半导体缺陷测量

半导体缺陷测量一、概述在半导体晶体的生长过程和器件的制造过程中，会产生许多晶体缺陷。有些缺陷在适量的程度内是有益的。如必要的外来掺杂原子以及均匀而少量的位错等。然而，人多数，晶体缺陷是有害的。有些缺陷的存在，直接影响晶体的物理化学性质，从而使半导体器件的电学性能和光学性能发生显著的变化，影响器件的可靠性和成品率。因此研究晶体缺陷的产生、分布及数量，找出其形成、发展和制备工艺与器件参数的关系是极其有用的。所谓晶格缺陷是指在实际晶体中，由于各种原因，会使晶格的周期发生错乱。这些原因包扌舌范性形变引起的晶格变形和滑移、晶体生长时产生的原子排列错乱以及杂质等。这种晶格的不完整性就称为晶格缺陷。晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷最简单的点缺陷是空位。空位是晶格点阵上的原子失去后留下的，一般称为肖特基缺陷。另一种点缺陷是间隙原子，它是占据在晶体空隙处的额外原子。如果一个间隙原子和一个空位同时发生在临近的地方，则将这种间隙原子一空位统称为川伦克尔缺陷。空位和间隙原子一般称为单原子缺陷。单原子缺陷还可以产生更复杂的复合缺陷或集合团，或形成沉积团,被称为为缺陷。线缺陷位错属于线缺陷，是半导体中最主要的缺陷。位错是由于晶体中部分原子滑移生成晶格排列“错乱”形成的。它于晶体范性形变密切相关。位错分为螺位错、刃位错以及两者兼有的混合位错。位错的存在，增强对载流子的散射，从而影响载流子迁移率；位错在禁带中形成施主、受主能级，起复合中心作用，而影响载流子的寿命；位错还可以引起PN结结面不整，而影响晶体管击穿电压和放大倍数。面位错层错属于面缺陷，它是由于原子层次排布次序错误形成的，也称为堆垛层错。就是在正常的层次中缺少一层原子或插入一层原子。二、实验目的(1)了解金相显微镜构造极其操作(2)了解晶体缺陷，及位错的特点及测量⑶了解显微镜放大原理三、实验仪器大型金相显微镜XJG-05四、实验原理位错极其检测（1）位错的一般特点：位错是半导体中最主要的缺陷，它属于线缺陷，一般称为位错线。位错线有一定的长度,它的一端必须终止于晶体的表面或界面上，也可以头尾自己相接构成位错坏。晶体往往沿某些晶面发生滑移，通常把这些晶面称为滑移面。构成滑移面的条件是该面上原子的面密度大，面间距大，晶面间原子的相互约束力弱，这些平面也就容易相对滑移。如

