高電阻率硅因其低損耗和高性能特點(diǎn)，在電信系統(tǒng)中的射頻（RF）器件應(yīng)用中備受關(guān)注。尤其是作為絕緣硅（SOI）技術(shù)的理想基板，高電阻率硅的需求日益增加。然而，確定高電阻率硅的導(dǎo)電類型（n型或p型）一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法如表面光電壓（SPV）法受限于表面條件和低載流子濃度。本文提出了一種結(jié)合氫氟酸（HF）處理與擴(kuò)展電阻分布分析（SRP）的新方法，通過借助Xfilm埃利擴(kuò)展電阻SRP測試儀調(diào)控電阻率變化和表面能帶彎曲，實(shí)現(xiàn)了高電阻率硅導(dǎo)電類型的快速、準(zhǔn)確判定。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

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樣品制備與處理

• 樣品選擇：采用300 mm（100）晶向的直拉（CZ）硅片，電阻率>1000 Ω·cm，分別通過摻雜硼（p型）和磷（n型）控制導(dǎo)電類型。
• 熱處理：在氮?dú)猸h(huán)境中750℃退火30秒，消除初始熱施主。
• HF處理：使用49%氫氟酸蝕刻3分鐘，隨后去離子水清洗，獲得氫鈍化表面。
• SRP測量：通過斜面研磨制備樣品，測量表面至體區(qū)的電阻率分布。

表征與計(jì)算

• XPS與UPS：分析HF處理后表面元素組成及能帶結(jié)構(gòu)變化。
• 第一性原理計(jì)算：基于CASTEP軟件，模擬Si-F和Si-OH鍵對表面靜電勢和電子密度的影響。

SRP揭示的電阻率變化規(guī)律

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(a)SRP測量示意圖;(b)呈現(xiàn)經(jīng)HF處理和未處理的n型、p型高電阻率拋光硅片的SRP電阻率

HF 處理后的 n 型和 p 型硅片在 200°C 退火 10min 前后的電阻率分布HF處理前：n型和p型硅的電阻率分布均呈平坦趨勢。HF處理后：

• n型硅：近表面電阻率顯著降低。
• p型硅：近表面電阻率升高，且出現(xiàn)電阻率峰值，表明表面導(dǎo)電類型可能反轉(zhuǎn)。

熱處理恢復(fù)：200℃退火10分鐘后，電阻率恢復(fù)至體區(qū)水平，表明HF處理的影響可逆。

表面化學(xué)與能帶結(jié)構(gòu)表征

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(a)對比原生氧化物和 HF 蝕刻表面的 XPS 光譜;(b)給出 n 型和 p 型 HF 處理硅的 Si 2p 核心光譜;(c)(d)分別為 n 型和 p 型 HF 處理硅片的 UPS 測量結(jié)果

XPS分析：HF處理后，硅表面殘留F元素，Si 2p峰向高結(jié)合能方向偏移，表明表面費(fèi)米能級(jí)向?qū)У滓苿?dòng)。UPS分析：n型硅的功函數(shù)低于p型，且價(jià)帶頂與費(fèi)米能級(jí)的能量差顯著增大，進(jìn)一步證實(shí)表面能帶彎曲。

計(jì)算模擬結(jié)果

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Si–F與Si–OH鍵對硅電學(xué)性質(zhì)的影響(a) 理想硅表面、含Si–F鍵表面及含Si–OH鍵表面的幾何結(jié)構(gòu)(b) 三組模型的電子密度差分布；(c) 靜電勢分布

第一性原理計(jì)算表明，Si-F和Si-OH鍵會(huì)導(dǎo)致硅表面能帶向下彎曲。由于氟和羥基的電負(fù)性高于硅，與硅原子鍵合的氟和羥基周圍的電子密度偏向氟和羥基，導(dǎo)致硅原子帶正電。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察一致，表明HF處理后n型硅片表面形成載流子積累，而p型硅片表面出現(xiàn)耗盡甚至反型。

方法驗(yàn)證與應(yīng)用

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磨斜面后氫氟酸（Grinding-HF）處理后n型和p型硅片在200°C退火前后的電阻率分布

為驗(yàn)證SRP 結(jié)合 HF 處理確定導(dǎo)電類型方法的準(zhǔn)確性，對 p 型硅片進(jìn)行熱施主生成退火（DGA，450°C，4h）處理，將其導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型。對比處理前后 HF 處理硅的近表面電阻率分布發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型后的硅片近表面電阻率降低，與 n 型硅片的特征一致。這充分證明，在磨斜面之前進(jìn)行 HF 處理，根據(jù)處理后的表面電阻率與體電阻率的大小關(guān)系，能夠可靠地判斷硅片的導(dǎo)電類型：若表面電阻率高于體電阻率，則硅片為 p 型；反之，則為 n 型。本研究通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，詳細(xì)探討了HF處理對高電阻率硅表面電學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，HF處理可以顯著改變n型和p型硅的近表面電阻率，且這種變化可以通過SRP測量進(jìn)行定量分析。

Xfilm埃利擴(kuò)展電阻SRP測試儀

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借助此自動(dòng)化系統(tǒng)，可全面分析器件加工中所有硅基半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的載流子濃度與電阻率分布。測量范圍覆蓋尖端應(yīng)用需求。

• 超寬測量范圍：擴(kuò)展電阻1Ω - 109Ω，靈活適配多種應(yīng)用
• 高分辨率：縱向分辨率≤5 nm、橫向分辨率<1 μm，無重疊測量
• 原位斜面角度測量（In-Situ BAM）范圍：0.1° - 5°

本研究通過Xfilm埃利擴(kuò)展電阻SRP測試儀對SRP測量結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算，揭示了HF處理對硅表面電學(xué)特性的調(diào)控機(jī)制，并開發(fā)了一種高效、無損的導(dǎo)電類型判定方法。未來可進(jìn)一步探索其他表面處理劑對能帶工程的潛在影響，為半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)提供新思路。

原文出處：《Determination of conduction type in high-resistivity silicon by combining spreading resistance profiling (SRP) with hydrofluoric acid treatment》

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