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(lèi)雜質(zhì)的分類(lèi) 族雜質(zhì) 族雜質(zhì) 一、雜質(zhì)能級(jí) 淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 對(duì)材料電阻對(duì)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(duì)材料性能的影響二、雜質(zhì)對(duì)材料性能的影響 n1.雜質(zhì)對(duì)材料導(dǎo)電類(lèi)型的影響雜質(zhì)對(duì)材料導(dǎo)電類(lèi)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(duì)材料電阻率的影響雜質(zhì)對(duì)材料電阻率的影響 n3.雜質(zhì)對(duì)非平衡載流子壽命的影響雜質(zhì)對(duì)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

2、的摻雜 n半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的電學(xué)參數(shù)通過(guò)摻雜來(lái)控制電學(xué)參數(shù)通過(guò)摻雜來(lái)控制的，拉的，拉 單晶的過(guò)程時(shí)就摻入雜質(zhì)。單晶的過(guò)程時(shí)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(zhǎng)時(shí)，單晶生長(zhǎng)時(shí)， 雜質(zhì)分布不均勻會(huì)造成雜質(zhì)分布不均勻會(huì)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(gè)指

3、標(biāo)是半導(dǎo)體材料質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo) 變速拉晶法變速拉晶法：先用大拉速，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(zhǎng)單晶的電阻率的控制一、直拉法生長(zhǎng)單晶的電阻率的控制 6 n2. 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(zhǎng)熱系統(tǒng)，：調(diào)整晶體生長(zhǎng)熱系統(tǒng)，使熱場(chǎng)的徑向溫度梯度變小使熱場(chǎng)的徑向溫度梯度變小 B ：調(diào)節(jié)拉晶運(yùn)行參數(shù)，例如調(diào)節(jié)拉晶運(yùn)

4、行參數(shù)，例如對(duì)凸向熔體的界面，增加對(duì)凸向熔體的界面，增加 拉速；對(duì)凹向熔體的界面，降低拉速拉速；對(duì)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(dòng)速度，界面由凸變凹增加晶體轉(zhuǎn)動(dòng)速度，界面由凸變凹 增加坩鍋轉(zhuǎn)動(dòng)速度，界面由凹變凸增加坩鍋轉(zhuǎn)動(dòng)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32.5：1 7 n晶體生長(zhǎng)的固液界面，由于受坩鍋中熔體等溫晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)線的限制，常常是彎曲的。如果在晶體生長(zhǎng)時(shí) 迅速

5、提起晶體，在原子密排面的固液界面會(huì)出迅速提起晶體，在原子密排面的固液界面會(huì)出 現(xiàn)一小片平整的平面，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(huì)降由于小平面效應(yīng)，小平面區(qū)域的電阻率會(huì)降 低。低。為了消除小平面效應(yīng)帶來(lái)的徑向電阻率為了消除小平面效應(yīng)帶來(lái)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(shí)雜質(zhì)

6、的控制二、水平區(qū)熔拉晶時(shí)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(zhǎng)單晶時(shí)的摻雜，是在用水平區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶時(shí)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(dòng)使雜質(zhì)分布在整個(gè)晶錠中。的移動(dòng)使雜質(zhì)分布在整個(gè)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(lèi)型和電阻率的要求導(dǎo)電類(lèi)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（101014 14 101016 16，在功率整流級(jí)單晶）、中 ，在功率整流級(jí)單晶）、中 摻雜（

7、摻雜（101016 16 101019 19，晶體管級(jí)單晶）、重?fù)诫s ，晶體管級(jí)單晶）、重?fù)诫s （大于（大于101019 19外延襯底級(jí)單晶） 外延襯底級(jí)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?cè)阪N、硅中的固溶度越小它們?cè)阪N、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(yuǎn)

8、離分凝系數(shù)遠(yuǎn)離1 1的雜質(zhì)難于進(jìn)行重?fù)诫s的雜質(zhì)難于進(jìn)行重?fù)诫s 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(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)選擇選擇 n在高溫工藝中，如擴(kuò)散、外延，摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)小在高溫工藝中，如擴(kuò)散、外延，摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)小 些好些好 n快擴(kuò)散雜質(zhì)：快擴(kuò)散雜質(zhì)：H H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, SiLi, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, Si n慢擴(kuò)散雜質(zhì)：慢擴(kuò)散雜質(zhì)：Al,P,B,Ca, Ti, SbAl,P,B,Ca, Ti, Sb，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

