晶體缺陷檢測(cè)（課堂PPT）

1、1第二章第二章 晶向與晶體缺陷檢測(cè)晶向與晶體缺陷檢測(cè)2二、晶體缺陷檢測(cè)二、晶體缺陷檢測(cè)（一）晶體缺陷檢測(cè)的重要性（一）晶體缺陷檢測(cè)的重要性（二）晶體缺陷的種類（二）晶體缺陷的種類點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷空位、間隙雜質(zhì)原子空位、間隙雜質(zhì)原子 （主要）（主要）線缺陷線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò) （主要）（主要）面缺陷面缺陷堆垛層錯(cuò)、攣晶界、晶界等堆垛層錯(cuò)、攣晶界、晶界等體缺陷體缺陷孔洞、夾雜物等孔洞、夾雜物等半導(dǎo)體加工過程中的二次缺陷半導(dǎo)體加工過程中的二次缺陷3（1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷G 晶格中點(diǎn)缺陷常常是外來原子或雜質(zhì)原子造成的。晶格中點(diǎn)缺陷常常是外來原子或雜質(zhì)原子造成的。 單晶硅中點(diǎn)缺陷包括：單晶硅中點(diǎn)缺陷包括：l有意摻入

2、電活性雜質(zhì)有意摻入電活性雜質(zhì)（如（如P，B) 控制電導(dǎo)率和導(dǎo)電類型l 氧，碳，硼雜質(zhì)氧，碳，硼雜質(zhì) 來源于氣態(tài)生長、化學(xué)試劑、石英玻璃 成為硅體內(nèi)自間隙原子，并誘生出位錯(cuò) 和層錯(cuò)等缺陷，影響晶體整體完整性、載流子濃度 以及少子壽命，并容易導(dǎo)致器件漏電。l 重金屬雜質(zhì)（重金屬雜質(zhì)（Fe,Cu,Ni,Au,Al,Co等等) 來源于硅片生長、加工（不銹鋼）、 清洗、金屬電極制作過程 影響載流子濃度和少子壽命，導(dǎo)致器件失效。4（2）線缺陷）線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò) G 位錯(cuò)是半導(dǎo)體中最主要的缺陷。位錯(cuò)是半導(dǎo)體中最主要的缺陷。位錯(cuò)產(chǎn)生的根本原因是晶體內(nèi)部應(yīng)力的存在，例如在晶體制備、后熱處理等過程中，由于不均勻的加

3、熱或冷卻，晶體內(nèi)部存在應(yīng)力就可產(chǎn)生位錯(cuò)。除此之外，雜質(zhì)原子引起位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)后發(fā)生滑移。 刃形位錯(cuò)形成示意圖刃形位錯(cuò)形成示意圖滑移面滑移面位錯(cuò)線位錯(cuò)線刃型位錯(cuò)后發(fā)生滑移刃型位錯(cuò)后發(fā)生滑移附加的原子或者附加的原子或者受熱不均受熱不均5位錯(cuò)形成的一系列透射電子顯微鏡照片6（3）面缺陷）面缺陷 a. 堆垛層錯(cuò)：堆垛層錯(cuò)：由位錯(cuò)的相關(guān)原子組成的多余原子面。 螺型位錯(cuò)后發(fā)生堆垛螺型位錯(cuò)后發(fā)生堆垛 堆垛層錯(cuò)通常在外延生長層中觀察到外延生長層中觀察到。一般要求外延層中的層錯(cuò)密度小于102/cm2。 7 b. 攣晶：攣晶：從同一個(gè)界面生長出兩種不同方向晶體從同一個(gè)界面生長出兩種不同方向晶體 c. 晶界：晶界：

