硅鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷解析課件

1、第4章 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷單晶的電學(xué)參數(shù)通常是采用摻雜的方法，即在單晶生長過程中加入一定量的雜質(zhì)，并控制它們在晶體中的分布來解決。 本章結(jié)合硅、鍺單晶生長的實(shí)際，介紹摻雜技術(shù)，然后介紹硅、鍺單晶中缺陷的問題。第4章 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷單晶的電學(xué)參數(shù)通常是采用摻理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格周期性排列，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運(yùn)動，形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。本征半導(dǎo)體晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。理想半導(dǎo)體：實(shí)際半導(dǎo)體：1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺

2、陷周圍引起局部性的量子態(tài)對應(yīng)的能級常常處在禁帶中，對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生了決定性的作用實(shí)際半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對一、雜質(zhì)存在的方式金剛石結(jié)構(gòu)Si中，一個(gè)晶胞內(nèi)的原子占晶體原胞的34%，空隙占66%。雜質(zhì)與本體元素不同的其他元素一、雜質(zhì)存在的方式金剛石結(jié)構(gòu)Si中，一個(gè)晶胞內(nèi)的原子占晶體原(2) 替位式雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1) 間隙式雜質(zhì)位于間隙位置。SiSi

3、SiSiSiSiSiPSiLi(2) 替位式雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近1. VA族的替位雜質(zhì)施主雜質(zhì)在硅Si中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個(gè)正電中心P和一個(gè)多余的價(jià)電子束縛態(tài)未電離離化態(tài)電離后二、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)1. VA族的替位雜質(zhì)施主雜質(zhì)在硅Si中摻入PSiSiS電離時(shí)，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì) 施主能級被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底Ec低，稱為施主能級，ED。由于施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，施主能級是具有相同能量的孤立能級ED施主濃度：ND電離時(shí)，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，施

4、主雜質(zhì)。施主電離能ED=弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中自由運(yùn)動的 電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的能量ECED ED =ECED施主電離能EV-束縛態(tài)離化態(tài)+施主電離能ED=弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子ECED ED 施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子N型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體晶體雜質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體在Si中摻入BB具有得到電子的性質(zhì)，這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。2. A族替位雜質(zhì)受主雜質(zhì)B獲得一個(gè)

5、電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。BBEA受主濃度：NA在Si中摻入BB具有得到電子的性質(zhì)，這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。2EcEvEA(2)受主電離能和受主能級受主電離能EA=空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電 空穴所需要的能量-束縛態(tài)離化態(tài)+EcEvEA(2)受主電離能和受主能級受主電離能EA=空穴受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)空穴由受主能級向價(jià)帶激發(fā)。含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。晶體雜質(zhì)BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占

6、據(jù)施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P 和As 受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B小結(jié)！施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)N型半導(dǎo)體特征：a 施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子b 電子濃度n 空穴濃度pP 型半導(dǎo)體特征：a 受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴b空穴濃度p 電子濃度n ECEDEVEA-+-+EgN型和P型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體a 施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)

7、施主提供的導(dǎo)電電子b P型半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為多子，空穴為少子。多子多數(shù)載流子少子少數(shù)載流子P型半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價(jià)帶的躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)激發(fā)3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征激發(fā)N型和P型半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)

8、體 雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У氖┲飨驅(qū)峁┑妮d流子=10161017/cm3 本征載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載流子濃度Si的原子濃度為10221023/cm3摻入P的濃度/Si原子的濃度=10-6例如：Si 在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，施主向?qū)峁┑妮d流子雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級雜質(zhì)雜質(zhì)的雙重作用： 改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型雜質(zhì)能級在禁帶中的位置上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級雜質(zhì)雜質(zhì)的雙重作用EcED電離施主電離受主Ev雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1

9、) NDNA半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用此時(shí)半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體 有效施主濃度n=ND-NAEAEcED電離施主電離受主Ev雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1) NDNAEcEDEAEv電離施主電離受主(2) NDNA此時(shí)半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體 有效受主濃度p=NA- NDEcEDEAEv電離施主電離受主(2) ND1016cm-3時(shí)，對室溫遷移率就有顯著的影響，這時(shí)需要用實(shí)驗(yàn)方法(Hall法)來測定材料的電阻率與載流子濃度。 在有雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)那闆r下，電阻率主要由有效雜質(zhì)濃度決定。在室溫下(300K)硅、鍺的電阻率值隨施主或受主濃度的變化關(guān)系。在室溫下(300K)硅、鍺的電阻率值隨施

