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文檔簡介

1、精品文檔實驗 12 半導體材料層錯、位錯的顯示及照相通常制造電子器件要求所采用的半導體材料是單晶體,這就要求材料的原子排列應嚴 格的按照一定規律排列。 但由于種種原因, 實際的單晶中存在有某些缺陷, 位錯就是其中的 一種。 在硅單晶中, 由于種種原因, 特別是在高溫下材料內應力使原子面間產生滑移, 晶面 局部產生范性形變,這種形變即形成位錯,使得完整的晶體結構受到破壞。在半導體器件工藝制造中,外延是一項重要的工藝。外延就是在單晶襯底上再長一層 具有一定導電類型、 電阻率,厚度的完整晶格結構的單晶層。 在外延生長過程中, 原子的排 列仍然要按一定的順序,但是由于種種原因,如樣品表面機械損傷,表面

2、沾污氣體不純等, 使得外延層原子的排列發生了錯排, 這種原子層排列發生錯亂的地方叫層錯, 它是一種面缺 陷。一、實驗目的1. 掌握半導體材料硅單晶片的位錯的顯示方法。2. 掌握金相顯微鏡的使用方法并了解顯微照像的一般過程并對結果進行分析。*3. 掌握半導體材料硅單晶片外延層的層錯的顯示方法。*4. 學會計算位錯、層錯密度以及觀測外延層厚度的方法。二、預習要求1. 閱讀實驗講義,理解實驗原理。2. 熟悉有關儀器的使用方法及注意事項。三、實驗儀器數碼攝影金相顯微鏡、計算機、打印機、具有位錯、層錯的樣品、* 外延硅片等。四、基礎知識位錯:位錯主要有刃位錯和螺位錯兩種。所謂刃位錯(也稱棱位錯),如圖1

3、所示,除了在丄”處有一條垂直于紙面的直線 AD外,原子排列基本上是規則的,原子的位置排列錯亂只發生 在直線AD附近,我們就說在“丄”處有一條垂直于紙面的刃位錯。因為在圖(1)中由ABCD所圍成的原子平面象一把刀砍入完整晶格,而原子位置的錯亂就發生在這把刀的刃AD附近,故取名刃位錯。圖2的晶格包含了螺位錯。可以看出,除了在A點垂直于晶體表面的直線 AD附近的區外,原子的排列是規則的,因而在AD處有一條螺位錯。為什么稱為螺位錯呢?如果在晶體表面任取一點B,使它繞直線 AD沿原子面順時針轉動,并保持B點與AD直線的距離不圖1刃位錯圖2螺位錯變,每旋轉一周,B點將下降一個原子點,B點的軌跡是一條螺旋線

4、,所以稱為螺位錯。一般情況下,晶體中的位錯是刃位錯和螺位錯這兩種簡單位錯的復雜組合。這種缺陷 不是一個點,而是呈線狀。這種線缺陷不可能在晶體內中止,它只能延伸到晶體表面, 或在晶體內形成閉合環,或與其它位錯相交。半導體材料中位錯的存在對晶體管集成電路器件的電學和力學性質都有影響。半導體材料硅是共價鍵結構,每個原子分別與周圍的四個原子共用一對價電子,但是在存在位錯的情況下,例如對于刃位錯上方的那一系列原子來說,只有三個原子與之形成共價鍵,因而這些原子的最外層都只有七個電子。從而可以接受一個電子形成滿殼結構,所以位錯線相當于一系列受主中心,這些與位錯相應的受主能級起著復合中心的作用,因此對載流子壽

5、命有影響。 位錯對載流子有散射作用,在低溫下,它對載流子的散射作用變得很重要,使電子的遷移減小。在器件制造工藝中,采用高溫下將雜質向晶體擴散的方法形成具有不同導電類型結構的 P-N結。實踐證明,雜質沿著位錯線的擴散比在完整晶格中要快,從而使P-N結面變得不平整,影響器件的電學性能。在制造器件過程中, 常需要對材料進行化學腐蝕處理以得到清潔、平整的表面。但是有位錯的地方容易化學腐蝕,其速度比完整晶格處要快的多,使腐蝕后的表面不平整。 這是因為有位錯的地方原子的排列失去規則性,結構比較松散,在這里的原子具有較高的能量并受有較大的張力,因此在位錯線和樣品表面的相交處很容易被腐蝕形成凹下的坑。即所謂腐

