第四章 硅鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷

1、1第四章第四章 硅硅/鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷2雜質(zhì)的分類雜質(zhì)的分類族雜質(zhì)族雜質(zhì)一、雜質(zhì)能級淺能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)對材料電阻對材料電阻率影響大率影響大起復(fù)合中心起復(fù)合中心或陷阱作用或陷阱作用3二、雜質(zhì)對材料性能的影響二、雜質(zhì)對材料性能的影響n1.雜質(zhì)對材料導(dǎo)電類型的影響雜質(zhì)對材料導(dǎo)電類型的影響 摻雜一種雜質(zhì)摻雜一種雜質(zhì) 摻雜兩種雜質(zhì)摻雜兩種雜質(zhì)n2.雜質(zhì)對材料電阻率的影響雜質(zhì)對材料電阻率的影響n3.雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響 降低了載流子的壽命降低了載流子的壽命4三、硅鍺晶體的摻雜三、硅鍺晶體的摻雜n半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的電學(xué)參數(shù)通過摻

2、雜來控制電學(xué)參數(shù)通過摻雜來控制的，拉的，拉單晶的過程時就摻入雜質(zhì)。單晶的過程時就摻入雜質(zhì)。n雜質(zhì)摻入的方法雜質(zhì)摻入的方法 共熔法：共熔法：純材料與雜質(zhì)一起放入坩鍋熔化純材料與雜質(zhì)一起放入坩鍋熔化 投雜法：投雜法：向已熔化的材料中加入雜質(zhì)向已熔化的材料中加入雜質(zhì)不易揮發(fā)的材不易揮發(fā)的材料料易揮發(fā)的材料易揮發(fā)的材料5單晶生長時，單晶生長時，雜質(zhì)分布不均勻會造成雜質(zhì)分布不均勻會造成橫向和縱向電阻率不均勻橫向和縱向電阻率不均勻n1.直拉法單晶直拉法單晶縱向縱向電阻率均勻性的控制電阻率均勻性的控制電阻率均勻性電阻率均勻性是半導(dǎo)體材料質(zhì)量的一個指標(biāo)是半導(dǎo)體材料質(zhì)量的一個指標(biāo)變速拉晶法變速拉晶法：先用大拉速

3、，再用小拉速：先用大拉速，再用小拉速雙坩鍋法雙坩鍋法（連通坩鍋法，浮置坩鍋法）（連通坩鍋法，浮置坩鍋法）（P80）n一、直拉法生長單晶的電阻率的控制一、直拉法生長單晶的電阻率的控制6n2. 徑向徑向電阻率均勻性的控制電阻率均勻性的控制固液界面的平坦度固液界面的平坦度 為了獲得徑向電阻率均勻的單晶，必須調(diào)平固液界面。為了獲得徑向電阻率均勻的單晶，必須調(diào)平固液界面。采用的方法有采用的方法有:A：調(diào)整晶體生長熱系統(tǒng)，：調(diào)整晶體生長熱系統(tǒng)，使熱場的徑向溫度梯度變小使熱場的徑向溫度梯度變小B ：調(diào)節(jié)拉晶運行參數(shù)，例如調(diào)節(jié)拉晶運行參數(shù)，例如對凸向熔體的界面，增加對凸向熔體的界面，增加拉速；對凹向熔體的界面

4、，降低拉速拉速；對凹向熔體的界面，降低拉速C：調(diào)整晶體或者坩鍋的轉(zhuǎn)速：調(diào)整晶體或者坩鍋的轉(zhuǎn)速 增加晶體轉(zhuǎn)動速度，界面由凸變凹增加晶體轉(zhuǎn)動速度，界面由凸變凹 增加坩鍋轉(zhuǎn)動速度，界面由凹變凸增加坩鍋轉(zhuǎn)動速度，界面由凹變凸D：增大坩鍋內(nèi)徑與晶體直徑的比值：增大坩鍋內(nèi)徑與晶體直徑的比值，一般，一般 坩鍋內(nèi)徑：晶體直徑坩鍋內(nèi)徑：晶體直徑32.5：17n晶體生長的固液界面，由于受坩鍋中熔體等溫晶體生長的固液界面，由于受坩鍋中熔體等溫線的限制，常常是彎曲的。如果在晶體生長時線的限制，常常是彎曲的。如果在晶體生長時迅速提起晶體，在原子密排面的固液界面會出迅速提起晶體，在原子密排面的固液界面會出現(xiàn)一小片平整的平