10、主或受主濃度的變化關(guān)3雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷，特別是重金屬雜質(zhì)，具有多重能級且是深能級，對電子和空穴的復(fù)合起著“中間站”的作用，成為復(fù)合中心，大大縮短了非平衡載流子的壽命。3雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷，特4-2 硅、鍺晶體的摻雜影響單晶內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量及分布的主要因素是：原料中的雜質(zhì)種類和含量雜質(zhì)的分凝效應(yīng)雜質(zhì)的蒸發(fā)效應(yīng)生長過程中坩堝或系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)的沾污加入的雜質(zhì)量4-2 硅、鍺晶體的摻雜影響單晶內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量及分布的主要因素是4-2-1 直接硅單晶中雜質(zhì)的摻入一、摻雜量的計(jì)算1、只考慮雜質(zhì)分凝時(shí)的摻雜材料的電阻率與雜質(zhì)濃度CS有如下關(guān)系：1/CSe

11、（43）為電子（或空穴）遷移率正常凝固的雜質(zhì)分布為CS=KC0(1-g)K-1（44）將43代入44式可算出在拉單晶時(shí)，拉出的單晶的某一位置g處的電阻率與原來雜質(zhì)濃度的關(guān)系：4-2-1 直接硅單晶中雜質(zhì)的摻入如果要拉w克鍺，所需要加入的雜質(zhì)量m為：思考： 為什么會是 m=C0wA/dN0這一公式？ 而不是 m=wC0如果要拉w克鍺，所需要加入的雜質(zhì)量m為：思考： C0:雜質(zhì)濃度，每立方米晶體中所含的雜質(zhì)數(shù)目 單位： 個(gè)cm-3w :單晶質(zhì)量 單位：g A: 雜質(zhì)的摩爾質(zhì)量 單位： g mol-1 d: 單晶的密度， 單位：g cm-3N0: 阿佛加德羅常數(shù)， 單位 ： 個(gè) mol-1 C0:雜

12、質(zhì)濃度，每立方米晶體中所含的雜質(zhì)數(shù)目 單位：一般都不采用直接加入雜質(zhì)的辦法，而是把雜質(zhì)與鍺(硅)先做成合金，(稱之為母合金)，拉單晶時(shí)再摻入，這樣可以比較準(zhǔn)確的控制摻雜量。課本例2 有鍺W(g)，拉制g處電阻率為的單晶，應(yīng)加入雜質(zhì)濃度為Cm的母合金量為多少？（設(shè)原料鍺中雜質(zhì)量遠(yuǎn)小于合金中雜質(zhì)的量）解：因?yàn)殡s質(zhì)在母合金中的總數(shù)和在熔體中的總數(shù)相等。一般都不采用直接加入雜質(zhì)的辦法，而是把雜質(zhì)與鍺(硅)先做成合又因?yàn)椋?d(母合金密度)d(鍺密度)，M合金的質(zhì)量一般很小 W鍺+M合金W鍺又因?yàn)椋?d(母合金密度)d(鍺密度)，母合金可以是單晶(或多晶)，通常在單晶爐內(nèi)摻雜拉制，測量單晶電阻率后，將電

13、阻率曲線較平直部分依次切成0.350.40mm厚的片，再測其電阻率，清洗后編組包裝順次使用。母合金中雜質(zhì)的含量用母合金濃度(cm-3)來表示，其大小可通過試?yán)瓎尉ь^部電阻率求出。其公式為： 試?yán)瓎尉е貑尉ь^部雜質(zhì)濃度=摻雜母合金量母合金濃度K(雜質(zhì)的分凝系數(shù))單晶頭部濃度由N曲線查得。母合金可以是單晶(或多晶)，通常在單晶爐內(nèi)摻雜拉制，測量單晶2、考慮坩堝污染及蒸發(fā)的摻雜(1) 坩堝污染(2) 同時(shí)考慮坩堝污染和雜質(zhì)的蒸發(fā)2、考慮坩堝污染及蒸發(fā)的摻雜(2) 同時(shí)考慮坩堝污染和雜質(zhì)的二、實(shí)際生產(chǎn)中的近似估算在真空下拉制N型中、高阻硅單晶摻雜量的估算法。 空白試驗(yàn)，測，根據(jù)-N圖確定載流子濃度N=