6、蝕坑。當然,我們顯示位錯也正是利用這個特性,通過適當的化學腐蝕發現并觀察位錯。一般器件制造要求單晶材料的位錯密度要小于每平方米102個,對于集成電路,特別是大規模集成電路則要求更少。位錯的顯示方法有 X射線法,電子顯微鏡法和銅綴飾紅外透射法等, 最簡單常用的是腐 蝕金相法,本實驗就采用腐蝕金相法。這種方法的優點是設備簡單,其缺點是只觀測到與被 測點相交的位錯線。*堆耳層錯:我們知道,硅的晶體結構是金剛石結構,如圖3所示,在(111)方向上它的排列次序是:AA BB CC即三個雙層密排面一個重復周期。 假設外延襯底表面層的原子是按 A原子層排列, 那么按正常次序外延生長的第一層原子應為A原子層。

7、但由于表面沾污、傷痕或晶格缺陷,原子在該處沉積等原因,使得表面以某一區域出現反常,不是按A原子面排列,而是按 B原子面排列。以此類推,形成了ABBCCAA的排列,與區域外按正常原子層排列的原子層比較,缺少了一層A原子,這就形成了層錯排列,或是在正常排列過程中插入一層原子如 AAA BB CC AA都可形成層錯排列,如圖 4所示。在(111)面的C生長過程中,原子AA圖4原子層排列錯亂示意圖BB AA CCB BAA精品文檔最鄰近的三個原子組成正四面體,于是層錯區域就以正四面體的形式逐漸向外展開如圖5。因而層區在表面的邊界一般呈正三角形,而且該界面屬于(111)晶面。因而沿(111)方向,在外延

8、層中形成以襯底表面上一點為頂點的由(111)晶面族圍成的層錯區,它是一個倒立的正四面體,如圖6所示。圖5 (111)面上硅原子按正四面體排列式生長圖6外延層中層錯區示圖將層錯正四面體的內部分開來看,原子的排列都是有規律的,但彼此不一致,在過渡的地方原子的排列是錯亂的,三組傾斜的(111)面是過渡界面,那里的原子排列是不正常的,外延層表面正三角形的三條邊上,原子的排列當然是混亂的。 用化學腐蝕液腐蝕外延層表面,(111)面就可以出現正三角形的層錯,由于大多數層錯起源于襯底表面,因而它的大小與外 延層厚度直接有關,起源于(111)襯底外延層層錯面體的高就是外延層的厚度,因此在顯示出層錯圖形后,測量

9、其中最大的三角形邊長L,就可以求出外延層的厚度:應當指出:外延過程中也可能出現層錯,所以在測量中應測量大的三角形邊長才能得 出正確結果。層錯對器件制造工藝的影響和位錯相似,可以造成三極管發射區-收集區穿通,也可以不同程度的影響 P-N結的反相特性,所以一般要求外延層中的層錯密度小于102/cm2,大規 模集成電路則要求更小。五、實驗原理1. 數碼攝影金相顯微鏡及圖像采集數碼攝影金相顯微鏡的實驗原理、使用方法及圖像采集的原理方法參見“實驗10”中的相關內容。2. 樣品缺陷的顯示如前所述,在硅單晶中,有位錯的地方其原子的排列失去規則性,結構比較松散,在這里的原子具有較高的能量,并受到較大的張力。因

