掺氮直拉单晶硅（Nitrogen-doped CZ Silicon, NCZ-Si）中氮的低温远红外测量

在半导体材料领域，硅基半导体材料目前产量最大、应用最广，90%以上的半导体产品仍用单晶硅作为衬底材料制作。目前大尺寸硅片已成为硅片市场最主流的产品。硅片生产中在拉晶过程中，需要解决氧含量及径向均匀性、杂质的控制、缺陷控制、氧沉淀控制、电阻值定量、掺杂及径向均匀性等众多问题，同时对检测表征等保障技术也提出了更高的要求。直拉晶体硅中掺氮可用来调控原生氧沉淀和空洞型缺陷，从而提高硅晶体的质量，已经在产业界广泛应用，除了间隙氧、代位碳、III-V族元素检测以外，氮的测量也是硅材料界的一个热点课题。

众所周知，直拉单晶硅中含有较高浓度（浓度范围10¹⁷-10¹⁸cm^-3）的间隙氧（O_i），当氮掺入直拉硅单晶中时，除了以氮-氮对（N-N）形式存在以外，氮还会和氧作用形成氮氧复合体（N-O complexes）。研究显示氮氧复合体会引起红外的局域模振动吸收和电子跃迁吸收，可以被红外吸收光谱技术探测到。在低温（10K左右）条件下，氮氧复合体在远红外波段有一系列由于电子跃迁产生的吸收峰，目前已经报导了7种氮氧复合体[1,2,3]。

针对直拉单晶硅中杂质元素以及氮氧复合体的测量，布鲁克CryoSAS全自动、高灵敏度工业低温硅质量控制分析系统，通过测试位于中/远红外波段间隙氧（1136.3cm^-1, 1205.6cm^-1）[7]，代位碳(607.5cm^-1)[6,7]，III-V族元素[4,5]以及氮氧复合体吸收谱带（249.8, 240.4cm^-1[1,2]），通过直接或间接计算获得相应元素含量值。

布鲁克CryoSAS系统主要特点：

·  波段范围1250-230cm^-1，覆盖了间隙氧（O_i）、代位碳（C_s）、III-V族浅能级杂质元素（硼B，磷P，砷As，铝Al，镓Ga，锑Sb，符合SEMI/ASTM MF1630-0704标准）以及N-N对，氮氧复合体[N-O-(1-6)]吸收谱带[4,5,6,7]

·  闭循环低温冷却系统，T＜15K，无需昂贵的液体制冷剂[4]

·  不锈钢、真空样品室设计

·  坚固、精确的步进电机，带有9位样品架

·  简单易用

（文献[1]）

（文献[3]）

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参考文献：

[1] H. Ch. Alt et al. Analysis of electrically active N-O complexes in nitrogen-doped CZ silicon crystals by FTIR spectroscopy, Materials Science in Semiconductor Processing 9 (2006) 114-116.

[2] H. Ch. Alt et al. Far-infrared absorption due to electronic transitions of N-O complexes in Czochralski-grown silicon crystals: influence of nitrogen and oxygen concentration, Appl. Phys. Lett. 87, 151909(2005).

[3]《半导体材料测试与分析》，杨德仁 等著

[4] https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/infrared-and-raman/silicon-analyzer/cryo-sas-cryogenic-silicon-analyzer.html

[5]SEMI MF1630-0704 Test Method for Low Temperature FT-IR Analysis of Single Crystal Silicon for III-V Impurities

[6]SEMI MF1391-1107 Test Method for Substitutional Atomic Carbon Content of Silicon by Infrared Absorption

[7]GB/T 35306-2017 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法