14、CS1 對一批新的多晶原料和坩堝，不摻雜拉單晶，測量其導(dǎo)電類型和頭部電阻率，并由-N圖找出對應(yīng)的載流子濃度即單晶中的雜質(zhì)濃度Cs。此CS是多晶硅料、坩堝和系統(tǒng)等引入的沾污共同影響的數(shù)值。二、實(shí)際生產(chǎn)中的近似估算在真空下拉制N型中、高阻硅單晶摻雜量確定熔體中的來源于原料和坩堝的雜質(zhì)濃度CL1 求對應(yīng)于所要求的電阻率，理論上熔體中的雜質(zhì)濃度CL2 若所要求硅單晶是N型，電阻率范圍上下，取上相應(yīng)于單晶頭部電阻率，再由N圖找出相應(yīng)雜質(zhì)濃度CS2，求CS2對應(yīng)的熔體中雜質(zhì)濃度熔體單晶確定熔體中的來源于原料和坩堝的雜質(zhì)濃度CL1 求對應(yīng)于所求熔體中實(shí)際雜質(zhì)濃度CL 考慮原料與坩堝引入雜質(zhì)的影響(雜質(zhì)補(bǔ)償)

15、，在拉制電阻率上 下范圍單晶時(shí)，實(shí)際雜質(zhì)濃度應(yīng)為 CL=CL2-CL1 (試?yán)瓎尉橥? CL=CL2+CL1(試?yán)瓎尉椴煌?求熔體中實(shí)際雜質(zhì)濃度CL考慮雜質(zhì)的蒸發(fā)作用，最初加入雜質(zhì)后，熔硅內(nèi)雜質(zhì)濃度應(yīng)為 式中，E為蒸發(fā)常數(shù)(cms)，A為蒸發(fā)面積(cm2)，它是坩堝中熔硅表面面積，v為熔硅體積(cm3)，t為拉晶時(shí)間(s)?？紤]雜質(zhì)的蒸發(fā)作用，最初加入雜質(zhì)后，熔硅內(nèi)雜質(zhì)濃度應(yīng)為 確定需加入母合金質(zhì)量 如果蒸發(fā)效應(yīng)很小，則摻雜公式為 確定需加入母合金質(zhì)量如果蒸發(fā)效應(yīng)很小，則摻雜公式為三、雜質(zhì)摻入的方法在直拉法中摻入雜質(zhì)的方法有共熔法和投雜法兩種。對于不易揮發(fā)的雜質(zhì)如硼，可采用共熔法摻入，

16、即把摻入元素或母合金與原料一起放在坩堝中熔化。對于易揮發(fā)雜質(zhì)，如砷、銻等，則放在摻雜勺中，待材料熔化后，在拉晶前再投放到熔體中，并需充入氬氣抑制雜質(zhì)揮發(fā)。 三、雜質(zhì)摻入的方法在直拉法中摻入雜質(zhì)的方法有共熔法和投雜法兩4-2.2 單晶中雜質(zhì)均勻分布的控制電阻率均勻性是半導(dǎo)體材料質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)下面討論用直拉法生長晶體時(shí)，控制其電阻率均勻性的幾個(gè)方法 4-2.2 單晶中雜質(zhì)均勻分布的控制電阻率均勻性是半導(dǎo)體直拉法生長單晶的電阻率的控制 1直拉法單晶中縱向電阻率均勻性的控制 影響直拉單晶電阻率的因素有雜質(zhì)的分凝、蒸發(fā)、沾污等。對于K1的雜質(zhì)，分凝會使單晶尾部電阻率降低；而蒸發(fā)正好相反，蒸發(fā)會使單晶尾部