4、具有很大取向差別的晶塊結(jié)合時(shí)產(chǎn)生具有很大取向差別的晶塊結(jié)合時(shí)產(chǎn)生一個(gè)硅圓柱錠的晶界一個(gè)硅圓柱錠的晶界攣晶攣晶8（三）晶體缺陷檢測(cè)方法（三）晶體缺陷檢測(cè)方法1、點(diǎn)缺陷的檢測(cè)、點(diǎn)缺陷的檢測(cè) u電學(xué)性能測(cè)量電學(xué)性能測(cè)量有意摻雜原子濃度的確定有意摻雜原子濃度的確定 如：電阻率測(cè)量，霍爾效應(yīng)測(cè)量， 對(duì)應(yīng)N型或P型摻雜濃度 u 少子壽命測(cè)試少子壽命測(cè)試金屬雜質(zhì)分析金屬雜質(zhì)分析u 二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜金屬雜質(zhì)分析金屬雜質(zhì)分析u 原子吸收光譜原子吸收光譜金屬雜質(zhì)分析金屬雜質(zhì)分析u紅外光譜吸收法紅外光譜吸收法碳、氧雜質(zhì)碳、氧雜質(zhì) 紅外光譜紅外光譜：測(cè)量C、O、N雜質(zhì)含量9利用利用SIMS進(jìn)行器件失效分析進(jìn)行

5、器件失效分析10 雜質(zhì)雜質(zhì)C（替位）的最強(qiáng)紅外吸收峰波長（替位）的最強(qiáng)紅外吸收峰波長:16.4m 雜質(zhì)雜質(zhì)O （間隙）的紅外吸收峰波長：（間隙）的紅外吸收峰波長：9.1mC吸收最強(qiáng)吸收次強(qiáng)112、位錯(cuò)和層錯(cuò)的檢測(cè)、位錯(cuò)和層錯(cuò)的檢測(cè)u 腐蝕金相顯微鏡觀測(cè)腐蝕金相顯微鏡觀測(cè)（簡單常用的方法）（簡單常用的方法）u X X射線衍射法射線衍射法 （精確的方法）（精確的方法） u 電子顯微鏡電子顯微鏡 12（1）檢測(cè)基本原理）檢測(cè)基本原理 在適宜的腐蝕劑中，晶體表面靠近位錯(cuò)附近的區(qū)域其腐在適宜的腐蝕劑中，晶體表面靠近位錯(cuò)附近的區(qū)域其腐蝕速度要比其它區(qū)域大，腐蝕一定時(shí)間后就會(huì)形成凹下的坑，蝕速度要比其它區(qū)域

6、大，腐蝕一定時(shí)間后就會(huì)形成凹下的坑，即所謂腐蝕坑即所謂腐蝕坑，利用這個(gè)特性可進(jìn)行位錯(cuò)和層錯(cuò)的顯示。2.12.1 腐蝕金相觀察法腐蝕金相觀察法 由于位錯(cuò)是一種線缺陷，晶格畸變是沿著一條線延伸下來的，貫穿于整個(gè)晶體，終止在表面或形成閉環(huán)，因此在表面的交點(diǎn)是一個(gè)點(diǎn)狀在表面的交點(diǎn)是一個(gè)點(diǎn)狀小區(qū)域小區(qū)域.13(100)硅片表面的位錯(cuò)(111)硅片表面的位錯(cuò) （111）面）面 （100）面）面 （110）面）面 蝕坑是一倒置正四面體（三角錐體）蝕坑是一倒置四棱錐體，從表面看呈實(shí)心正方形蝕坑為兩個(gè)對(duì)頂三角錐體（2）位錯(cuò)與層錯(cuò)的腐蝕坑觀察）位錯(cuò)與層錯(cuò)的腐蝕坑觀察14 位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度 是垂直于位錯(cuò)線單位截面積

