半導體單晶硅的缺陷

半導體單晶硅的缺陷第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五一、點缺陷點缺陷的概念：由于晶體中空位、填隙原子及雜質(zhì)原子的存在，引起晶格周期性的破壞，發(fā)生在一個或幾個晶格常數(shù)的限度范圍內(nèi)，這類缺陷統(tǒng)稱為點缺陷。按其對理想晶格的偏離的幾何位置及成分來劃分：空位、填隙原子、外來雜質(zhì)原子和復合體（絡合體）等。2.2.1微觀缺陷第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五圖2-3-1空位缺陷1、空位：晶體中的原子由于熱運動或輻射離開平衡位置跑到晶格的空隙中或晶體的表面，原來的位置又沒被其他的原子占據(jù)而留下的空位。如圖所示：第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五空位存在的形式：1）晶體由在冷卻到室溫的過程中，空位來不及擴散直接被“凍結(jié)”在體內(nèi)。2)與雜質(zhì)原子形成絡合體。3）雙空位。4)凝聚成團而塌蹦形成位錯圈。

晶體中的空位用電子顯微鏡直接觀察。而許多空位聚集成團，當它蹋蹦時形成位錯圈，可以用化學腐蝕法或透射電子顯微鏡觀察。第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2、填隙原子：晶體中的原子由于熱運動或輻射離開平衡位置跑到晶格的空隙中，這樣的原子稱為填隙原子。如圖所示：圖2-3-2弗侖克爾缺陷填隙原子存在的方式：（1）與空位結(jié)合而消失。（2）聚集成團形成間隙性位錯圈。（3）在生長界面附近凝聚形成微缺陷。第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3、雜質(zhì)原子（外來原子）：由外來原子進入晶體而產(chǎn)生的缺陷。雜質(zhì)原子又分為間隙式和置換式原子。如圖所示：硅中的雜質(zhì)氧、碳以及重金屬都可能以兩種方式存在，并與硅結(jié)合成鍵，如氧與硅形成Si-O-Si鍵。圖2-3-3第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五4、絡合體雜質(zhì)原子與空位相結(jié)合形成的復合體。如：空位-磷原子對（E中心）空位-氧原子對（A中心）這些絡合體具有電活性，因此會影響半導體的載流子濃度。第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五二、線缺陷：周期性的破壞局域在線附近,一般指位錯。位錯主要有刃位錯、螺型位錯以及位錯環(huán)。如圖所示為位錯的示意圖：第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五1、刃位錯：刃位錯的構(gòu)成象似一把刀劈柴似的，把半個原子面夾到完整晶體中，這半個面似刀刃，因而得名。如圖所示。它的特點是：原子只在刃部的一排原子是錯排的，位錯線垂直于滑移方向。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2、螺旋位錯：當晶體中存在螺位錯時，原來的一組晶面就象變成似單個晶面組成的螺旋階梯。它的特點：位錯線和位移方向平行，螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個原子寬度的線缺陷

。第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3、混合位錯：除了上面介紹的兩種基本型位錯外，還有一種形式更為普遍的位錯，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。如圖所示:

第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五位錯環(huán)的特點：一根位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯稱為位錯環(huán)（位錯的一種增殖機制），如圖所示。

第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五硅單晶的準刃型位錯：在金剛石結(jié)構(gòu)中一種位錯線與柏格斯矢量成60度角的位錯，具有刃型位錯的特點，因此成為準刃型位錯。如圖所示：第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五5、位錯中柏格斯矢量的判斷：如圖所示，利用右手螺旋定則沿基矢走，形成一個閉合回路，所有矢量的和即為柏格斯矢量。第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五6、位錯的滑滑移與攀移（1）位錯的滑移：指位錯線在滑移面沿滑移方向運動。其特點：位錯線運動方向與柏格斯矢量平行。如圖所示：第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五硅單晶的滑移體系：{111}晶面和<110>晶向族滑移方向：取原子距離最小的晶列方向，對于硅而言，<110>晶向族的距離最小，因此為位錯的滑移方向。共有12個方向，如圖所示:第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五滑移面：滑移面一般取面密度大，面間距大的晶面，硅晶體的滑移面為{111}晶面族，所示如圖：第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五（2）位錯的攀移：位錯線垂直于滑移向量的運動，他是由于在一定溫度下，晶體中存在空位和填隙原子，在熱運動的作用下，移動位錯線，引起半平面的變大或變小。分為正攀移和負攀移。a)正攀移：由于吸收空位而使位錯向上攀移,半原子平面縮短.第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五b）負攀移:吸收填隙原子，位錯向下攀移，半原子平面擴大。如圖所示：第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五7、位錯的顯示：如圖所示，通過化學腐蝕法顯示晶體的位錯，不同的晶面上缺陷的腐蝕坑不同。如圖所示：（111）晶面（110）晶面（100）晶面第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五三、堆垛層錯：晶體密堆積結(jié)構(gòu)中正常的排列秩序發(fā)生了錯誤的排列。分本征層錯和非本征層錯,如圖所示：(a)本征層錯（b)非本征層錯第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五（111）面單晶硅中的層錯第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五四、雜質(zhì)沉淀硅的生產(chǎn)和加工過程中，很容易引入各種雜質(zhì)，如直拉硅中氧、碳以及各種重金屬雜質(zhì)（Cu、Fe、Ni、Na等），他們在高溫環(huán)境下在硅中的溶解度很高，但在低溫及室溫條件下，其溶解度大大下降，多余的雜質(zhì)都以沉淀的形式析出。如：SiO2、Cu3Si、Fe3Si沉淀尺寸的大小可以用電子顯微鏡或電子探針進行觀察和分析。如圖所示為金屬雜質(zhì)沉淀呈枝蔓狀析出。第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2.2.2宏觀缺陷一、小角晶界1、晶界：多晶體中各晶粒的位向不同，晶粒之間的界面稱為晶界。2、小角晶界：單晶中存在晶向角度差極小的兩個區(qū)域，通常稱為亞晶粒，因此他們之間的界面稱為亞晶界，也成為小角晶界。如圖所示：第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五D-位錯間距離

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柏格斯矢量

θ-晶向角度差第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五通常用化學腐蝕法顯示小角晶界上的位錯，其特點：頂與底相連排成列。如圖所示為(111)晶面上的腐蝕坑系屬結(jié)構(gòu)：小角晶界局部密集排列第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五二、位錯排：由一系列位錯構(gòu)成，但排列上不同于小角晶界，其位錯腐蝕坑的地面排列在一條直線上，如圖所示如圖（b）所示，位錯滑移的過程中碰到障礙而停止