17、電阻率升高； 坩堝的污染(引入P型雜質(zhì))會使N型單晶尾部電阻率增高，使P型單晶尾部電阻率降低。如果綜合上述的影響因素，使縱向電阻率逐漸降低的效果與使電阻率逐漸升高的效果達(dá)到平衡，就會得到縱向電阻率比較均勻的晶體。對鍺單晶來說，雜質(zhì)分凝是主要的，而對于硅單晶而言，雜質(zhì)的分凝與蒸發(fā)對縱向電阻率的均勻性都有很大的影響。下面介紹控制單晶縱向電阻率均勻性方法。直拉法生長單晶的電阻率的控制 (1)變速拉晶法。此法基于Cs=KCL這一基本原理，因?yàn)樵诶r(shí)，若雜質(zhì)Kl，CL將不斷增大，要保持Cs不變，則必須使K值變小。 實(shí)際上，K應(yīng)為Keff，它隨拉速和轉(zhuǎn)速而變。當(dāng)拉速f小時(shí)，KeffK0， f 增大，Ke

18、ff也增加。 若在晶體生長初期用較大的拉速，隨后隨著晶體的長大而不斷減小拉速，保持CL與Keff乘積不變，這樣拉出來的單晶縱向電阻率就均勻了。 一般變拉速比較方便，但改變拉速f是有一定范圍的，f太大晶體易產(chǎn)生缺陷，f大小，生產(chǎn)時(shí)間過長。 (1)變速拉晶法。此法基于Cs=KCL這一基本原理，因?yàn)樵趯τ诠?，因有蒸發(fā)及其他因素影響可利用。例如由變拉速拉出的晶體尾部電阻率較低，可把晶體尾部直徑變細(xì)，降低拉速，增加雜質(zhì)蒸發(fā)使CL變小，而改善晶體電阻率的均勻性。 反之，如單晶尾部電阻率高，可增加拉速，降低真空度減少雜質(zhì)蒸發(fā)使電阻率均勻。對于硅，因有蒸發(fā)及其他因素影響可利用。 (2)雙坩堝法(連通坩堝法、浮

19、置坩堝法)。在拉制鍺單晶時(shí)對于K1的雜質(zhì)(但K1的雜質(zhì)不能用)，用連通坩堝法可控制單晶縱向電阻率的均勻性。 連通坩堝的結(jié)構(gòu)如圖42所示，它是在一個(gè)小坩堝外面再套上一個(gè)大坩堝，且內(nèi)坩堝下面有一個(gè)連通孔與外面大坩堝相連。所摻雜質(zhì)放在內(nèi)坩堝里，并從內(nèi)坩堝內(nèi)拉晶(浮置坩堝是在一個(gè)大坩堝內(nèi)放一個(gè)有孔的小坩堝)。 (2)雙坩堝法(連通坩堝法、浮置坩堝法)。在拉制鍺單晶時(shí)對 基本原理，由Cs=KCL可知，在拉晶時(shí)，若雜質(zhì)Kl，CL將不斷增大，要保持Cs不變，則必須使K值變小(變速拉晶法) 或CL變小。 使用雙坩堝，當(dāng)拉出部分單晶，內(nèi)坩堝的CL變大時(shí)，外坩堝中的鍺液進(jìn)入內(nèi)坩堝，又使CL變小。 當(dāng)鍺熔化后，內(nèi)外

20、坩堝中的熔體液面相同。拉晶時(shí)，內(nèi)坩堝內(nèi)熔體減少，液面降低，外坩堝中的純鍺液通過連通孔流入，保持內(nèi)坩堝中液體體積不變，而雜質(zhì)則不易通過連通小孔流到大坩堝中。但當(dāng)晶體生長得較長，內(nèi)坩堝中雜質(zhì)量變少時(shí)，晶體電阻率也會上升。 如果K較小時(shí)，生長的晶體所帶走的雜質(zhì)少，內(nèi)坩堝熔體中雜質(zhì)濃度變化是緩慢的，晶體縱向電阻率就比較均勻。 基本原理，由Cs=KCL可知，在拉晶時(shí)，若雜質(zhì) 另一方面，如拉制晶體的總質(zhì)量m相同，內(nèi)坩堝中熔體質(zhì)量mi愈大，拉晶時(shí)進(jìn)入內(nèi)坩堝稀釋熔體的純鍺液量越小，電阻率也就均勻。 用此法拉晶，一般不把內(nèi)坩堝中的熔體拉光而是只拉出一部分后再重新加料，熔融后再拉，這樣可以得到一批縱向電阻率均勻的