7、中穿過的位錯(cuò)線數(shù)。 多點(diǎn)平均法。 圖2.21 五點(diǎn)平均 圖2.22 分區(qū)標(biāo)圖法 （3）層錯(cuò)、位錯(cuò)密度的測(cè)量）層錯(cuò)、位錯(cuò)密度的測(cè)量152.22.2 X X射線衍射法（射線衍射法（XRDXRD） 在近完整晶體中，缺陷、畸變等體現(xiàn)在X射線譜中只有幾十弧秒，而半導(dǎo)體材料進(jìn)行外延生長要求晶格失配要達(dá)到10-4或更小。這樣精細(xì)的要求使雙晶X射線衍射技術(shù)成為近代光電子材料及器件研制的必備測(cè)量儀器，以雙晶衍射技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的四晶及五晶衍射技術(shù)（亦稱為雙晶衍射），已成為近代X射線衍射技術(shù)取得突出成就的標(biāo)志。純譜線的形狀和寬度由試樣的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶體點(diǎn)陣中的主要缺陷決定，故對(duì)線形作適當(dāng)分析，原

8、則上可以得到上述影響因素的性質(zhì)和尺度等方面的信息。16檢測(cè)基本原理檢測(cè)基本原理 當(dāng)電子束照到晶體上，除了產(chǎn)生透射束（零級(jí)衍射）外，還會(huì)產(chǎn)生各級(jí)衍射束，經(jīng)物鏡聚集后，在其后焦面形成電子衍射譜像。電子衍射原電子衍射原理與理與X 射線衍射原理相同，遵循布拉格衍射定律，但電子能量高，波長射線衍射原理相同，遵循布拉格衍射定律，但電子能量高，波長非常短（非常短（電子能量越大，電子波長越短。當(dāng)加速電壓為100 kV時(shí)，電子的波長僅為0.0037nm ；當(dāng) E = 30KeV 時(shí), 0.007nm），衍射角小，），衍射角小，因此電子衍射是對(duì)晶體二維倒易點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的放大顯示，因此電子衍射是對(duì)晶體二維倒易點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的

9、放大顯示，根據(jù)顯示圖形可以鑒定所觀察晶體的種類、結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等。 2.32.3 電子顯微鏡法電子顯微鏡法171937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：電子衍射年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：電子衍射戴維森戴維森 G .P .湯姆孫湯姆孫 背景：20世紀(jì)20年代中期物理學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。波動(dòng)力學(xué)已經(jīng)由薛定諤在德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來，和海森伯從不同的途徑創(chuàng)立的矩陣力學(xué)，共同形成微觀體系的基本理論。這一巨大變革的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)自然成了人們關(guān)切的課題，這就激勵(lì)了許多物理學(xué)家致力于證實(shí)粒子的波動(dòng)性。直到1927年，才由美國的戴維森和英國的G .P .湯姆孫分別作出電子衍射實(shí)驗(yàn)。雖然這時(shí)量子力學(xué)已得到廣泛的運(yùn)用，但電子衍射實(shí)

10、驗(yàn)成功引起了世人的注意。貝爾電話實(shí)驗(yàn)室英國倫敦大學(xué)18最簡單的電子衍射裝置。最簡單的電子衍射裝置。從陰極K發(fā)出的電子被加速后經(jīng)過陽極A的光闌孔和透鏡L到達(dá)試樣S上，被試樣衍射后在熒光屏或照相底板P上形成電子衍射圖樣。由于物質(zhì)（包括空氣）對(duì)電子的吸收很強(qiáng)，故上述各部分均置于真空中。電子的加速電壓一般為數(shù)萬伏至十萬伏左右，稱高能電子衍射透射。 為了研究表面結(jié)構(gòu)，電子加速電壓也可低達(dá)數(shù)千甚至數(shù)十伏，這種裝置稱低能電子衍射裝置，稱反射電子衍射（RHEED）。 19自從60年代以來，商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見電子顯商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見電子顯微鏡），微鏡），而且可以利用試

