硅锗晶体中的杂质和缺陷课件.ppt

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1、半导体材料第四章硅/锗晶体中的杂质和缺陷2杂质的分类Ⅲ族杂质Ⅴ族杂质一、杂质能级浅能级杂质深能级杂质对材料电阻率影响大起复合中心或陷阱作用3二、杂质对材料性能的影响1.杂质对材料导电类型的影响掺杂一种杂质掺杂两种杂质2.杂质对材料电阻率的影响3.杂质对非平衡载流子寿命的影响降低了载流子的寿命4三、硅锗晶体的掺杂半导体的电学参数通过掺杂来控制的，拉单晶的过程时就掺入杂质。杂质掺入的方法共熔法：纯材料与杂质一起放入坩锅熔化投杂法：向已熔化的材料中加入杂质不易挥发的材料易挥发的材料5单晶生长时，杂质分布不均匀会造成横向和纵向电阻率不均匀1.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制电阻率均匀性是半

2、导体材料质量的一个指标变速拉晶法：先用大拉速，再用小拉速双坩锅法（连通坩锅法，浮置坩锅法）（P80）一、直拉法生长单晶的电阻率的控制62.径向电阻率均匀性的控制固液界面的平坦度为了获得径向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面。采用的方法有:A：调整晶体生长热系统，使热场的径向温度梯度变小B：调节拉晶运行参数，例如对凸向熔体的界面，增加拉速；对凹向熔体的界面，降低拉速C：调整晶体或者坩锅的转速增加晶体转动速度，界面由凸变凹增加坩锅转动速度，界面由凹变凸D：增大坩锅内径与晶体直径的比值，一般坩锅内径：晶体直径＝3～2.5：17晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温线的限制，常常是弯曲的。

3、如果在晶体生长时迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出现一小片平整的平面，称之为小平面。小平面效应在小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异，这种杂质在小平面区域分布异常的现象叫小平面效应。由于小平面效应，小平面区域的电阻率会降低。为了消除小平面效应带来的径向电阻率不均匀性，需将固液界面调平。8二、水平区熔拉晶时杂质的控制（区域匀平法）在用水平区熔法生长单晶时的掺杂，是把杂质放在籽晶与料锭之间，随着熔区的移动使杂质分布在整个晶锭中。利用这种方法可以得到比较均匀的电阻率分布，因此又称为区域匀平法。9根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素轻掺杂（1014～1016，在功率整流级单晶）、

4、中掺杂（1016～1019，晶体管级单晶）、重掺杂（大于1019外延衬底级单晶）根据杂质元素在硅、锗中的溶解度选择固溶度是指杂质在一定温度下能溶入固体硅中的最大浓度。三、五族元素在硅中的固溶度较大。杂质原子半径越大，特征原子构型与锗、硅的越不同，它们在锗、硅中的固溶度越小。根据分凝系数选择分凝系数远离1的杂质难于进行重掺杂掺杂元素的选择标准10根据杂质在晶体中的扩散系数选择在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好快扩散杂质：H，Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,Si慢扩散杂质：Al,P,B,Ca,Ti,Sb，As根据杂质元素的蒸发常数选择快蒸发杂质的掺杂不宜在

5、真空而应在保护性气氛下进行尽量选择与锗、硅原子半径近似的杂质元素作为掺杂剂，以保证晶体生长的完整性11晶体中常见的缺陷种类点缺陷线缺陷位错面缺陷体缺陷微缺陷四、硅锗单晶中的位错12四、硅、锗单晶中有害杂质的防止硅单晶中重金属元素Cu、Fe、Ni、Mn、Au、Ti；碱金属Li、Na、K；非金属C、O等对器件性能有重大影响。（一）、金属杂质1.金属杂质在硅中的形态金属杂质在硅中可以是间隙态，替位态，复合体，也可以是沉淀。金属杂质在硅中的形态，主要取决于固溶度，同时也受热处理温度、降温速度、扩散速度等因素的影响。13（一）、金属杂质固溶度的影响浓度低于固溶度以间隙或替位态存在，大部分处于间

6、隙态。浓度大于固溶度，以复合态或沉淀存在。过渡金属在硅中沉淀结构一般以MSi2，如Fe、Ni、Co等，铜例外，为Cu3Si。降温速率和扩散速度的影响高温热处理快速冷却，或扩散速度又相对较慢，金属原子来不及扩散，它们将以饱和、单个原子形式存在于晶体中，或是间隙态，或是替位态，一般为间隙态。高温处理后冷却速度较慢，或冷却虽快，金属扩散速度特别快，将在金属表面或缺陷处形成复合体或沉淀。如Cu、Zn、Ni等。14（一）、金属杂质2.对材料和器件性能的影响无论金属杂质以什么形态在单晶中出现，都可能引入载流子，且能引入深能级，影响寿命值，所以金属杂质能导致器件性能降低，甚至失效。碱金属杂质在硅的

7、平面工艺SiO2绝缘膜中引入不稳定的正电荷，在硅的内表面形成空间电荷层或反型层引起表面沟道效应，产生很大漏电流。15（一）、金属杂质3.如何避免有害金属杂质减少加工中的污染：工器具、试剂等，硅材料负电性为1.8，当金属杂质的负电性大于1.8时，便容易污染，如铁、铜、镍，要避免使用。化学腐蚀去除表面金属吸杂技术：背面吸杂或内吸杂以上各种方法广泛应用于器件工艺中。16二、氧污染氧在硅中的溶解度为2.75×1018cm-3，在熔硅中的溶解度为2.2×1018cm