半导体单晶硅的缺陷

半导体单晶硅的缺陷第1页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、点缺陷点缺陷的概念：由于晶体中空位、填隙原子及杂质原子的存在，引起晶格周期性的破坏，发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。按其对理想晶格的偏离的几何位置及成分来划分：空位、填隙原子、外来杂质原子和复合体（络合体）等。2.2.1微观缺陷第2页，共28页，2023年，2月20日，星期四图2-3-1空位缺陷1、空位：晶体中的原子由于热运动或辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中或晶体的表面，原来的位置又没被其他的原子占据而留下的空位。如图所示：第3页，共28页，2023年，2月20日，星期四空位存在的形式：1）晶体由在冷却到室温的过程中，空位来不及扩散直接被“冻结”在体内。2)与杂质原子形成络合体。3）双空位。4)凝聚成团而塌蹦形成位错圈。

晶体中的空位用电子显微镜直接观察。而许多空位聚集成团，当它蹋蹦时形成位错圈，可以用化学腐蚀法或透射电子显微镜观察。第4页，共28页，2023年，2月20日，星期四2、填隙原子：晶体中的原子由于热运动或辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙原子。如图所示：图2-3-2弗仑克尔缺陷填隙原子存在的方式：（1）与空位结合而消失。（2）聚集成团形成间隙性位错圈。（3）在生长界面附近凝聚形成微缺陷。第5页，共28页，2023年，2月20日，星期四3、杂质原子（外来原子）：由外来原子进入晶体而产生的缺陷。杂质原子又分为间隙式和置换式原子。如图所示：硅中的杂质氧、碳以及重金属都可能以两种方式存在，并与硅结合成键，如氧与硅形成Si-O-Si键。图2-3-3第6页，共28页，2023年，2月20日，星期四4、络合体杂质原子与空位相结合形成的复合体。如：空位-磷原子对（E中心）空位-氧原子对（A中心）这些络合体具有电活性，因此会影响半导体的载流子浓度。第7页，共28页，2023年，2月20日，星期四二、线缺陷：周期性的破坏局域在线附近,一般指位错。位错主要有刃位错、螺型位错以及位错环。如图所示为位错的示意图：第8页，共28页，2023年，2月20日，星期四1、刃位错：刃位错的构成象似一把刀劈柴似的，把半个原子面夹到完整晶体中，这半个面似刀刃，因而得名。如图所示。它的特点是：原子只在刃部的一排原子是错排的，位错线垂直于滑移方向。第9页，共28页，2023年，2月20日，星期四2、螺旋位错：当晶体中存在螺位错时，原来的一组晶面就象变成似单个晶面组成的螺旋阶梯。它的特点：位错线和位移方向平行，螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷

。第10页，共28页，2023年，2月20日，星期四3、混合位错：除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。如图所示:

第11页，共28页，2023年，2月20日，星期四位错环的特点：一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环（位错的一种增殖机制），如图所示。

第12页，共28页，2023年，2月20日，星期四硅单晶的准刃型位错：在金刚石结构中一种位错线与柏格斯矢量成60度角的位错，具有刃型位错的特点，因此成为准刃型位错。如图所示：第13页，共28页，2023年，2月20日，星期四5、位错中柏格斯矢量的判断：如图所示，利用右手螺旋定则沿基矢走，形成一个闭合回路，所有矢量的和即为柏格斯矢量。第14页，共28页，2023年，2月20日，星期四6、位错的滑滑移与攀移（1）位错的滑移：指位错线在滑移面沿滑移方向运动。其特点：位错线运动方向与柏格斯矢量平行。如图所示：第15页，共28页，2023年，2月20日，星期四硅单晶的滑移体系：{111}晶面和<110>晶向族滑移方向：取原子距离最小的晶列方向，对于硅而言，<110>晶向族的距离最小，因此为位错的滑移方向。共有12个方向，如图所示:第16页，共28页，2023年，2月20日，星期四滑移面：滑移面一般取面密度大，面间距大的晶面，硅晶体的滑移面为{111}晶面族，所示如图：第17页，共28页，2023年，2月20日，星期四（2）位错的攀移：位错线垂直于滑移向量的运动，他是由于在一定温度下，晶体中存在空位和填隙原子，在热运动的作用下，移动位错线，引起半平面的变大或变小。分为正攀移和负攀移。a)正攀移：由于吸收空位而使位错向上攀移,半原子平面缩短.第18页，共28页，2023年，2月20日，星期四b）负攀移:吸收填隙原子，位错向下攀移，半原子平面扩大。如图所示：第19页，共28页，2023年，2月20日，星期四7、位错的显示：如图所示，通过化学腐蚀法显示晶体的位错，不同的晶面上缺陷的腐蚀坑不同。如图所示：（111）晶面（110）晶面（100）晶面第20页，共28页，2023年，2月20日，星期四三、堆垛层错：晶体密堆积结构中正常的排列秩序发生了错误的排列。分本征层错和非本征层错,如图所示：(a)本征层错（b)非本征层错第21页，共28页，2023年，2月20日，星期四（111）面单晶硅中的层错第22页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、杂质沉淀硅的生产和加工过程中，很容易引入各种杂质，如直拉硅中氧、碳以及各种重金属杂质（Cu、Fe、Ni、Na等），他们在高温环境下在硅中的溶解度很高，但在低温及室温条件下，其溶解度大大下降，多余的杂质都以沉淀的形式析出。如：SiO2、Cu3Si、Fe3Si沉淀尺寸的大小可以用电子显微镜或电子探针进行观察和分析。如图所示为金属杂质沉淀呈枝蔓状析出。第23页，共28页，2023年，2月20日，星期四2.2.2宏观缺陷一、小角晶界1、晶界：多晶体中各晶粒的位向不同，晶粒之间的界面称为晶界。2、小角晶界：单晶中存在晶向角度差极小的两个区域，通常称为亚晶粒，因此他们之间的界面称为亚晶界，也成为小角晶界。如图所示：第24页，共28页，2023年，2月20日，星期四D-位错间距离

-

柏格斯矢量

θ-晶向角度差第25页，共28页，2023年，2月20日，星期四通常用化学腐蚀法显示小角晶界上的位错，其特点：顶与底相连排成列。如图所示为(111)晶面上的腐蚀坑系属结构：小角晶界局部密集排列第26页，共28页，2023年，2月20日，星期四二、位错排：由一系列位错构成，但排列上不同于小角晶界，其位错腐蚀坑的地面排列在一条直线上，如图所示如图（b）所示，位错滑移的过程中碰到障碍而停止