關于半導體單晶硅的缺陷第1頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三一、點缺陷點缺陷的概念：由于晶體中空位、填隙原子及雜質原子的存在，引起晶格周期性的破壞，發生在一個或幾個晶格常數的限度范圍內，這類缺陷統稱為點缺陷。按其對理想晶格的偏離的幾何位置及成分來劃分：空位、填隙原子、外來雜質原子和復合體（絡合體）等。2.2.1微觀缺陷第2頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三圖2-3-1空位缺陷1、空位：晶體中的原子由于熱運動或輻射離開平衡位置跑到晶格的空隙中或晶體的表面，原來的位置又沒被其他的原子占據而留下的空位。如圖所示：第3頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三空位存在的形式：1）晶體由在冷卻到室溫的過程中，空位來不及擴散直接被“凍結”在體內。2)與雜質原子形成絡合體。3）雙空位。4)凝聚成團而塌蹦形成位錯圈。

晶體中的空位用電子顯微鏡直接觀察。而許多空位聚集成團，當它蹋蹦時形成位錯圈，可以用化學腐蝕法或透射電子顯微鏡觀察。第4頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三2、填隙原子：晶體中的原子由于熱運動或輻射離開平衡位置跑到晶格的空隙中，這樣的原子稱為填隙原子。如圖所示：圖2-3-2弗侖克爾缺陷填隙原子存在的方式：（1）與空位結合而消失。（2）聚集成團形成間隙性位錯圈。（3）在生長界面附近凝聚形成微缺陷。第5頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三3、雜質原子（外來原子）：由外來原子進入晶體而產生的缺陷。雜質原子又分為間隙式和置換式原子。如圖所示：硅中的雜質氧、碳以及重金屬都可能以兩種方式存在，并與硅結合成鍵，如氧與硅形成Si-O-Si鍵。圖2-3-3第6頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三4、絡合體雜質原子與空位相結合形成的復合體。如：空位-磷原子對（E中心）空位-氧原子對（A中心）這些絡合體具有電活性，因此會影響半導體的載流子濃度。第7頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三二、線缺陷：周期性的破壞局域在線附近,一般指位錯。位錯主要有刃位錯、螺型位錯以及位錯環。如圖所示為位錯的示意圖：第8頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三1、刃位錯：刃位錯的構成象似一把刀劈柴似的，把半個原子面夾到完整晶體中，這半個面似刀刃，因而得名。如圖所示。它的特點是：原子只在刃部的一排原子是錯排的，位錯線垂直于滑移方向。第9頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三2、螺旋位錯：當晶體中存在螺位錯時，原來的一組晶面就象變成似單個晶面組成的螺旋階梯。它的特點：位錯線和位移方向平行，螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個原子寬度的線缺陷

。第10頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三3、混合位錯：除了上面介紹的兩種基本型位錯外，還有一種形式更為普遍的位錯，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。如圖所示:

第11頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三位錯環的特點：一根位錯線不能終止于晶體內部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內部，則必與其他位錯線相連接，或在晶體內部形成封閉線。形成封閉線的位錯稱為位錯環（位錯的一種增殖機制），如圖所示。