21、晶體。對于鍺來說，剩余的鍺在石墨坩堝內(nèi)凝固時(shí)不會使坩堝炸裂，故廣泛應(yīng)用此法。 而熔硅凝固時(shí)會使坩堝炸裂(熔硅會與坩堝反應(yīng))，這個(gè)方法一直未被使用。 另一方面，如拉制晶體的總質(zhì)量m相同，內(nèi)坩堝中熔體質(zhì) 2徑向電阻率均勻性的控制 影響單晶徑向電阻率均勻性的主要原因是晶體生長時(shí)固液界面的平坦度和小平面效應(yīng)。 (1)固液交界面平坦度的影響。在晶體生長時(shí)， 如果熔體攪拌均勻，則等電阻面就是固液交界面(熔體中的雜質(zhì)濃度與晶體中雜質(zhì)濃度不同，所以電阻率不同，只有在固液交界面電阻才會相等) 。 在雜質(zhì)K 10-2 cm-2時(shí)，壽命隨ND的增加而降低。 但是也有人認(rèn)為，位錯對于少子壽命沒有影響，對少子壽命有影響

22、的位錯是因 為有重金屬雜質(zhì)沉淀的緣故。顯然這是一個(gè)很復(fù)雜的問題。還需要進(jìn)一步深入研究。LaMrence總結(jié)了不同人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出： 4位錯對器件的影響 位錯對器件的影響主要有以下三方面： (1)金屬雜質(zhì)極容易在位錯上沉淀，破壞PN結(jié)的反向特性。實(shí)驗(yàn)表明在有金屬沉積位錯的局部PN結(jié)區(qū)域中，電離倍增因子M急劇增大，PN結(jié)的反向V-I特性曲線出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)，擊穿電壓大大降低，擊穿時(shí)發(fā)出輝光，稱為等離子擊穿。但是如位錯處無金屬雜質(zhì)沉淀，它即使穿過PN結(jié)也不一定破壞結(jié)特性。 (2)在應(yīng)力作用下，位錯處出現(xiàn)增強(qiáng)擴(kuò)散。LaMrence發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)散過程中靜止位錯(即在擴(kuò)散過程中位錯沒有移動)不引起增強(qiáng)擴(kuò)散。在外加

23、的機(jī)械應(yīng)力或點(diǎn)陣錯配和沉淀的點(diǎn)陣收縮等應(yīng)力作用下，位錯運(yùn)動出現(xiàn)大量過?？瘴?，給替代式雜質(zhì)原子的擴(kuò)散創(chuàng)造了方便的條件而引起增強(qiáng)擴(kuò)散。這種沿位錯的增強(qiáng)擴(kuò)散和沿位錯的金屬沉淀會引起PN結(jié)的V-I特性的“軟化”和晶體管發(fā)射極一集電極間的管道漏電或穿通，特別是對淺結(jié)器件的影響更為明顯。 4位錯對器件的影響 (3)位錯引起噪聲增加。有位錯的單晶器件的噪聲電壓明顯地高于無位錯單晶的器件。有人認(rèn)為這是由于棱位錯相當(dāng)于受主鍵，在位錯附近載流子的產(chǎn)生一復(fù)合引起電導(dǎo)率的局部漲落而引起的。 綜上所述可以看出：純凈的位錯對材料和器件的性能的影響是小的，而含有重金屬沉淀的位錯則對少子壽命，器件的擊穿性能，V-I特性等產(chǎn)生

24、不良影響，但又可以利用位錯吸收雜質(zhì)和位錯攀移運(yùn)動消除空位的特點(diǎn)，使單晶中的有害雜質(zhì)吸附在局部位錯區(qū)域，從而改善其他區(qū)域的器件特性。(3)位錯引起噪聲增加。有位錯的單晶器件的噪聲電壓明顯地高于432無位錯單晶 一、半導(dǎo)體單晶材料中位錯的來源 在半導(dǎo)體單晶制備和加工過程中引入位錯的原因有： (1)在單晶生長時(shí)籽晶(或襯底)中含有位錯，而且位錯露頭在生長面上，因位錯線不能在晶體內(nèi)部中斷，它們將隨著晶體的生長由籽晶延伸到新生長的晶體中，直到與晶體表面相交時(shí)為止，這叫位錯遺傳。在位錯遺傳時(shí)，只能增加位錯線的長度而不會增加位錯線的數(shù)目。 (2)由于應(yīng)力引入位錯。在晶體生長和加工過程中，機(jī)械損傷(如重劃痕，

