实验一 半导体材料的缺陷显示及观察

实验一半导体材料的缺陷显示及观察

实验目的

1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术；

2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性；

3．了解层错和位错的测试方法。

一、实验原理

半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。

半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。

在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。

位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。

位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。

二、位错蚀坑的形状

当腐蚀条件为铬酸腐蚀剂时，<100>晶面上呈正方形蚀坑，<110>晶面上呈菱形或矩形蚀坑，<111>晶面上呈正三角形蚀坑。（见图1）。

表1-1 硅中位错在各种晶面上的腐蚀图象

为获得较完整晶体和满足半导体器件的某些要求，通常硅单晶都选择<111>方向为生长方向，硅的四个<111>晶面围成一正四面体，当在金相显微镜下观察<111>晶面的位错蚀坑形态时，皆呈黑褐色有立体感而规则。图1（a ）是在朝籽晶方向的<111>晶面上获得的刃型位错蚀坑形状，呈金字塔顶式，即正四面体的顶视图形态。

（a ）x400 (b) x270 (c) x270

<111>晶面的位错蚀坑 <100>晶面的位错蚀坑 <110>晶面的位错蚀坑 图1 硅中位错蚀坑的形状

三、位错密度的测定

位错的面密度——穿过单位截面积的位错线数；用S ρ表示

S N S /=ρ

S 为单晶截面积；

N为穿过截面积S的位错线数。

位错的面密度在金相显微镜下测定，金相显微镜是专门用来研究金属组织结构的光学显微镜。金相技术在半导体材料和器件的生产工艺中有着极其广泛的应用；它直观、简单，是进行其它研究的基础也是研究晶体缺陷的有力工具。

用金相显微镜来测定位错的面密度，显微镜视场面积应计算得准确，否则将引起不允许的误差。在实验中金相显微镜配以测微目镜，用刻度精确的石英测微尺来定标，测量视场面积。

视场面积的大小需根据晶体中位错密度的大小来决定，一般位错密度大时，放大倍数也应大些，即视场面积选小些，位错密度小时放大倍数则应小些。

我国国家标准（GB1554-79）中规定：位错密度在101个/cm2以下者，采用1mm2视场面积，位错密度104个cm2以上者采用2 mm2视场面积，并规定取距边缘2mm2的区域以内的最大密度作为出厂依据，为了粗略反映位错的分布情况还应加测中心点。

四、层错的观察和测量

在晶体密堆积结构中正常层序发生破坏的区域被称为堆积层错或堆垛层错，简称层错，层错属于面缺陷。

1、层错的形成

图2画出了面心立方结构中原子分布的不同类型，AA方向就是<111>晶向，外延层通常是沿此方向生长的。

从<111>方向看去，原子都分布在一系列相互平行的<111>面上。把这些不同层的原子，分别标成A、B、C。在晶体的其它部分的原子，都是按照ABCABC……这样的层序重复排列的，直到晶体表面。

如果把这些原子画成立体排列的形式（取<111>晶面向上），则每个原

子都和它上面一层最近邻的三个原子组成一正四面体。完整的晶体，可认为是这些正四面体在空间有规则重复的排列所构成的，如图3所示。

在实际的外延生长过程中，发现硅原子并不完全按照ABCABC……这样的层序排列，而可能出现缺陷，层错就是最常见的一种。所谓层错，就是在晶体的生长过程中，某些地方的硅原子，按层排列的次序发生了混乱。例如，相对于正常排列的层序ABCABC……，少了一层，成为ABCACABC……；或者多出一层，成为ABCACBC…….在晶体中某处发生错乱的排列后，随外延生长，逐渐传播开来，直到晶体的表面，成为区域性

的缺陷。

在外延生长过程中，层

错的形成和传播如图4所

示。假定衬底表面层的原子

是按A型排列的，即按正常

生长层序，外延生长的第一

层应为B型排列。但由于某

种原因，使得表面的某一区

域出现反常情况而成C型排列。即按ABCACABC……（抽出B层）排列。它向上发展，并逐层扩大，最终沿三个〈111〉面发育成为一倒立的四面体（见图5）。

这个四面体相当于前述的许多小正四面体堆积起来的。由于此四面体是由错配的晶核发育而成的，因此，在它与正常生长的晶体的界面两侧，原子是失配的。也就是说，晶格的完整性在这些界面附近受到破坏，但在层错的内部，晶格仍是完整的。

由错配的晶核为起源的层错，并不一定都能沿三个<111>面发展到表面，

即在表面并不都呈三角形。在外延生长过程中，形成层错的机理较复杂。在某些情况下，层错周围的正常生长可能很快，抢先占据了上面的自由空间，

因而使得层错不能充分发育。这表现在层错的腐蚀图形不是完整的三角形，而可能是一条直线，或者为一角，如图6所示。

以上讨论的是沿<111>晶向生长的情况，发育完全的层错在<111>面上的边界是正三角形。当沿其它晶向生长时，层错的边界线，便是生长面与层错四面体的交线。在不同的生长面上，层错的边界形状也不相同。在外延生长时，引起表面某一区域排列反常的原因，主要是由于衬底表面的结构缺陷；衬底面上的外来杂质；或生长过程中出现的晶体内部的局部应力等。因此，层错一般起始于外延层和衬底的交界面，有时也发生在外延生长过程中。

2、利用层错三角形计算外延层的厚度

利用化学腐蚀的方法可以显示缺陷图形，虽然有的层错是从外延层中间开始发生的，但多数从衬底与外延层界面上开始出现，因此缺陷图形与外延层厚度之间有一简单关系。利用这种关系通过测定缺陷图形的几何尺寸，便可计算出外延层厚度。