第12頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三硅單晶的準刃型位錯：在金剛石結構中一種位錯線與柏格斯矢量成60度角的位錯，具有刃型位錯的特點，因此成為準刃型位錯。如圖所示：第13頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三5、位錯中柏格斯矢量的判斷：如圖所示，利用右手螺旋定則沿基矢走，形成一個閉合回路，所有矢量的和即為柏格斯矢量。第14頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三6、位錯的滑滑移與攀移（1）位錯的滑移：指位錯線在滑移面沿滑移方向運動。其特點：位錯線運動方向與柏格斯矢量平行。如圖所示：第15頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三硅單晶的滑移體系：{111}晶面和<110>晶向族滑移方向：取原子距離最小的晶列方向，對于硅而言，<110>晶向族的距離最小，因此為位錯的滑移方向。共有12個方向，如圖所示:第16頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三滑移面：滑移面一般取面密度大，面間距大的晶面，硅晶體的滑移面為{111}晶面族，所示如圖：第17頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三（2）位錯的攀移：位錯線垂直于滑移向量的運動，他是由于在一定溫度下，晶體中存在空位和填隙原子，在熱運動的作用下，移動位錯線，引起半平面的變大或變小。分為正攀移和負攀移。a)正攀移：由于吸收空位而使位錯向上攀移,半原子平面縮短.第18頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三b）負攀移:吸收填隙原子，位錯向下攀移，半原子平面擴大。如圖所示：第19頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三7、位錯的顯示：如圖所示，通過化學腐蝕法顯示晶體的位錯，不同的晶面上缺陷的腐蝕坑不同。如圖所示：（111）晶面（110）晶面（100）晶面第20頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三三、堆垛層錯：晶體密堆積結構中正常的排列秩序發生了錯誤的排列。分本征層錯和非本征層錯,如圖所示：(a)本征層錯（b)非本征層錯第21頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三（111）面單晶硅中的層錯第22頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三四、雜質沉淀硅的生產和加工過程中，很容易引入各種雜質，如直拉硅中氧、碳以及各種重金屬雜質（Cu、Fe、Ni、Na等），他們在高溫環境下在硅中的溶解度很高，但在低溫及室溫條件下，其溶解度大大下降，多余的雜質都以沉淀的形式析出。如：SiO2、Cu3Si、Fe3Si沉淀尺寸的大小可以用電子顯微鏡或電子探針進行觀察和分析。如圖所示為金屬雜質沉淀呈枝蔓狀析出。第23頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三2.2.2宏觀缺陷一、小角晶界1、晶界：多晶體中各晶粒的位向不同，晶粒之間的界面稱為晶界。2、小角晶界：單晶中存在晶向角度差極小的兩個區域，通常稱為亞晶粒，因此他們之間的界面稱為亞晶界，也成為小角晶界。如圖所示：第24頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三D-位錯間距離

-

柏格斯矢量

θ-晶向角度差第25頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三通常用化學腐蝕法顯示小角晶界上的位錯，其特點：頂與底相連排成列。如圖所示為(111)晶面上的腐蝕坑系屬結構：小角晶界局部密集排列第26頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三二、位錯排：由一系列位錯構成，但排列上不同于小角晶界，其位錯腐蝕坑的地面排列在一條直線上，如圖所示如圖（b）所示，位錯滑移的過程中碰到障礙而停止下來，附近的位錯受到前一位錯的應力場的作用停止下來，形成了位錯由密到疏的排列。(a)(b)第27頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三星形結構的形成：當晶體中存在大量位錯時，且分布在不同的{111}晶面上時，經過的腐蝕坑排列構成星形結構。如圖所示：第28頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三三、雜質的析出與夾雜物1、由于雜質的分凝作用，單晶硅尾部的雜質濃度過大，常常在過冷時出現雜質析出。雜質析出嚴重時，通過化學腐蝕觀察其腐蝕坑，形成六角網狀。如圖所示(a)(b)2、夾雜物：單晶硅在重摻雜情況下，會出現一些夾雜物的存在，嚴重時會出現夾雜物的堆積，可以通過化學腐蝕法顯示.第29頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三2.2.3點陣應變與表面機械損傷一、點陣應變：晶體中的應力和應變可以由加工損傷、過量空位、位錯應力場、與基體原子半徑不同的雜質原子的存在，以及表面的氧化膜所引起的。晶體切、磨時應力又可引起薄片的彎曲。可以依據X射線衍射峰的位置、峰高度的變化以及半峰寬度來測定單晶中的應力和應變。二、表面機械損傷：在器件制造過程中經過機械拋光后，表面人留下一定的機械損傷和殘余應力。不僅可以引入自由載流子，增加表面復合，還會再熱處理過程中引起各種缺陷（如熱氧化層錯、滑移位錯引起的位錯圈等）第30頁，講稿共32頁，2023年5月2日，星期三表面損傷的測量方法有多種：（1）腐蝕速率法：利用有損傷處與無損傷處的腐蝕速度的差別測定損傷層的深度。（2）截面法：將表面磨成斜角，再拋光斜面后進行腐蝕，呈現表面的損傷。也可以x形貌觀察截面以了解表面損傷情況。（3）載流子效應法：利用表面損傷對載流