摻氮直拉單晶硅（Nitrogen-doped CZ Silicon, NCZ-Si）中氮的低溫遠紅外測量

在半導體材料領域，硅基半導體材料目前產量最大、應用最廣，90%以上的半導體產品仍用單晶硅作為襯底材料制作。目前大尺寸硅片已成為硅片市場最主流的產品。硅片生產中在拉晶過程中，需要解決氧含量及徑向均勻性、雜質的控制、缺陷控制、氧沉淀控制、電阻值定量、摻雜及徑向均勻性等眾多問題，同時對檢測表征等保障技術也提出了更高的要求。直拉晶體硅中摻氮可用來調控原生氧沉淀和空洞型缺陷，從而提高硅晶體的質量，已經在產業界廣泛應用，除了間隙氧、代位碳、III-V族元素檢測以外，氮的測量也是硅材料界的一個熱點課題。

眾所周知，直拉單晶硅中含有較高濃度（濃度范圍10¹⁷-10¹⁸cm^-3）的間隙氧（O_i），當氮摻入直拉硅單晶中時，除了以氮-氮對（N-N）形式存在以外，氮還會和氧作用形成氮氧復合體（N-O complexes）。研究顯示氮氧復合體會引起紅外的局域模振動吸收和電子躍遷吸收，可以被紅外吸收光譜技術探測到。在低溫（10K左右）條件下，氮氧復合體在遠紅外波段有一系列由于電子躍遷產生的吸收峰，目前已經報導了7種氮氧復合體[1,2,3]。

針對直拉單晶硅中雜質元素以及氮氧復合體的測量，布魯克CryoSAS全自動、高靈敏度工業低溫硅質量控制分析系統，通過測試位于中/遠紅外波段間隙氧（1136.3cm^-1, 1205.6cm^-1）[7]，代位碳(607.5cm^-1)[6,7]，III-V族元素[4,5]以及氮氧復合體吸收譜帶（249.8, 240.4cm^-1[1,2]），通過直接或間接計算獲得相應元素含量值。

布魯克CryoSAS系統主要特點：

·  波段范圍1250-230cm^-1，覆蓋了間隙氧（O_i）、代位碳（C_s）、III-V族淺能級雜質元素（硼B，磷P，砷As，鋁Al，鎵Ga，銻Sb，符合SEMI/ASTM MF1630-0704標準）以及N-N對，氮氧復合體[N-O-(1-6)]吸收譜帶[4,5,6,7]

·  閉循環低溫冷卻系統，T＜15K，無需昂貴的液體制冷劑[4]

·  不銹鋼、真空樣品室設計

·  堅固、精確的步進電機，帶有9位樣品架

·  簡單易用

（文獻[1]）

（文獻[3]）

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參考文獻：

[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]《半導體材料測試與分析》，楊德仁 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 硅單晶中碳、氧含量的測定 低溫傅立葉變換紅外光譜法