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1、用同位素受控材料先进的扩散研究哈特穆特A. Brachta，休斯H. Silvestrib和尤金E. Hallerb，研究所献给Materialphysik的Universitat德国明斯特。 材料科学与工程学院，加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室，伯克利，加州，94720部。 关键词：自扩散，杂质原子的扩散，半导体，点缺陷，稳定同位素， SIMS PACS：66.30.Hs，66.30.Jt，61.72.Ji，82.20.Tr摘要 利用丰富稳定同位素结合现代外延沉积和深度剖析技术，使材料异质结构的制备，非常适合自我和外国原子扩散实验。在过去的十年中，我们进行扩散研究，同位素富集的元素
2、和化合物半导体。在本论文中，我们强调我们的最新研究成果，并展示了使用同位素富集的材料迎来了扩散在固体中的研究，得出更深入地了解在本地扩散的缺陷及其角色的属性，一个新的时代。我们的研究的原子扩散的方法并不限定于半导体和也可以应用到我们的研究关注于硅 - 锗合金和玻璃状材料，例如二氧化硅和离子传导硅酸盐玻璃中扩散其他材料区域。介绍 原子的材料的扩散是质量传递的基本过程，是许多重要的应用。例如，通常是由期望的外来原子进入材料中的扩散进行硅的掺杂。现行标准的纳米离子注入的只有零点几很浅的掺杂分布的要求的扩散和反应过程，以尽量减少瞬态扩散效应较强的控制1。与下定标Si基电子器件，接口正变得越来越显著并可
3、以影响扩散在感兴趣的散装物料。在这种情况下，在在SiO2/Si界面发生的反应是非常重要的，以便了解Si的氧化过程和接口的能力，作为点缺陷的来源。大规模生产的基于III-V族化合物半导体中的电子和光电子器件还要求高度重现性的掺杂工艺。为了满足这一要求对于在化合物半导体的掺杂剂分布的常观察到复杂的形状的原因是必须理解的。这些例子说明，掺杂剂扩散的机制和底层的材料，包括它们的生成，重组和相互作用与掺杂原子，在本征点缺陷的属性的全面了解是极其重要的意义，用于控制电子设备的制造。 扩散半导体无数的研究已经完成，在过去五十年，并发表在科学期刊上。不幸的是，最早扩散的研究没有引用在电子数据库，尽管一些早期成
4、果是极其重要的意义，仍然对有关半导体技术。为了不忘记许多基本结果的来源，来源比电子数据库等应予以考虑。在此背景下，我们指向兰多尔特 - 伯恩斯坦的新系列，其中包括上扩散一个全面的数据收集，在半导体点缺陷的溶解性和电子性质。 关于半导体的性质和点缺陷性质的信息可以从光谱方法如电子顺磁共振（EPR）研究，红外（IR）光谱，深能级瞬态谱（DLTS）来获得和扰动角关联（PAC）的实验，仅举几例。所有这些方法都提供了有关的缺陷，在温度范围从低温到常温的属性的信息。然而，对于学习点缺陷在相关的工艺技术下一个普遍适用的光谱方法不可用。一个例外是正电子湮没谱（PAS）。但这种方法仅限于空置状缺陷调查，不幸的是
5、，即使在失败硅的情况下，是热平衡空位浓度低于方法的检出限。另一方面，在固体中的点缺陷的结构，并形成能的理论计算，所得结果与分光结果的比较非常有价值的。但目前还不清楚这些理论成果，对零开尔文获得多远，适用于较高的温度。在固体上公布的点缺陷和更复杂的缺陷结构的许多理论文章反映需要获得关于哪些强烈影响的技术材料的功能性缺陷的属性的信息 2,3.。 调查在高温下的性质和材料的点缺陷的性质的一般方法是“扩散光谱”。乍一看，这似乎是一个矛盾，但扩散的研究，其实在这样一种方式，关于点缺陷的详细信息成为访问进行。这种进步在固态扩散是由它总结了自我和外商原子的扩散在半导体中，我们近期的发展和结果贡献突出。对于扩