5、面，稱之為現(xiàn)一小片平整的平面，稱之為小平面。小平面。小平面效應(yīng)小平面效應(yīng)n在小平面區(qū)雜質(zhì)濃度與非小平面區(qū)有很大差在小平面區(qū)雜質(zhì)濃度與非小平面區(qū)有很大差異，這種雜質(zhì)在小平面區(qū)域分布異常的現(xiàn)象異，這種雜質(zhì)在小平面區(qū)域分布異常的現(xiàn)象叫叫小平面效應(yīng)。小平面效應(yīng)。n由于小平面效應(yīng)，小平面區(qū)域的電阻率會降由于小平面效應(yīng)，小平面區(qū)域的電阻率會降低。低。為了消除小平面效應(yīng)帶來的徑向電阻率為了消除小平面效應(yīng)帶來的徑向電阻率不均勻性，不均勻性，需將固液界面調(diào)平。需將固液界面調(diào)平。8二、水平區(qū)熔拉晶時雜質(zhì)的控制二、水平區(qū)熔拉晶時雜質(zhì)的控制 （區(qū)域勻平法）（區(qū)域勻平法）n在用水平區(qū)熔法生長單晶時的摻雜，是在用水平區(qū)熔

6、法生長單晶時的摻雜，是把把雜質(zhì)放在籽晶與料錠之間，雜質(zhì)放在籽晶與料錠之間，隨著熔區(qū)隨著熔區(qū)的移動使雜質(zhì)分布在整個晶錠中。的移動使雜質(zhì)分布在整個晶錠中。n利用這種方法可以得到比較均勻的電阻利用這種方法可以得到比較均勻的電阻率分布，因此又稱為率分布，因此又稱為區(qū)域勻平法。區(qū)域勻平法。9根據(jù)根據(jù)導(dǎo)電類型和電阻率的要求導(dǎo)電類型和電阻率的要求選擇摻雜元素選擇摻雜元素n輕摻雜（輕摻雜（1010141410101616，在功率整流級單晶）、中，在功率整流級單晶）、中摻雜（摻雜（1010161610101919，晶體管級單晶）、重摻雜，晶體管級單晶）、重摻雜（大于（大于10101919外延襯底級單晶）外延襯底

7、級單晶）根據(jù)雜質(zhì)根據(jù)雜質(zhì)元素在硅、鍺中的溶解度元素在硅、鍺中的溶解度選擇選擇固溶度是指雜質(zhì)在一定溫度下能溶入固體硅中的最大濃度。固溶度是指雜質(zhì)在一定溫度下能溶入固體硅中的最大濃度。 三、五族元素在硅中的固溶度較大三、五族元素在硅中的固溶度較大。 雜質(zhì)原子半徑越大雜質(zhì)原子半徑越大，特征原子構(gòu)型與鍺、硅的越特征原子構(gòu)型與鍺、硅的越不同，不同，它們在鍺、硅中的固溶度越小它們在鍺、硅中的固溶度越小。根據(jù)根據(jù)分凝系數(shù)分凝系數(shù)選擇選擇n分凝系數(shù)遠離分凝系數(shù)遠離1 1的雜質(zhì)難于進行重摻雜的雜質(zhì)難于進行重摻雜摻雜元素的選擇標(biāo)準(zhǔn)摻雜元素的選擇標(biāo)準(zhǔn)10根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的擴散系數(shù)擴散系數(shù)選擇選擇n

8、在高溫工藝中，如擴散、外延，摻雜元素的擴散系數(shù)小在高溫工藝中，如擴散、外延，摻雜元素的擴散系數(shù)小些好些好n快擴散雜質(zhì)：快擴散雜質(zhì)：H H，LiLi, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, , Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, SiSin慢擴散雜質(zhì)：慢擴散雜質(zhì)：Al,P,B,CaAl,P,B,Ca, Ti, , Ti, SbSb，AsAs根據(jù)根據(jù)雜質(zhì)元素的蒸發(fā)常數(shù)雜質(zhì)元素的蒸發(fā)常數(shù)選擇選擇n快蒸發(fā)雜質(zhì)的摻雜不宜在真空而應(yīng)在保護性氣氛下進行快蒸發(fā)雜質(zhì)的摻雜不宜在真空而應(yīng)在保護性氣氛下進行盡量盡量選擇與鍺、硅原子半徑近似的雜質(zhì)選擇與鍺、硅原子半徑近似的雜質(zhì)元素作為

