硅材料中碳氧杂质行为

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1、第一讲硅中杂质的行为综述研究意义半导体的性质在高纯状态下才能体现杂质控制是半导体材料最重要的问题杂质对半导体材料和器件的性能产生决定性影响研究杂质的性质、分布、杂质间的相互作用和对材料器件的影响硅材料中常见杂质的来源非金属：碳、氧、氮、氢在多晶硅和单晶硅生产中引入重金属：铁、铬、锰、钛、铜、金、银、铂来源于原材料和器件制造过程污染掺杂元素：硼、铝、磷、砷、锑、锂为了控制半导体的性能人为掺入杂质在硅晶体中的存在形式杂质原子可以处于晶格替代硅原子位置——代位原子，或者晶格间的空隙位置——间隙原子形成原子团——沉淀，（几十到几百埃）形成复合体：杂质原

2、子-空位，杂质原子-位错，杂质A-杂质B在硅的禁带中引入能级：浅能级杂质，深能级杂质，电中性杂质浅能级杂质杂质的电离能较低，在导带以下0.04–0.07eV人为加入硅材料，控制材料的导电性能例如P、As、Sb杂质处于硅晶格位置，四个电子形成共价键，一个多余的电子可以被激发到硅的导带中，形成电子导电，电离能：P(0.044eV)、As(0.049eV)、Sb(0.039eV)B、Al、Ga杂质位于硅晶格，需要接受一个电子，在晶格中形成空位，电离能：B(0.045eV)、Al(0.057eV)、Ga(0.065eV)深能级杂质杂质施主能级距离导带低

3、较远杂质受主能级距离价带顶较远硅中的金属杂质通常是深能级杂质，且常常有多个能级，既有施主能级，又有受主能级例如Au:施主0.35eV，受主0.54eVCu:受主0.52eV,0.37eV,0.24eVFe:施主0.55eV,施主0.40eVEcEdEvEcEAEv硅的禁带宽度1.12eV杂质电离杂质电离后获得电子或空位——载流子杂质电离与温度有关，与杂质浓度有关完全电离时的载流子浓度n轻掺杂时（1011-1017cm-3）室温下材料中的杂质可以全部电离ND电离杂质浓度Nc导带有效态密度Ec导带底能级EF费米能级载流子迁移与硅材料电阻载流子在外加

4、电场的作用下做漂移，平均漂移速率V根据电导定义，材料的电导率等于载流子浓度和载流子迁移速率之积因而电阻率E为电场强度为载流子迁移率载流子浓度n每个载流子所带电荷q载流子迁移与硅材料电阻载流子迁移主要受到晶格散射和杂质散射，对于较纯的材料，室温下主要是晶格散射；如右图，温度越高，晶格散射越明显，(杂质含量1014cm-3)电子迁移速率较大载流子迁移率随杂质浓度升高而下降-+室温下硅的电阻率与载流子浓度多晶硅、单晶硅的生产中经常需要测试电阻率来控制产品质量电阻率的测试方法较为简单易行通过电阻率可以换算成杂质浓度但对于高补偿材料慎用！轻掺杂硅材

5、料电阻率与载流子浓度成反比杂质补偿如果晶体中同时存在施主D和受主杂质A，施主杂质的电子首先跃迁到受主杂质能级上当ND>NA，半导体为n型，n=ND-NA当ND

6、子形成Au+，施主能级作用无论对N型P型，Au使载流子减少，电阻率增大杂质补偿硅中的金属通常作为复合中心降低掺杂元素的作用，使材料的电阻率增大硅材料中的氧和碳氧和碳在硅中的存在形式对硅材料性能的影响硅材料允许的氧碳含量氧的来源硅中的氧来源于材料制备过程直拉硅单晶生长中氧来自石英坩埚污染部分SiO蒸发，部分分解引入Si熔体，最终进入硅晶体氧浓度受到石英坩埚接触面积、熔体对流强度、SiO从熔体表面蒸发速度的综合影响硅熔点附近的氧平衡浓度可达2.75x1018cm-3，随着温度降低，氧的固溶度急剧下降，硅中的氧处于过饱和（5~20x1017cm-3）

7、图8.3硅中氧的固溶度随温度变化13001100900700氧的位置氧原子处于硅晶体的四面体间隙位置——间隙氧间隙氧本身时电中性杂质，不影响硅的电学性能氧断开硅原子形成硅氧键-Si-O-Si-硅氧键有不同的振动，在红外光谱区域形成吸收1203、1107、517、29.3cm-1SiSiSiSiSiSiSiSiO氧的行为氧在硅中扩散与温度的关系极大：高温有很高的扩散速率：10-9-10-22cm2/s在氧气氛中热处理硅材料时氧扩散进入晶体，也会从晶体中扩散出去在后续工艺中形成“氧施主”引起材料电阻率的改变或者一定温度下热处理会形成氧沉淀以及相关缺

8、陷形成“氧沉淀”引起集成电路中的漏电，降低成品率图8.5氧的扩散系数热施主现象硅样品在350-500℃温度区间加热后，N型电阻率下降，P型电阻率升高的