10、此,在位錯線和表面相交處很容易被腐蝕形成凹下的坑,即所謂腐蝕坑,我們正是利用這個特性來顯示位錯和層錯的。位錯腐蝕坑的形狀與腐蝕表面的晶格有關。硅單晶(111)晶面上出現正三角形腐蝕坑、(100)晶面上是正方形,(110)晶面上是矩形。樣品表面偏離 (111)、(100)、(110)晶面腐蝕 坑形狀也將改變,如果偏離角度小于10,腐蝕的形狀將基本上符合上述情況。所以根據腐蝕坑的形狀也可粗略的判斷樣品的晶面。腐蝕液的成分對腐蝕坑的形狀也有一定的影響,使用的腐蝕液對位錯區和非位錯區腐 蝕速度相差大,腐蝕坑的圖形就清晰,因而對于不同的晶面,采用不同的腐蝕液。硅(111)外延片上的層錯顯示同樣采用腐蝕金

11、相法,使用的鉻酸腐蝕液與(111)面位錯腐蝕液相同,但是腐蝕時間短,(111)面上的層錯和位錯圖形都是正三角形,但層錯是一空心三角形,腐蝕深的部分是三角形的三條邊;位錯是一實心的三角形,整個三角形內部腐蝕下去,為一三角形凹坑。* 3.相關計算層錯密度的測定方法與位錯相同。根據下列公式計算出位錯(或層錯)密度:N D 二 n/s(2)2式中:N D層錯(或位錯)密度,單位為 個數/cm。n被觀測面上腐蝕坑的個數(各區平均數)。S被觀測面的面積。測量出最大三角形的邊,根據公式(1)求出外延層厚度。六、實驗步驟及數據處理1 .把樣片放入配好的腐蝕液中約一分鐘,夾出片子,放入塑料缸內,連鑷子一起用水沖

12、洗十次以上,然后夾出放在濾紙上,吸去水滴,即可觀測。2.打開金相顯微鏡的電源,將樣品置于載物臺上,調整粗/微調旋鈕進行調焦, 直到觀察到的圖像清晰為止。3. 調整載物臺的位置,找到關心的視場,觀察樣品的缺陷;4. 顯微攝影:利用與金相顯微鏡相連接的數碼相機對顯微鏡放大的圖像進行拍攝。5. 將拍攝的圖片進行存儲后利用計算機中的“畫圖”軟件對圖片進行處理,然后利用文 字處理軟件(如 word軟件)制作相關文檔,并打印輸出。* 6.根據觀察結果計算位錯(層錯)密度:測定時應在在離樣品邊沿2mm以內進行,對可采用分區標圖法(圖8),每區各取三點,求平均值。視場面枳的測定:可用一標準網目代替樣品放在顯微

13、鏡樣品臺上,直接求出視場面積。 由公式(2)求出層、位錯密度。* 7. 取下目鏡,換上測微目鏡,測出最大層錯三角形的邊長,計算外延層厚度。最大層錯三角形的邊長讀數應為:測微目鏡讀數除以物鏡的放大倍數3,所以實際厚度應該是:(3)七、注意事項觀測視場內腐蝕坑數目時, 如果發現(111)晶向的單晶片或外延片上出現三角形的一個 邊或兩個邊,這同樣說明在該處存在一個與表面相交的位錯線,都應計算一個坑數。八、思考題1. 位錯、層錯各是怎樣形成的 ?它們對器件都有什么影響 ?2. 采用金相腐蝕法顯示和觀測層、位錯,這種方法的原理是什么?有什么優缺點?3. 試探討減少層、位錯的方法和途徑?九、參考資料半導體器件工藝原理,廈門大學物理系,人民教育出版社。 金相顯微鏡使用說明書。卜、附錄:各種腐蝕液的配方和用法配制拋光液、腐蝕液腐蝕單晶片及外延片。拋光液配方: HF: HNO3=1:3 腐蝕液配方:它的配方很多,舉例如下: 1 鉻酸腐蝕液:適用于 (111) 面。首先配好CrO3 標準液,即用50克CrO溶解于100CC的去離子水中,然后與 HF配成下列各腐蝕液:cro3 標準液 (50%) :HF(40%)=2:1 慢腐蝕速度cro3 標準液 (50%) :HF(40%)=3:2 中腐蝕速度cro3 標準液 (50%) :HF(40%)=1:1 快腐蝕速度 ( 常用第三種配

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