9、元素作為摻雜劑，以保證晶體生長的完整性摻雜劑，以保證晶體生長的完整性11 晶體中常見的缺陷種類晶體中常見的缺陷種類n點缺陷點缺陷n線缺陷線缺陷 位錯位錯n面缺陷面缺陷n體缺陷體缺陷n微缺陷微缺陷四、硅鍺單晶中的位錯四、硅鍺單晶中的位錯12點缺陷點缺陷n雜質(zhì)點缺陷雜質(zhì)點缺陷 來源：制備過程中或環(huán)境中雜質(zhì)沾污或摻雜，來源：制備過程中或環(huán)境中雜質(zhì)沾污或摻雜， 間隙間隙 替替位位n熱點缺陷熱點缺陷 弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷 來源：與溫度直接相關(guān)來源：與溫度直接相關(guān)13n1. 1. 刃型位錯刃型位錯( (棱位錯棱位錯) ) 特點特點: :位錯線垂直滑移方向位錯線垂直滑移方向n2.2

10、.螺位錯螺位錯: : 特點特點: :位錯線平行滑移方向位錯線平行滑移方向線缺陷：位錯的基本類型線缺陷：位錯的基本類型14位錯產(chǎn)生的原因位錯產(chǎn)生的原因n籽晶體內(nèi)原有位錯籽晶體內(nèi)原有位錯n籽晶表面損傷籽晶表面損傷n由于外界的振動、外加應(yīng)力、熱起伏等由于外界的振動、外加應(yīng)力、熱起伏等而使籽晶或單晶中位錯倍增。而使籽晶或單晶中位錯倍增。n固液交界面過冷固液交界面過冷15位錯對器件性能的影響位錯對器件性能的影響位錯對半導(dǎo)體材料的影響（位錯對半導(dǎo)體材料的影響（P93P93）（1 1）位錯對載流子濃度的影響：）位錯對載流子濃度的影響： 影響不大影響不大（2 2）位錯對遷移率和電導(dǎo)率的影響：）位錯對遷移率和電

11、導(dǎo)率的影響： 平行于位錯線的方向上電導(dǎo)增強，垂直于位錯線方向時則減弱平行于位錯線的方向上電導(dǎo)增強，垂直于位錯線方向時則減弱（3 3）位錯對載流子壽命）位錯對載流子壽命 的影響的影響. .（圖（圖4 41111） 設(shè)載流子的濃度為設(shè)載流子的濃度為N ND D，當(dāng)，當(dāng)N ND D低于低于10103 3cmcm2 2時，時， 隨隨N ND D 減少而降低減少而降低 當(dāng)當(dāng)N ND D在在 10103 310104 4 cmcm2 2 時，又最長的壽命值。當(dāng)時，又最長的壽命值。當(dāng)N ND D 大于大于10104 4 cmcm2 2 時，壽命隨著時，壽命隨著N ND D的增加而降低。的增加而降低。16位錯同雜質(zhì)沉淀相結(jié)合使位錯同雜質(zhì)沉淀相結(jié)合使P-N結(jié)反向性能劣化結(jié)反向性能劣化 純凈位錯并不對純凈位錯并不對P-N結(jié)造成可覺察的壞影響結(jié)造成可覺察的壞影響 但但位錯處易導(dǎo)致重金屬雜質(zhì)沾污位錯處易導(dǎo)致重金屬雜質(zhì)沾污位錯的存在易造成位錯的存在易造成P-N結(jié)貫通結(jié)貫通 雜質(zhì)在位錯線附近擴散快，因此在晶體管中，擴散發(fā)射區(qū)時，雜質(zhì)在位錯線附近擴散快，因此在晶體管中，擴散發(fā)射區(qū)時，局部穿透了基區(qū)，局部穿透了基