不同晶向的衬底，沿倾斜的<111>面发展起来的层错终止在晶片表面的图形也各不相同。表2列出了各种方向上生长外延层时缺陷图形各边长与外延层厚度之间的比例关系，依据比例关系可正确推算出外延层的厚度。

层错法测外延层厚度虽然比较简便，但也存在一些问题，应予以注意。外延层层错有时不是起源于衬底片与外延层的交界面，这时缺陷的图形轮廓就不如从交界面上发生的层错图形大，在选定某一图形作测量之前，应在显微镜下扫描整个外延片面积，然后选定最大者进行测量。

五、实验设备和器材：

（1）金相显微镜二台（其中一台配有电子目镜）；

（2）各种半导体晶体样品，盖玻片，镊子；

（3）格值0.01mm石英标尺一片；

（4）计算机一台。

六、实验步骤：

1．把样品抛光的一面朝下放在显微镜上，用带电子目镜的显微镜观察硅[111]晶面刃型位错蚀坑图形（应为正三角形，有立体感），（操作方法见附2），保存图形文件，打印输出，附在实验报告中。

ρN/S，N为显微2．取下电子目镜，换上普通目镜，测量位错密度=

镜视场内的位错蚀坑个数，S为视场面积，视场直径校正如下：目镜物镜视场直径

10X 10X ф1.8mm

10X 40X ф0.44mm

3．在有电子目镜的显微镜上观察层错三角形：硅<111>晶面的层错蚀坑图形为正三角形，或不完整的正三角形（600夹角或一条直线），当层错重叠时会出现平行线。层错三角形无立体感。保存该图像文件，并打印输出，附在实验报告中。

4．利用层错三角形推算硅外延层厚度：硅[111]晶面层错三角形的边长L与硅外延层厚度t 有关系：t=0.816L。

为了用显微镜测量层错三角形的边长L，必须先用石英标尺对显微镜视场进行刻度校正，校正方法如下：将石英标尺有刻度的一面朝下放在显微镜上，调节显微镜使在视场中清晰的观察到石英标尺中心圆环内的刻度线，然后测量出两条刻度线之间的距离的读数值x（注意：显示屏上的读数并非实际尺寸），该读数对应的实际尺寸是0.01mm，记下这一校正比例关系。

在测量出层错三角形边长的读数值y后，利用校正比例关系求出层错三角形的边长L=0.01y/x。

附1：硅单晶[111]面的位错显示

实验设备和器材：

（1）4X型金相显微镜1台

（2）MCV-15测微目镜一架

（3）[111]面硅单晶片

（4）300# 600# 302# 303#金刚砂

（5）化学腐蚀间：设施：通风柜、冷热去离子水装置；

（6）化学试剂：硝酸、氢氟酸、三氧化铬、酒精、丙酮、甲苯等；

（7）器皿：量筒、烧杯、氟塑料杯、塑料腐槽、镊子等。

实验步骤：

（1）样品准备：取[111]面硅片。用300# 600# 302# 303#金刚砂依次细磨，去离子水冲洗煮沸清洗干净。

（2）抛光：打开通风柜，准备好所需化学试剂。

抛光液配比：HF（42%）：HNO3（65%）=1：2.5。

配制好抛光液倒入氟塑料杯中，将清洗干净的硅片用镊子轻轻夹入抛光液中，密切注意表面变化，操作时注意样品应始终淹没在抛光液中，同时应当不停地搅拌以改进抛光均匀性，待硅片表面光亮如镜，则抛光毕，迅速将硅片夹入预先准备好的去离子水杯中，再用流动的去离子水冲洗，在抛光过程中，蚀速对温度异常敏感。一般说来在温度18℃~25℃的范围，抛光时间约为1.5~4分钟。

（3）铬酸法显示位错

a、配制铬酸标准，配比为：标准液=5克CrO3+100去离子水。

B、按需要配制下述比例腐蚀剂：

1．标准液：HF（40%）=2：1 （慢蚀速）

2．标准液：HF（40%）=3：2 （中蚀速）

3．标准液：HF（40%）=1：1 （快蚀速）

4．标准液：HF（40%）=1：2 （快蚀速）

一般采用第三种配方，将抛光后的样品放入蚀槽，倒入腐蚀剂，蚀剂量的多少以样品不露出液面即可：一般情况在15℃~20℃的温度下腐蚀15~30分钟便可取出，用去离子水充分清洗并煮沸，用无水乙醇脱水，红外灯下烘干。

（4）在金相显微镜下观察位错显示结果，并测定位错密度。

附2：电子目镜操作步骤：

1.将电子目镜上的USB连接线连到计算机的USB接口上。样品放在样品

架上。

2.鼠标双击桌面快捷方式Capturepro.exe，进入主界面，点击“查看”/

“预览”，弹出“预览”窗口。

3.调节显微镜焦距，使在“预览”窗口看到清晰的图象。

4.鼠标单击“捕捉”/“单帧”/“到文件”，弹出保存文件对话框，保存

图象文件。

5.鼠标单击“文件”/“打开”，打开刚才保存的图象文件。

6.鼠标单击“图象”/“距离信息”，在弹出的对话框中选择“显微镜放大

倍数”“是否使用转接镜”，然后“确定”。

7.将鼠标的十字对准待测长度的一点，单击之，移到另一点再单击，图像

上即显示两点间的距离读数。