6、散谱，我们利用适当的同位素控制异质这在很宽的温度范围内使扩散实验。 我们进行下热平衡和辐射增强条件下的自扩散实验。最后，通过同位素异质结构的手段掺杂剂扩散对自扩散的影响，可以进行第一次的调查。UCH实验提供了有关原子机制，是不是单独进行的自我和外国原子扩散实验接触点缺陷性质的有价值的信息。自扩散在热平衡条件下的半导体自扩散在固体共同研究使用任富集的稳定或放射性同位素如沉积在感兴趣的材料的顶部是示踪元素。后扩散退火，所述示踪剂的穿透曲线是通过深度剖析技术和仪器测量，以检测特定的同位素质量或放射性。以这种方式进行的自扩散实验被限制为在该材料或由放射性示踪剂的有限半寿期的稳定同位素的天然丰度。此外，
7、该示踪剂从表面扩散到散装材料可受所引起，例如，暴露于空气中的表面层。用富集的稳定同位素和诸如分子束外延（MBE）或者化学气相沉积（CVD）现代外延沉积技术，同位素富集的外延层可以生长。对于自扩散实验的适当层结构，包括一个同位素富集层相同的材料与天然组合物的2层夹着的。同位素层的厚度应足以使扩散实验在很宽的温度范围内进行。对于自扩散研究使用埋同位素富集层结构，避免了可能由半活放射性示踪剂或通过作用起始于表面所引起的任何限制。自扩散Ge中这显示出稳定同位素的扩散实验的好处第一实验实现了与锗同位素异质结构的分子束外延生长4。日益丰富的70Ge和74Ge的外延层允许戈自扩散的一处埋入界面观察天然同位素
8、丰度的Ge衬底上4。图1示出了所有的5个稳定葛同位素的同位素结构的退火后通过二次离子质谱分析装置测量的深度剖面。Fick定律的自扩散，即互补误差函数，以实验戈型材产量戈自扩散系数的解决方案。与从该利用放射性示踪剂71Ge同位素传统的扩散研究获得的自扩散的数据一致表明同位素结构的自扩散实验的有用性5。进一步的结果，其中包括兴奋剂和静水压力对锗自扩散5和铜戈中的游离扩散决定的空缺贡献葛扩散的影响，清楚地表明，自扩散锗主要以空缺6,7与3.09 eV的激活焓控制5。退火后的锗同位素异质结构在586，55.55图1 SIMS深度剖面。稳定同位素70Ge，72Ge，73Ge，74Ge及76Ge的深度剖面
9、给出原子分数的函数。显示在适合的70Ge轮廓。4自扩散Si中以前的Si自扩散实验在各种深度剖析方法一起进行放射性和稳定同位素（例如，见参考文献2）。所有方法都只能在有限的温度范围内提供自扩散数据。确定温度高于或低于1300 K表自扩散数据分别显示约5 eV和4 eV的激活焓。因此，提出了在该温度下的Si的自扩散的依存性的扭结反映从一个自填隙介导的自扩散高温下的变化，以在较低温度下的空缺介导的自扩散过程。以前的自扩散研究的一个主要限制是相关的短半衰期在Si放射性同位素31Si（T1 / 2= 2.6小时）。作为一个结果，用31Si扩散研究仅限于高温，使得所述时间窗口用于实验中的放射性示踪剂的可测
10、量扩散到样品中仍观察到。与使用28Si的富集生长在天然Si衬底的外延层这个限制被克服，我们可以调查硅自扩散在很宽的温度范围内（855至1388）8。退火的同位素结构与生长在天然硅一28Si外延层后用SIMS测量典型的Si访问被示于图2的左侧。温度在Si的自扩散系数的相关性是准确地描述幅度超过7订单的4.76 eV的一个扩散的活化焓8,9。这表明，在温度硅自扩散的依赖性不显着的扭结。然而，这并不意味着只有一个机制介导的自扩散而是一种机制主要见于研究的温度范围内。30Si的组成的28Si的结构 如图2（左）的SIMS深度剖面富集生长的天然组合物的衬底上的外延层。配置文件进行扩散退火在1095，54
