硅中的缺陷和杂质

杂 质 晶体 B Al Ga In 晶体
杂 质
P As Sb
Si
0.045
0.057
0.065 0.16
Si
0.044
0.049
0.039
Your company slogan
深能级杂质
在硅中掺入非Ⅲ、Ⅴ族杂质后，在硅禁带中产生的施主能 级ED距导带底EC较远，产生的受主能级EA距价带顶EV较远， 这种能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级。 因此，这些杂质在硅的禁带中往往引入若干个能级。而且， 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
Your company slogan
过渡金属杂质的固溶度
1金属的固溶度随温度而迅速下降 2.同一温度不同金属的固溶度不一样 3. Cu,Ni 最大 （1018 cm-3),较P,B为小 4.掺杂剂会影响过渡族金属在金属中的溶解度
Your company slogan
Fe, Cu, Ni在硅中的扩散 Cu原子扩散是其带正电离子Cu+的扩散，故其不仅仅受温度 影响，而且受导电类型和掺杂浓度的影响。 Ni金属扩散主要是以间隙态存在，有0.1%的替位Ni（有电 学活性），受点缺陷的控制，扩散以分离机制为主。 Fe主要以间隙态存在，禁带中引入导带以下0.29 eV的能级， 替位铁不存在。温度小于200度时p型硅中绝大部分铁带正 电荷，高温时候无论p或者n型硅中大部分铁是中性，带电 铁容易和p型硅中的B形成Fe-B对，影响Fe的扩散。
Si
EC
Si Si Eg
Si Si Si
Si
+
BSi
Δ EA
EA
EV
空穴得到能量Δ EA后， 从受主的束缚态跃迁到 价带成为导电空穴在能 带图上表示空穴的能量 是越向下越高，空穴被 受主杂质束缚时的能量 比价带顶EV低Δ EA
硅中的受主杂质
受主能级
Your company slogan
浅能级杂质
实验证明，硅中的Ⅲ 、V族杂质的电离能都很小，所以受 主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。这些 杂质能级称为浅能级，将产生浅能级的杂质称为浅能级杂 质。 室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子，可使硅中 的Ⅲ、Ⅴ族杂质几乎全部离化，称为全电离。
Your company slogan
三、直拉单晶硅中的金属杂质 来源：原料（微电子工业的头尾料）；硅片滚圆，切片， 倒角，磨片；硅片清洗，湿化学抛光中不纯的化学试剂； 加工设备（不锈钢）；高温中扩散至体内，冷却时形成复 合体或者则沉淀。 存在形式：和其他杂质一样，硅中金属杂质的存在形式主 要取决于固溶度，同时也受热处理温度、降温速率、扩散 速率等因素影响。金属杂质可以以间隙态或替位态形式的 单原子存在，也可以以复合体或沉淀形式存在。 杂质大多数为过渡金属，主要有Fe、Cu、Ni。Fe、Cu、Ni 以间隙存在，Zn、Pt、Cu以替位存在。
Your company slogan
硅中金属杂质对硅器件的影响： ①原子态的金属杂质主要影响载流子的浓度和少数载流子的 寿命。金属杂质对载流子寿命的影响为τ =1/ν σ N。 ②沉淀形式的金属杂质会严重影响少数载流子的寿命。金属 沉淀在晶体硅的禁带中引入的深能级，这种深能级对于少 子有着显著的复合作用，从而影响少子的寿命。
Si Si Si Si Si
硅中的施主杂质
P+ Si
-
Si
Si
当电子得到能量△ED后，就从施主的 束缚态跃迁到导带而成为导带电子， 所以电子被施主杂质束缚时的能量比 导带底Ec低△ED。将被施主杂质束缚 的电子的能量状态称为施主能级，记 为△ED。
Δ ED
⊕
Eg
EC ⊕ ED
EV
Your company slogan
Your company slogan
直拉单晶硅中的主要杂质
直拉单晶硅中主要的杂质是氧、碳、金属杂质，主要缺陷 是位错。 一、直拉单晶硅中的氧 浓度：1017-1018 cm-1 数量级 主要来源：石英坩埚的污染 (1420度），并经过各种温度 的热处理 存在形式：间隙氧、氧热施主、氧团簇、氧沉淀 双刃剑: 内吸杂；破坏器件性能
Your company slogan
硅中的杂质
半导体中的杂质，主要来源于制备半导体的原材料纯度不 够，半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的玷污，或 是为了控制半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原 子。 杂质原子进入半导体硅以后，只可能以两种方式存在，一 种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙 式杂质；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格 点处，称为替位式杂质。 间隙式 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si
Your company slogan