25、邊緣裂縫，缺口等)、過大的溫度梯度、急冷急熱會引起較大的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)就會使晶體滑移變形引入位錯，并能繼續(xù)增殖，使位錯密度增大。因此，在由熔體拉晶時(shí)，籽晶不預(yù)熱就與熔體接觸，籽晶表面有損傷，籽晶與熔體接觸不良，拉晶時(shí)溫度劇烈變化，機(jī)械振動，晶體驟冷等都可以引入位錯。432無位錯單晶特別是在晶體生長時(shí)，晶體內(nèi)有一定溫度分布，晶體徑向溫度按拋物線規(guī)律變化，而縱向則按指數(shù)規(guī)律變化，這種溫度分布將使晶體各處熱膨脹程度不同，因?yàn)榫w表面溫度低，中間溫度高，使晶體中央受到壓縮應(yīng)力，表面受擴(kuò)張應(yīng)力。如果把晶體看成是由許多薄層組成，在晶體彎曲時(shí)，各層之間會發(fā)生滑移，產(chǎn)生位錯。特別是

26、在晶體生長時(shí)，晶體內(nèi)有一定溫度分布，晶體徑向溫度按拋物二、拉制無位錯單晶工藝 對于拉制無位錯單晶，目前已形成一套工藝，其要點(diǎn)是： 1正確地選擇籽晶晶向和制備籽晶 籽晶是晶體生長的基礎(chǔ)，它的結(jié)晶特性和完整性對所生長靜晶體有很大的影響。 一般說來，用來切制籽晶的單晶應(yīng)是沒有系屬結(jié)構(gòu)或星形結(jié)構(gòu)的晶體。因?yàn)樵诶r(shí)，籽晶與熔體相接觸，由于突然受熱沖擊會產(chǎn)生103l04 cm-2的位錯。接觸面積越大，籽晶溫度越低，新生的位錯也越多，因此使用無位錯籽晶是沒有多大意義的。籽晶中的位錯可以在后面的縮頸工藝中排除，但系屬結(jié)構(gòu)則不易排除，所以有系屬結(jié)構(gòu)的籽晶不能使用。 籽晶的晶向?qū)ξ诲e的排除有很大的影響。Ge、S

27、i屬于金剛石結(jié)構(gòu)，其滑移面為(111)，因而位錯多在(111)面上，為了使位錯容易排除體外必須使生長軸與111l面的最小夾角最大。二、拉制無位錯單晶工藝 2采用合適的拉晶工藝 拉制無位錯單晶，拉晶工藝是非常重要的。 其中主要是縮頸技術(shù)，調(diào)整熱場和生長參數(shù)使固液界面比較平坦或呈現(xiàn)“形。 縮頸是拉制無位錯單晶的關(guān)鍵步驟，它可以將籽晶延伸下來的和引晶時(shí)由熱應(yīng)力增加的位錯排除。一般來說位錯排除的機(jī)構(gòu)主要有兩種，一種是位錯線沿滑移面而延伸到細(xì)頸表面終止。另一種是位錯通過攀移運(yùn)動排除細(xì)頸外。此外，正負(fù)棱位錯，左右螺旋位錯在運(yùn)動中相遇也能抵消，但這種情況很少見。 在工藝上除根據(jù)細(xì)頸的直徑掌握細(xì)頸長度外，為了

28、防止由熱應(yīng)力產(chǎn)生和使位錯增殖，還應(yīng)做好籽晶預(yù)熱，高溫引晶并防止細(xì)頸直徑有顯著的變化。 2采用合適的拉晶工藝 當(dāng)晶體放肩時(shí)固液界面是凸向熔體的，加上降溫，將產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為了保持無位錯生長，過去曾提倡放小角的“柳肩”，但實(shí)驗(yàn)中亦發(fā)現(xiàn)，只要縮頸時(shí)完全排除了位錯，單晶爐的熱場合適，放平肩仍能保持無位錯生長，這樣一來縮短了拉晶時(shí)間并提高了單晶頭部的利用率，因此現(xiàn)在都采用大角度放平肩的拉晶工藝。 在等徑生長階段要防止機(jī)械震動，防止溫度和拉速過大的波動造成應(yīng)力。也應(yīng)防止掉渣而引起晶變，收尾時(shí)要緩慢升溫同時(shí)放慢拉速，使晶體逐漸變細(xì)，不能將晶體突然吊起以避免產(chǎn)生較大的熱沖擊。只要嚴(yán)格地掌握工藝條件拉無位錯單

