重掺硅(111)表面的微缺陷

　　1　引　言

　　在微电子工业中,做为衬底的半导体抛光片质量对器件制造工艺、器件质量有重要的影响。表面机械损伤、缺陷导致外延层中的大量层错位错,给外延生长、超晶格生长带来一系列的技术困难[1]。微结构粗糙表面生长的氧化层薄膜断裂强度降低[2]。表面态的存在可以起复合中心的作用,使晶体管电流放大倍数降低,pn结反向漏电电流增大,击穿电压减小[1]。随着集成电路向大规模(LSI)和超大规模(ULSI)方向发展,微电子技术从微米技术进入纳米技术[3]。元件结构可以小至纳米尺度,使表面微缺陷的问题更突出,对抛光片表面质量、表面晶格完整性、清洁度、平整度提出更高的要求。半导体材料研究重点转向表面精细加工,特别是抛光片表面的研究。

　　扫描隧道显微镜(STM),扫描隧道谱(STS)因为其超高分辨率(最高可达单原子分辨)和大范围、易操作的优点,被广泛应用于半导体表面结构和表面电子谱的研究。先期这些工作主要在超高真空(UHV)中进行。半导体表面经真空处理后成为原子级清洁平整的理想表面与抛光片实际表面有较大差异。半导体材料经切磨抛处理后,表面缺陷较多,存在一个数百纳米的损伤层。利用STM/STS研究抛光片表面真实结构,电子谱在技术上更有实际意义。

　　本文利用自行研制的EC-STM/STS对不同掺杂浓度的Si (111)抛光片表面微结构、表面电子结构进行了初步研究。目的是找出产品中存在的问题及产生的原因,优化抛光工艺,同时寻求提高表面质量的新方法。

　　2　实　验

　　本实验采用自行研制的UHV-STM及EC-STM[4]。恒电位控制四电极体系STM主体,包括圆管状扫描器、电解池、参比电极、辅助电极、工作电极(样品)及针尖。

　　针尖利用铂铑合金丝(0.1mm),在熔盐中经直流电化学腐蚀成锥角大的尖锐针尖,清洗烘干后均匀涂以高绝缘,耐强酸、强碱的涂层,以避免针尖漏电电流和电化学反应电流(mA级)淹没微弱的隧道电流(nA级)。针尖裸露尽可能小以保证STM的超高分辨率。

　　n型掺Sb Si(111)抛光片从北京有色金属研究总院半导体材料与工程中心生产的抛光片中随机选出。分不同部位切成8mm×8mm小块。掺Sb浓度分别约为(轻掺)和(重掺)。样品经清洁处理或Shrira-ka[5]方法处理后,表面获得清洁稳定的H钝化表面。样品边缘、下表面涂以银浆固定于杯形样品架上,使之形成良好的欧姆接触。

　　清洁处理后的样品固定于杯形样品架,注入0.1M H2SO4,将盐桥的鲁金毛细管口尽量贴近样品表面以减小欧姆压降。用机械方法将针尖移至样品,在隧道电压为-2.0V时产生1nA左右的隧道电流,待系统稳定后启动XY扫描电路观察Si (111)表面形貌。电子谱的测量则在针尖扫描至某一点系统稳定后,关闭包括一个取样保持器的反馈控制回路,扫描Vt电压得到对应点的I-V特性曲线。