位错对晶体硅的影响有： 引入深能级中心，吸引其他杂质原子在此沉淀，直接影响 p-n结的性能。这些因素都能导致晶体硅和器件的性能下降， 晶体硅中的位错含有悬挂键，既可以形成施主能级，也可 以形成受主能级。 位错能够影响少数载流子的寿命，少数载流子寿命与位错 密度的关系τ =1/(Nσ )。 位错还能够影响载流子的迁移率和p-n结的性能。
受主杂质
而外层只有三个电子的III族元素，因为外层缺少一个电子，它们在硅 中能够接受电子而产生导电空穴，所以称它们为受主杂质或P型杂质。 空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。电离后称为负电中心， 称为受主离化态。同理，使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需 要的能量，称为受主杂质的电离能，用△EA表示。
Your company slogan
位错引入途径： ①晶体生长时，由于籽晶的热冲击，会在晶体中引入原生 位错。 ②在晶体生长的过程中，如果热场不稳定，将会产生热冲 击，也能从固液界面处产生位错，延伸进入晶体硅。 ③热应力引入位错。
Your compan面向原子密排的方向 移动，晶体硅中最易发生的位错运动一般是在(111)面的 <110>方向 。 在晶体硅中，最常见的位错是60°位错和90°位错。
Your company slogan
Si
Si
Si
Si
替位式
施主杂质
硅是IV族元素，外层有四个电子。外层有五个电子的V族元素在硅中 电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主 杂质或N型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时 是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。 使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量成为施主杂 质的电离能，用△ED表示。
硅中的杂质和缺陷
硅中的缺陷
实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各 种形式的缺陷。一般将缺陷分为以下几类：点缺陷、线缺 陷、面缺陷、体缺陷等。 一、点缺陷 1. 点缺陷特征是三个方向的尺寸很小，只有几个原子间距， 如各种溶质原子引起的周围畸变区；空位，间隙原子以及 这几类点缺陷的复合体。 2. 点缺陷主要包括肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（Frenkel), 而肖特基缺陷指空位和自间隙原子。
Your company slogan
氧化诱生层错（OSF）：硅中的氧化诱生层错是一种重要的工艺诱生缺 陷，会对微电子器件产生重大影响。 形成的根本原因：热氧化时硅二氧化硅界面处产生自间隙硅原子，这 些自间隙硅原子扩散至张应力或晶格缺陷(成核中心)处而形成OSF并长 大。一般认为，OSF主要成核于硅片表面的机械损伤处、金属沾污严重 处，其它诸如表面或体内的旋涡缺陷、氧沉淀也是OSF的成核中心。它 与外延层错相区别也与由体内应力引起的体层错相区别。通常OSF有两 种：表面的和体内的。表面的OSF一般以机械损伤，金属沽污、微缺陷 (如氧沉淀等)在表面的显露处等作为成核中心；体内的B-OSF(Bulk OSF)则一般成核于氧沉淀。 OSF会影响器件的电学性能:在表面增加少子复合体内OSF周围的位错还 会形成“ 杂质穿通管道”，增大结漏电流，降低击穿电压，浅结CE穿 通;在体内形成散射中心、有效复合中心，降低载流子迁移率和少子寿 命，由此影响MOS器件的跨导和速度，使双极型器件反向电流、低频噪 声增加，小电流放大倍数下降;引起层错周围禁带能量波动。
Your company slogan
参考文献
1. 刘恩科 朱秉升 罗晋生.半导体物理学（第7版）.电子工业出版社 2. 闵 靖.硅中的点缺陷的控制和利用.上海有色金属，2003年9月 3. 田达晰.直拉单晶硅的晶体生长及缺陷研究.浙江大学博士学位论文 4. L. A. Hemstreet.Electronic states of simple-transition-metal impurities in silicon.PHYSICAL REVIEW B,15 JANUARY 1977 5. 黄昆.固体物理学.高等教育出版社 6. Masako Hirata，Mitsuji Hirata，and Haruo Saito.The Interactions of Point Defects with Impurities in Silicon.J. Phys. Soc. Jpn. 27, pp. 405414 (1969)
Your company slogan
三、面缺陷 面缺陷的特征是一个方向上尺寸很小，在其它两个方向上 的尺寸很大，存在于晶体的外表面及各种内界面。一般晶 界、孪晶界、亚晶界、相晶界以及层错等属于这一类。 1、小角晶界：硅晶体中相邻区域取向差别在几分之一秒到 一分（弧度）的晶粒间界称为小角度晶界。在{100}面上， 位错蚀坑则以角顶底方式直线排列。 2、层错：指晶体内原子平面的堆垛次序错乱形成的。硅单 晶的层错面为{111}面。实践表明，在用液相生长硅单晶时 一般很少出现层错，大量的层错是在外延、氧化等工艺过 程中所产生的。因此，通常层错是一种工艺诱导缺陷。
Your company slogan