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1、2.2 半导体单晶硅的缺陷,半导体晶体缺陷的分类： 1、微观缺陷（点缺陷、位错、层错、微缺陷等） 2、宏观缺陷（双晶、星型结构、杂质析出、漩涡结构等） 3、晶格的点阵应变和表面机械损伤,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,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
2、空位。如图所示：,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。,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。,3、复合缺陷（络合体) 杂质原子与空位相结合形
3、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。,4、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 2-3-3,二、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、螺旋位错以及混合位错。如图所示为位错的示意图：,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
4、排原子是错排的，位错线垂直于滑移方向。,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 。,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3.4所示:,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
5、环（位错的一种增殖机制），如图所示。,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：,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。,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：,硅单晶的滑移体系：111晶面和晶向族 滑移方向：取原子距离最小的晶列方向，对于硅而言，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:,滑移面：滑移面一般取面密度大，面间距大的晶面
6、，硅晶体的滑移面为111晶面族，所示如图：,（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）负攀移:吸收填隙原子，位错向下攀移，半原子平面缩短。如图所示：,b)正攀移：由于吸收空位而使位错向上攀移,半原子平面缩短.,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,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
7、 （b)非本征层错,（111）面单晶硅中的层错,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。,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，
8、也成为小角晶界。如图所示：,D -位错间距离 - 柏格斯矢量-晶向角度差,通常用化学腐蚀法显示小角晶界上的位错，其特点是：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,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下来，附近的位错受到前一位错的应力场的作用停止下来，形成了位错由密到疏的排列。,(a),(b),星形结构的形成：当晶体中存在大量位错时，且分布在不同的111晶面上时，经过的腐蚀坑排列构成星形结构。如图所示：,三、杂质的析出与夹杂物 1、由于杂质的
9、分凝作用，单晶硅尾部的杂质浓度过大，常常在过冷时出现杂质析出。杂质析出严重时，通过化学腐蚀观察其腐蚀坑，形成六角网状。如图所示,(a),(b),2、夹杂物：单晶硅在重掺杂情况下，会出现一些夹杂物的存在，严重时会出现夹杂物的堆积，可以通过化学腐蚀法显示.,2.2.3 点阵应变与表面机械损伤,一、点阵应变：晶体中的应力和应变可以由加工损伤、过量空位、位错应力场、与基体原子半径不同的杂质原子的存在，以及表面的氧化膜所引起的。晶体切、磨时应力又可引起薄片的弯曲。 可以依据X射线衍射峰的位置、峰高度的变化以及半峰宽度来测定单晶中的应力和应变。 二、表面机械损伤：在器件制造过程中经过机械抛光后，表面人留下
10、一定的机械损伤和残余应力。不仅可以引入自由载流子，增加表面复合，还会再热处理过程中引起各种缺陷（如热氧化层错、滑移位错引起的位错圈等）,表面损伤的测量方法有多种： （1） 腐蚀速率法：利用有损伤处与无损伤处的腐蚀速度的差别测定损伤层的深度。 （2） 截面法：将表面磨成斜角，再抛光斜面后进行腐蚀，呈现表面的损伤。也可以x形貌观察截面以了解表面损伤情况。 （3）载流子效应法：利用表面损伤对载流子数量和少子寿命的影响估测损伤层深度。 （4）铜坠饰法：利用铜缀饰显示退火后的残余损伤。 （5）x射线双晶光谱仪法：利用X射线衍射强度峰的宽度与表面机械损伤的联系测定损伤层深度。 （6）电子顺磁共振法：利用电子顺磁共振线与表面损伤的关系研究表面损伤情况。,