11、.5 H（正方形）和1153，19.5 H（圈子）后得到8。虚线是作为生长30Si更新。 Si的自扩散系数，它示出了实验数据（符号）与我们的结果阿仑尼乌斯型温度依赖性（实线）相比，结果在文献中给出（从8采取）（右）的阿列纽斯绘制。与自间隙原子和空位对Si的扩散，这是从锌扩散试验10,11,12,13中获得的个人捐款自扩散数据的比较，证明了硅的扩散主要受自间隙介导在该温度范围内的影响。相对于自我扩散的间质性贡献，职位空缺的贡献随温度降低而增加，并接近在温度低于1200 K时间质性贡献。以硅自扩散的个人缴费可以进一步分为原生缺陷的存在电荷态的贡献。这是通过在同位素的多层结构，其总结在后面的章节中自
12、我和掺杂剂扩散的同时进行分析来实现。自我原子和掺杂剂扩散之间的干扰 同位素控制异质结构非常适合进行调查的掺杂剂扩散对自扩散的影响。对于这些实验，我们使用同位素的多层结构，这使随深度变化的自扩散，这是由于掺杂剂扩散进入该同位素结构的测量。掺杂剂的浓度要超过本征载流子浓度的掺入使材料的外在。因此，费米能级偏移的位置，从而导致在带电原生缺陷32的热平衡浓度的变化。自营和掺杂原子的扩散同步的精确建模不仅提供了更深入地了解扩散的机制，而且所涉及的点缺陷的性质。这些属性包括点缺陷，他们的收费状态和他们的自我扩散贡献的性质。 在由10双69GaAs/71GaAs层在GaAs同位素结构的Zn扩散进行实验来研究
13、杂质引起的层无序化在其中发现了Laidig等人33的III-V族化合物半导体。Zn和Ga的扩散分布，同时把二次离子质谱的方法记录下来，准确地描述假设中性Ga间隙和中性单正电荷的Ga空穴参与的Zn扩散27。Ga和Zn的SIMS深度剖面和计算机模型拟合示于图。对这种解释的基础上接近锌型材表面纠结的观察是Ga空位控制的Zn扩散的结果。配置文件尾部是由中立Ga间质的扩散而形成。因为底层的Zn扩散模型预测Ga空缺贡献Ga扩散超过总Ga扩散系数，锌扩散砷化镓机制还不能准确确定。新的实验证实了中性的参与，也是单独阳性嘎间隙28，因此通过双重和三重正电嘎间隙34反驳锌扩散砷化镓普遍接受的解释。其他调查工作正在
14、执行，当前澄清Zn kink-and-tail浓度分布扭结部分的来源。69Ga（圆）图3深度剖面;71Ga（正方形）和锌（+）测定SIMS锌的砷化镓异质同位素的扩散在666，180分钟后。电活性锌（）的以ECV纹的装置测量的浓度示出用于比较。实线表示的Zn和Ga的扩散的模拟。插图显示了整个锌配置文件与穿透深度约2.3mm27。同时掺杂剂和自扩散实验，是在硅稳定同位素异质结构的5交替对28Si/nat.Si执行的。掺杂剂被注入通过引入一种无定形硅覆盖层，从而防止改变平衡原生缺陷浓度的同位素构成任何注入损伤。掺杂剂B 35,36，如36,37,38和P39进行了研究，以确定本征缺陷和外在对（B）根
15、据缺陷充电状态负责扩散Si和N-（砷，磷）型条件。对于B，同时扩散实验产生中性介导踢出型扩散机制和单正电荷的硅自间隙原子35,36。对于B，同时扩散实验产生中性介导踢出型扩散机制和单正电荷的硅自间隙原子35,36。的作为和Si的稳定同位素异质结构的SIMS深度剖面，说明同时掺杂和稳定同位素扩散技术的能力的情节，是在图4。在该图3模拟为间质的三种不同电荷状态随着由于和Si深度轮廓绘制。可以看出，由于更新是不敏感的间质性充电状态。另一方面在Si分布是高度敏感的，这表明的缺陷的充电状态适当的选择。这三个实验也取得了中性的贡献，单负，和单带正电荷的自间隙对Si自扩散38。温度间质贡献的依赖性，它们的和的Arrhenius图显示在图4。可以看出，这些缺陷贡献的总和同意与从先前的工作所确定的总的Si自扩散8。以前，我们分配的带负电荷的本征点缺陷对Si扩散的贡献，以带负电荷的空位36,37。