金刚石型结构晶体的（111）面，其位错线一般都躺在（M2）面上。滑移时除了沿某一滑移面外，滑移方向也是一定的。滑移方向一般都是取原子距离最小的晶列方向，因为每移动一次必须移动一个院子距离或原子间距的整数倍。在原子距离小的晶列方向滑移，所需要的能量最小。所以这样的景彖晶向是最容易滑移的方向。（2） 硅中位错线的特点及观察：位错线一般开II在晶体表面上，在位错管道附近存在着应力场。原子排列受到破坏，内能较高，化学活性较强，往往比其他地方低，较易失去电子而导致优先腐蚀，且往往因有活性杂质聚集于管道周I制，更加强了位错区的优先腐蚀。适当选择腐蚀剂就会在晶体表面位错露头处显出化学腐蚀凹坑。硅（111）面是双层原子，相邻双层的面间距最小，共价键面密度最人，腐蚀速度最慢。故在位错露头处出现的蚀坑一般以（1口）面系为其侧面，｛111｝面系在硅中组成四面体，所以蚀坑应该是正四面体与所观察的晶面交线的图形。显然，（口2）面蚀坑为三角形，（100）面为正方形，（M0）面为菱形。如晶面偏离，则该面与正四面体的交线形状也会改变，蚀坑形状发生偏移。位错腐坑在腐蚀过程中沿着位错线长度方向发展，腐蚀坑始终是尖底形的。显微镜明场观察时，真实的位错腐蚀坑是照的，因为尖底蚀坑的微细台阶侧面不能将反射光反射回物镜中。在高温下，位错在滑移中遇到障碍受阻时，后面接连而来的滑移位错也依次停下来，排成一排，出现位错排，高密度的位错排构成系属结构，它沿（110）晶向，大量的系属结构组成三角形或六角结构。腐蚀液的配制要求蚀坑出现率高、特征性强、再现性好。硅的常用腐蚀液的配方有多重,我们采用的是1961提出的Sirtl腐蚀液，其配方是50克GrO3加100亳升出0组成标准液,使用时再以标准液：HF"：1的比例现配先用。为了控制腐蚀速率，可增减HF量（2:1到1:2之间）基本原理（1）透镜及其放大原理透镜分为凸透镜和凹透镜，如图二所示。0点称透镜的广信。凡过光心的光线不改变方向,过光心的任意直线叫透镜的光轴。过两个球心又过光心的直线叫主光轴。其他光轴叫副光轴。光轴附近的光线叫近轴光线。__ ■k ▼'«■4W三一' ■A ••>mi~.it、gg. m<rnjir.mm平行主轴的近轴光线经过凸透镜折射，会聚于焦点F处。位于焦点F处的点光源经凸透镜后变成平行光轴的光线。近轴平行光通过凹透镜折射并不使光线会聚，而成发散状。这些发散光线反方向的延长线交于焦点。若物体AB处于凸透镜的焦点之外，两倍焦点以内的位置，通过透镜折射，在两倍焦距以外,形成一个放大的倒立实像。如图三所示。若物体AB在凸透镜焦点以内，则成像的特点如图四所示。彖AjB]与物体AB在凸透镜的同一侧，是A1B1/AB=S/F（S为人眼的明视距离，一般取250mm：F为焦距）AaBi/AB透镜的放大倍数，用M表示，则M=S/F=250/F由上式可见，似乎减小F可随意增犬透镜的放大倍数。其实不然，由于单片透镜寻在像差,放人倍数不能无限增人。况且物体也不能离眼睛太近。因为超越人眼的调节能力将无法成像。透镜公式还可以写为：1/U+1/V=1/F（U为物体至透镜的距离：V为像至透镜的距离）物距和焦距恒为正值，而像距可正可负。正值为倒立实像。普通放人镜的放人倍数冇限，不能用来观察微小的物体，因此需要用显微镜。最简单的显微镜可看作是由两片凸透镜组成的光学系统。如图五所示。靠近物体有透镜L】叫物镜，靠近眼睛的透镜叫目镜。被观察的物体AB放在物镜的焦点之外，通过物镜后可获得一个倒立的实像A]B】,它恰好位于目镜的焦点之内，目镜将此像再次放人，在明视距离S处成虚像A2B2,A2B2为眼睛这一光学系统的目标，在视网膜上成的像便是物体通过显微镜获得的最终图像,相对于物体是倒立的。可求得物镜的放大倍数M伤为M沪A1B/AB=A/Fi目镜的放大倍数M冃为 Mb=A2B2/A1B1=250/F2显微镜观察时总的放大倍数M为M=Mt5j・M目=A/Fi・250/F23.XJG-O5型金相显微镜极其光学系统原理XJG-05型金相显微镜的光学系统采用优质创系光学玻璃设计的负目镜，平场人视场的物镜，及双目观察系统，能再明场、暗场及偏光卞进行观察、投影和摄像。图六是其光学系统的光路图：

五、实验步骤（1） 获取样品，并置之于腐蚀液中，15ndn以上。（2） 将样品正确的按装在载物台上。（3） 打开总电源及毎灯电源，触发毎灯使之处于照明状态。（4） 按需要的放大倍数选择物镜和目镜（5） 调节孔径光阑和视觉光阑，使之目镜中观察到视场大小合适，强度适中。（6） 调焦：先用粗动手轮调至物镜工作距离，出现模糊的图像，再用微动手轮进一步精确调焦，使图像清晰可辨。（7） 记录此时明视场直径人小及其中位错个数，并重复测量至5次。（8） 记录此时目镜、物镜的放大倍数。（9） 关闭电源，整理实验仪器。六、实验数据记录及处理六、实验数据记录及处理目镜放人倍数为M目二10物镜放人倍数为M物二40明视场直径D二5.lmm位错个数为Ni=llN2=12N$=7Ni=10Ns=12所以，显微镜总放大倍数为M二14目・M«=10*40=400则视场真正的半径为r=D/（2M）=5.4/（2*400）=6.75*10_，mm所以视场面积为S二=4*3.14*（6.75*10_，）2=5.723*10-4nun2又平均位错个数为N二（Ni+N2+Ns+N.1+N$）/5=（11+12+7+10+12）/5=10.4则位错密度。=N/S二10.4/（5.723*1（?）=1.82*10*个/nun'七、 实验总结通过本实验，我了解到了半导体晶体缺陷的相关知识，也学会了测量半导体晶体位错个数或者位错密度的方法以及原理