9、選擇 n快蒸發(fā)雜質(zhì)的摻雜不宜在真空而應(yīng)在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行快蒸發(fā)雜質(zhì)的摻雜不宜在真空而應(yīng)在保護(hù)性氣氛下進(jìn)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)元素作為元素作為 摻雜劑，以保證晶體生長(zhǎng)的完整性摻雜劑，以保證晶體生長(zhǎng)的完整性 11 晶體中常見(jiàn)的缺陷種類(lèi)晶體中常見(jiàn)的缺陷種類(lèi) n點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 n線缺陷線缺陷 位錯(cuò)位錯(cuò) 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(cuò)四、硅鍺單晶中的位錯(cuò) 12 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 n雜質(zhì)點(diǎn)缺陷雜質(zhì)點(diǎn)缺陷 來(lái)源：制備過(guò)程中或環(huán)境中雜質(zhì)沾污或摻雜，來(lái)源：制備過(guò)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(diǎn)缺陷熱點(diǎn)缺陷

10、弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷 來(lái)源：與溫度直接相關(guān)來(lái)源：與溫度直接相關(guān) 13 n1. 1. 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)( (棱位錯(cuò)棱位錯(cuò)) ) 特點(diǎn)特點(diǎn): :位錯(cuò)線垂直滑移方向位錯(cuò)線垂直滑移方向 n2.2.螺位錯(cuò)螺位錯(cuò): : 特點(diǎn)特點(diǎn): :位錯(cuò)線平行滑移方向位錯(cuò)線平行滑移方向 線缺陷：位錯(cuò)的基本類(lèi)型線缺陷：位錯(cuò)的基本類(lèi)型 14 位錯(cuò)產(chǎn)生的原因位錯(cuò)產(chǎn)生的原因 n籽晶體內(nèi)原有位錯(cuò)籽晶體內(nèi)原有位錯(cuò) n籽晶表面損傷籽晶表面損傷 n由于外界的振動(dòng)、外加應(yīng)力、熱起伏等由于外界的振動(dòng)、外加應(yīng)力、熱起伏等 而使籽晶或單晶中位錯(cuò)倍增。而使籽晶或單晶中位錯(cuò)倍增。 n固液交界面過(guò)冷固液交界面過(guò)冷 15 位錯(cuò)

11、對(duì)器件性能的影響位錯(cuò)對(duì)器件性能的影響 位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體材料的影響（位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體材料的影響（P93P93） （1 1）位錯(cuò)對(duì)載流子濃度的影響：）位錯(cuò)對(duì)載流子濃度的影響： 影響不大影響不大 （2 2）位錯(cuò)對(duì)遷移率和電導(dǎo)率的影響：）位錯(cuò)對(duì)遷移率和電導(dǎo)率的影響： 平行于位錯(cuò)線的方向上電導(dǎo)增強(qiáng)，垂直于位錯(cuò)線方向時(shí)則減弱平行于位錯(cuò)線的方向上電導(dǎo)增強(qiáng)，垂直于位錯(cuò)線方向時(shí)則減弱 （3 3）位錯(cuò)對(duì)載流子壽命）位錯(cuò)對(duì)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 3cmcm 2 2時(shí)， 時(shí)， 隨隨N ND D 減少而降低 減少

12、而降低 當(dāng)當(dāng)N ND D在在 10103 310104 4 cm cm 2 2 時(shí)，又最長(zhǎng)的壽命值。當(dāng) 時(shí)，又最長(zhǎng)的壽命值。當(dāng)N ND D 大于大于10104 4 cm cm 2 2 時(shí)，壽命隨著 時(shí)，壽命隨著 N ND D的增加而降低。的增加而降低。 16 位錯(cuò)同雜質(zhì)沉淀相結(jié)合使位錯(cuò)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(cuò)并不對(duì)純凈位錯(cuò)并不對(duì)P-N結(jié)造成可覺(jué)察的壞影響結(jié)造成可覺(jué)察的壞影響 但但位錯(cuò)處易導(dǎo)致重金屬雜質(zhì)沾污位錯(cuò)處易導(dǎo)致重金屬雜質(zhì)沾污 位錯(cuò)的存在易造成位錯(cuò)的存在易造成P-N結(jié)貫通結(jié)貫通 雜質(zhì)在位錯(cuò)線附近擴(kuò)散快，因此在晶體管中，擴(kuò)散發(fā)射區(qū)時(shí)，雜質(zhì)在位錯(cuò)線附近擴(kuò)散快，因此在晶體管中，擴(kuò)散發(fā)射區(qū)時(shí)， 局部穿透了基區(qū)，局部穿透了