29、晶一般來說是不困難的。 當(dāng)晶體放肩時(shí)固液界面是凸向熔體的，加上降溫，將產(chǎn)生較4-3-3硅單晶的熱處理 為了進(jìn)一步改善單晶的性能，目前國內(nèi)外對硅單晶在出廠前都增加了一道熱處理工序，初步的研究結(jié)果表明，熱處理有下列好處： (1) 通過1000以上的熱處理，在真空或惰性氣體保護(hù)下；可以把硅單晶中氧電活性施主濃度降低到1014cm-3以下，這樣在制造器件熱處理時(shí)材料的電阻率穩(wěn)定，提高了器件的成品率。 (2)改善了氧分布不均勻造成的電阻率的不均勻性，并且消除雜質(zhì)的條紋狀分布，改善了微區(qū)電阻率的不均勻性。 (3)870 以下熱處理可以消除晶體中的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)械損傷，在這個(gè)溫度下晶體一般不會產(chǎn)生新的位錯，高于

30、此溫度則隨著溫度的升高缺陷增加。 4-3-3硅單晶的熱處理(4)在1000 以上熱處理時(shí)，由于加速了雜質(zhì)擴(kuò)散，在原晶體的位錯處會形成雜質(zhì)氣團(tuán)。這種氣團(tuán)能減小位錯周圍的應(yīng)力場，避免和減少雜質(zhì)在位錯處沉淀，固定位錯，使在器件制做的熱循環(huán)過程中位錯穩(wěn)定不易增殖。 (5)對于低氧高純單晶在1300 1350 熱處理會使旋渦缺陷消除，從而改善了單晶質(zhì)量，在后續(xù)制管時(shí)層錯少，成品率高，擊穿特性好。但對高氧單晶則無此效果，而且旋渦缺陷反而增加。 以上只是一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，對于它們的機(jī)理，目前正在深入研究中。(4)在1000 以上熱處理時(shí)，由于加速了雜質(zhì)擴(kuò)散，在原晶44硅單晶中的微缺陷 硅單晶中的微缺陷，通

31、常指無位錯單晶在生長方向的橫斷面經(jīng)西特爾(Sirtl)腐蝕液(CrO3:H2O:HF=1000g:2000ml:2000ml)腐蝕后，所觀察到的呈漩渦狀分布的宏觀缺陷花紋，故俗稱漩渦缺陷。微觀上這些漩渦花紋是由淺底腐蝕坑所組成。 漩渦缺陷只是硅單晶中微缺陷的一種，同時(shí)呈現(xiàn)漩渦分布的缺陷花紋也不都是微缺陷。因?yàn)樽鳛槲⑷毕莸奶乩瑢︿鰷u缺陷的研究比較深入，漩渦缺陷最初是在區(qū)熔硅單晶中觀察到的。44硅單晶中的微缺陷4-4-2微缺陷對器件性能的影響及其形成原因 微缺陷的存在使材料的載流子壽命下降，從而導(dǎo)致器件hFE減小，在器件制做過程中漩渦缺陷有可能轉(zhuǎn)化成位錯、層錯及形成局部沉淀，進(jìn)而造成微等離子擊穿

32、或使PN結(jié)反向電流增大。 微缺陷不僅使大功率高反壓器件的性能劣化，而且使CCD產(chǎn)生暗電流尖峰，同時(shí)也嚴(yán)重地影響集成電路的成品率。 為了消除微缺陷，獲得高質(zhì)量的硅單晶，人們對微缺陷形成原因做了大量的研究工作，并提出了多種機(jī)制。HFE共發(fā)射極直流放大系數(shù)：當(dāng)集電極電壓與電流為規(guī)定值時(shí)，Ic與Ib之比。 Charge Coupled Device電荷藕合器件 ，它是一種特殊半導(dǎo)體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個(gè)感光元件叫一個(gè)像素。在攝像機(jī)里是一個(gè)極其重要的部件，它起到 將光線轉(zhuǎn)換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機(jī)的性能。 4-4-2微缺陷對器件性能的影響及其形成原

