)境下的質(zhì)子輻照來處理硅樣品，激勵(lì)硅體內(nèi)的金屬原子擴(kuò)散。由于不需高溫，該方法不僅能應(yīng)用于硅材料，還適用于大規(guī)模集成電路、太陽能電池、光電探測器等硅器件中金屬的原子擴(kuò)散。

本發(fā)明方法簡便快捷、成本低廉、綠色環(huán)保，并且受二次污染的程度遠(yuǎn)較高溫處理方法為小，因而在硅材料和硅器件工藝中都有潛在的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1.實(shí)施例1中經(jīng)10¹⁶cm^-2和10¹⁸cm^-2劑量的50keV質(zhì)子輻照處理與未經(jīng)質(zhì)子輻照的P型太陽能級硅單晶圓片中Fe濃度隨深度的分布圖。

圖2.實(shí)施例2中經(jīng)10¹⁶cm^-2和10¹⁸cm^-2劑量的50keV質(zhì)子輻照處理與未經(jīng)質(zhì)子輻照的P型太陽能級硅單晶圓片中Cr濃度隨深度的分布圖。

圖3.實(shí)施例3中經(jīng)10¹⁶cm^-2和10¹⁸cm^-2劑量的50keV質(zhì)子輻照處理與未經(jīng)質(zhì)子輻照的P型太陽能級硅單晶圓片中Cu濃度隨深度的分布圖。

圖4.實(shí)施例4中經(jīng)10¹⁶cm^-2和10¹⁸cm^-2劑量的50keV質(zhì)子輻照處理與未經(jīng)質(zhì)子輻照的P型太陽能級硅單晶圓片中Al濃度隨深度的分布圖。

圖5.實(shí)施例5中經(jīng)10¹⁶cm^-2和10¹⁸cm^-2劑量的50keV質(zhì)子輻照處理與未經(jīng)質(zhì)子輻照的P型太陽能級硅單晶圓片中Li濃度隨深度的分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

選用P型太陽能級直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先將 硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對硅片的拋光面在室溫環(huán)境下進(jìn)行質(zhì)子輻照，質(zhì)子經(jīng)50kV的加速電場獲得能量后轟擊靶盤上的硅晶片，輻照劑量分別為1E16/cm²和1E18/cm²，電流為0.5mA，靶盤中冷卻水溫度17℃。最后利用SIMS手段得到經(jīng)質(zhì)子輻照后的樣品中Fe濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖1所示。輻照劑量越大，表面附近的Fe濃度越高，當(dāng)劑量達(dá)到1E18/cm²時(shí)，表面濃度最高能達(dá)到3.4E19atoms/cm³，作用深度最深能達(dá)到500nm左右。表面附近的Fe濃度的增加說明在室溫環(huán)境下硅片體內(nèi)的Fe擴(kuò)散到表面，從而驗(yàn)證質(zhì)子輻照具有激勵(lì)硅中Fe原子擴(kuò)散的作用。

實(shí)施例2：

選用P型太陽能級直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先將硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對硅片的拋光面進(jìn)行質(zhì)子輻照，質(zhì)子經(jīng)50kV的加速電場獲得能量后轟擊靶盤上的硅晶片，輻照劑量分別為1E16/cm²和1E18/cm²，電流為0.5mA，靶盤中冷卻水溫度17℃。最后利用SIMS手段得到經(jīng)質(zhì)子輻照后的樣品中Cr濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖2所示。輻照劑量越大，表面附近的Cr濃度越高，當(dāng)劑量達(dá)到1E18/cm²時(shí)，表面濃度最高能達(dá)到2E19atoms/cm³左右，作用深度最深能達(dá)到400nm左右。表面附近的Cr濃度的增加說明在室溫環(huán)境下硅片體內(nèi)的Cr擴(kuò)散到表面，從而驗(yàn)證質(zhì)子輻照具有激勵(lì)硅中Cr原子擴(kuò)散的作用。

實(shí)施例3：

選用P型太陽能級直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先將硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對硅片的拋光面進(jìn)行質(zhì)子輻照，質(zhì)子經(jīng)50kV的加速電場獲得能量后轟擊靶盤上的硅晶片，輻照劑量分別為1E16/cm²和1E18/cm²，電流為0.5mA，靶盤中冷卻水溫度17℃。最后利用SIMS手段得到經(jīng)質(zhì)子輻照后的樣品中Cu濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖3所示。輻照劑量越大，表面附近的Cu濃度越高，當(dāng)劑量達(dá)到1E18/cm²時(shí)，表面濃度最高能達(dá)到2E19atoms/cm³，作用深度最深能達(dá)到400nm左右。表面附近的Cu濃度的增加說明在室溫環(huán)境下硅片體內(nèi)的Cu擴(kuò)散到表面，從而驗(yàn)證質(zhì)子輻照具有激勵(lì)硅中Cu原子擴(kuò)散的作用。

實(shí)施例4：

選用P型太陽能級直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先將硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對硅片的拋光面在室溫環(huán)境下進(jìn)行質(zhì)子輻照，質(zhì)子經(jīng)50kV的加速電場獲得能量后轟擊靶盤上的硅晶片，輻照劑量分別為1E16/cm²和1E18/cm²，電流為0.5mA，靶盤中冷卻水溫度17℃。最后利用SIMS手段得到經(jīng)質(zhì)子輻照后的樣品中Al濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖4所示。輻照劑量越大，表面附近的Al濃度越高，當(dāng)劑量達(dá)到1E18/cm²時(shí)，表面濃度最高能達(dá)到2.3E19atoms/cm³，作用深度最深能達(dá)到450nm左右。表面附近的Al濃度的增加說明硅片體內(nèi)的Al在室溫環(huán)境下擴(kuò)散到表面，從而驗(yàn)證質(zhì)子輻照具有激勵(lì)硅中Al原子室溫環(huán)境擴(kuò)散的作用。

實(shí)施例5：

選用P型太陽能級直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先將硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。接著對硅片的拋光面進(jìn)行質(zhì)子輻照，質(zhì)子經(jīng)50kV的加速電場獲得能量后轟擊靶盤上的硅晶片，輻照劑量分別為1E16/cm²和1E18/cm²，電流為0.5mA，靶盤中冷卻水溫度17℃。最后利用SIMS手段得到經(jīng)質(zhì)子輻照后的樣品中Li濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖5所示。輻照劑量越大，表面附近的Li濃度越高，當(dāng)劑量達(dá)到1E18/cm²時(shí)，表面濃度最高能達(dá)到3.4E17atoms/cm³左右，作用深度最深能達(dá)到25nm左右。表面附近的Li濃度的增加說明硅片體內(nèi)的Li在室溫環(huán)境下擴(kuò)散到表面，從而驗(yàn)證質(zhì)子輻照具有激勵(lì)硅中Li原子室溫環(huán)境擴(kuò)散的作用。