11、樣后面的透鏡，選擇小至1微米的區(qū)域進(jìn)行衍射觀察，稱為選區(qū)電子衍射。 20（a）非晶）非晶 （b）單晶）單晶 （c）多晶）多晶 （d）會(huì)聚束）會(huì)聚束 硅單晶硅單晶圖圖6.16 典型電子衍射圖典型電子衍射圖21l 在位錯(cuò)存在的區(qū)域附近，晶格發(fā)生了畸變，因此衍射強(qiáng)度亦將隨之變化，于是位錯(cuò)附近區(qū)域所成的像便會(huì)與周位錯(cuò)附近區(qū)域所成的像便會(huì)與周圍區(qū)域形成襯度反差，這就是用圍區(qū)域形成襯度反差，這就是用TEM觀察位錯(cuò)的基本原觀察位錯(cuò)的基本原理，理，因上述原因造成的襯度差稱為衍射襯度衍射襯度。l 電子衍射作用遠(yuǎn)比X射線與物質(zhì)的交互作用強(qiáng)烈，因而在金屬和合金的微觀分析中特別適用于對(duì)含少量原子的樣品，如薄膜、微粒、

12、表面等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。薄膜、微粒、表面等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。22半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)位錯(cuò)的透射電子顯微鏡照片位錯(cuò)的透射電子顯微鏡照片中間稍亮區(qū)域（晶粒）里的暗線就是所觀察到位錯(cuò)的像。光學(xué)顯微鏡（助教內(nèi)容）光學(xué)顯微鏡（助教內(nèi)容）u 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理u 光學(xué)顯微鏡的性能參數(shù)光學(xué)顯微鏡的性能參數(shù)u 光學(xué)顯微鏡的使用光學(xué)顯微鏡的使用241、顯微鏡的構(gòu)造、顯微鏡的構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng):物鏡物鏡,目鏡目鏡,反光鏡反光鏡,聚光器聚光器,虹虹彩光圈彩光圈.機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng):鏡座鏡座,鏡柱鏡柱,鏡壁鏡壁,鏡筒鏡筒,物鏡轉(zhuǎn)物鏡轉(zhuǎn)換器換器,載物臺(tái)載物臺(tái),調(diào)焦螺旋調(diào)焦螺旋,聚光聚光器調(diào)節(jié)螺旋器調(diào)節(jié)

13、螺旋252、顯微鏡的性能參數(shù)、顯微鏡的性能參數(shù) 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 幾何光學(xué)的缺陷幾何光學(xué)的缺陷 顯微鏡的分辨率顯微鏡的分辨率 顯微鏡的景深顯微鏡的景深 物鏡和目鏡的測(cè)微尺物鏡和目鏡的測(cè)微尺26 金相顯微鏡，金相顯微鏡，是專門用于觀察金屬和礦物等不透明不透明物體金相組織的顯微鏡，即反射式顯微鏡物體金相組織的顯微鏡，即反射式顯微鏡。它是鑒別和分析各種金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)及缺陷的專業(yè)儀器。放放大倍率大倍率10010015001500倍。倍。3、金相顯微鏡、金相顯微鏡電子顯微鏡種類電子顯微鏡種類(自學(xué)）自學(xué)）u 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 (TEM)u 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM)u 掃描

14、隧道電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡(STM)u 原于力電子顯微鏡原于力電子顯微鏡(AFM) 28 真真空空系系統(tǒng)統(tǒng)光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡 透射電鏡透射電鏡 電電子子光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)29分辨率分辨率放大倍數(shù)放大倍數(shù)0.10.2nm106數(shù)量級(jí)以上。 30透射電鏡實(shí)物圖片2、掃描電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)32光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡的性能比較光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡的性能比較顯微鏡的分辨率：d0.61/（nsin）3、掃描隧道電子顯微鏡、掃描隧道電子顯微鏡(STM) 掃描隧道顯微鏡(STM) 是一種利用量子理論中的隧道利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器效應(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。 掃