33、因HFE共發(fā)射極直1非平衡自間隙原子模型 皮特洛夫(Petroff)和迪考克用透射電子顯微鏡觀察到，A型漩渦缺陷是平均尺寸為1m的單個(gè)位錯環(huán)，或者是位錯環(huán)組成的團(tuán)，并認(rèn)為多數(shù)位錯環(huán)是插入型的非本征環(huán)，少數(shù)環(huán)是抽出型的。盡管采用了非常精確的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，但迄今一直未能分辨出B型缺陷的實(shí)質(zhì)。多數(shù)研究者認(rèn)為它不大可能是位錯環(huán)，而是一種尺寸更小、晶格畸變強(qiáng)度更弱的缺陷。微缺陷形成原因1非平衡自間隙原子模型微缺陷形成原因2平衡自間隙原子模型 弗爾等人利用高壓透射電子顯微鏡也證明了A型缺陷是位錯環(huán)，其特征與迪考克等人所觀察到的沒有本質(zhì)上的差別。但弗爾等人認(rèn)為所觀察到的位錯環(huán)都是非本征型的插入環(huán)。 弗爾等從硅晶

34、體中的自擴(kuò)散，淬火及輻照損傷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和點(diǎn)缺陷的形成能的計(jì)算中得出，在高溫下晶體中的平衡點(diǎn)缺陷主要是硅的自間隙原子而不是空位。因?yàn)樵谌埸c(diǎn)附近盼高溫下，硅自間隙原子的形成熵和遷移熵都相當(dāng)高，使這些自間隙原子呈現(xiàn)擴(kuò)展組態(tài)，即點(diǎn)缺陷已不是一個(gè)原子尺度，而是擴(kuò)展成包括幾個(gè)原子間距的微小區(qū)域；這些呈現(xiàn)擴(kuò)展組態(tài)的自間隙原子和碳等雜質(zhì)原子聚集形成B型缺陷。當(dāng)這種聚集棒達(dá)到足夠大時(shí)，便崩塌轉(zhuǎn)變成A型缺陷。 除上述模型外，也有人提出過液滴模型、Si4C4絡(luò)合體及純空位模型等，但到目前為止尚未建立統(tǒng)一的理論來解釋硅單晶中微缺陷形成的機(jī)制。2平衡自間隙原子模型 4-4-3減少微缺陷的方法 (1)在拉制硅單晶過程中，

35、采取適當(dāng)措施可以避免微缺陷的產(chǎn)生： 降低單晶中的碳含量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅中碳含量在1014cm-3以下時(shí)漩渦缺陷密度明顯減少，甚至消失。 區(qū)熔法提高拉晶速度，對于區(qū)熔法生長單晶，使其生長速度5mmmin，以增大晶體冷卻速度，將點(diǎn)缺陷凍結(jié)，使其達(dá)不到崩塌的尺寸而消除漩渦缺陷。 直接法降低拉晶速度，使拉速0.2mmmin，而冷卻速度5min，則A、B團(tuán)均不出現(xiàn)，如拉速為0.6mmmin，并用后熱裝置控制晶體冷卻速度，可使點(diǎn)缺陷擴(kuò)散到晶體表面而消失，從而抑制漩渦缺陷的產(chǎn)生。 在保護(hù)氣氬氣中加入10的氫氣，使氫進(jìn)入硅晶體增加空位濃度，增加與自間隙原子的復(fù)合率，可減少甚至消除漩渦缺陷。 4-4-3減少微缺陷的方法(2)對已有微缺陷的單晶進(jìn)行處理，消除微缺陷的方法： 采取合適的退火工藝。在高于1200 下退火可減少微缺陷。 利用吸除技術(shù)減少微缺陷。 總之，目前對微缺陷的研究工作已取得很大進(jìn)展，但離問題的根本解決還有一定的距離，還需要進(jìn)一步加以研究。(2)對已有微缺陷的單晶進(jìn)行處理，消除微缺陷的方法：1.什么叫淺能級雜質(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？2.什么叫施主