15、描隧道顯微鏡可以定位單個(gè)原子可以定位單個(gè)原子，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。它于1981年由IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位研究者發(fā)明，兩位發(fā)明者因此榮獲了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 此外，在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原操縱原子子，可以在各種樣品表面上進(jìn)行直接刻寫、光刻以及誘導(dǎo)淀積和刻蝕等，因此它是納米科技重要的測(cè)量工具和加工工具。 34 用用STM移動(dòng)氙原子排出的移動(dòng)氙原子排出的“IBM”圖案圖案 用掃

16、描隧道顯微鏡拍攝到的電子圖像用掃描隧道顯微鏡拍攝到的電子圖像35 STM主體的主要部分是極細(xì)的探針針尖。工作時(shí)，探針針尖和被研究的樣品的表面是兩個(gè)電極，使樣品表面與探針針尖非常接近，并給兩個(gè)電極加上一定的電壓，就會(huì)形成隧道電流，二者的間距不同，隧道電流大小也二者的間距不同，隧道電流大小也不同不同。通過電子反饋電路控制隧道電流大小，探針針尖在計(jì)算機(jī)控制下對(duì)樣品表面掃描，同時(shí)記錄下掃描樣品表面的原子排列圖象。 4、原于力顯微鏡、原于力顯微鏡(AFM) 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy, AFM)，是由IBM公司的Binnig與史丹佛大學(xué)的Quate于1985年所發(fā)明的

17、，其目的是為了使非導(dǎo)體也可以采用掃描探針顯微鏡其目的是為了使非導(dǎo)體也可以采用掃描探針顯微鏡（SPM）進(jìn)行觀測(cè)）進(jìn)行觀測(cè)。 AFM是一種利用原子、分子間的相互作用力利用原子、分子間的相互作用力來觀察物體表面微觀形貌的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是一個(gè)表面仿型(profile)機(jī)器，能夠掃描表面的三維圖像。37 顯微鏡有一根納米級(jí)粗細(xì)的探針，被固定在可靈敏操控的微米級(jí)彈性懸臂上。當(dāng)探針很靠近樣品時(shí),其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會(huì)使懸臂彎曲，偏離原來的位置。根據(jù)掃描樣品時(shí)探針的偏離量或振動(dòng)頻率重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌或原子成分。 如圖所示采用的激光檢測(cè)探針懸臂彎曲量的方法。激光器發(fā)出的激光

18、束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，并從微懸臂背面反射到光斑位置檢測(cè)器。微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而通過檢測(cè)光斑位置的變化，就能獲得被測(cè)樣品表面形貌的信息。 AFM的工作原理的工作原理探針探針38原子力顯微鏡39本章復(fù)習(xí)題本章復(fù)習(xí)題(請(qǐng)做請(qǐng)做4、5、6、7、10、11、13序號(hào)題序號(hào)題)1 1、測(cè)定晶向有哪些方法？測(cè)定晶向偏離度有哪些方法？、測(cè)定晶向有哪些方法？測(cè)定晶向偏離度有哪些方法？2 2、畫圖說明光點(diǎn)定向檢測(cè)方法的原理。、畫圖說明光點(diǎn)定向檢測(cè)方法的原理。3 3、利用、利用X X射線衍射檢測(cè)晶向時(shí)，是基于什么原理？畫圖說明。射線衍射檢測(cè)晶向時(shí)，是基于什么原理？畫圖說明。4 4、什么是點(diǎn)缺陷？由哪些原因造成？、什么是點(diǎn)缺陷？由哪些原因造成？5 5、什么是位錯(cuò)？由哪些原因造成？、什么是位錯(cuò)？由哪些原因造成？6 6、什么是位錯(cuò)密度？如何統(tǒng)計(jì)硅圓片上的位錯(cuò)密度？、什么是位錯(cuò)密度？如何統(tǒng)計(jì)硅圓片上的位錯(cuò)密度？7 7、利用腐蝕金相法檢測(cè)位錯(cuò)的原理。、利用腐蝕金相法檢測(cè)位錯(cuò)的原理。8 8、畫圖并理解（、畫圖并