第四章-硅锗晶体中的杂质和缺陷电子教案
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一、直拉法生长单晶的电阻率的控制
• 1.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制
✓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）
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2. 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
（1）增加机械强度
氧在硅晶格中处于间隙位置，对位错有钉扎作 用，因而可增加晶体的机械强度，避免硅片在器件 工艺的热过程中发生型变（如弯曲翘曲等）。这是 氧对硅单晶性能的最大贡献之一，也是Cz硅单晶在 集成电路领域广泛应用的主要原因之一
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＝3～2.5：1
7
✓小平面效应
• 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。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。
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
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
Si+SiO2=2SiO SiO绝大部分在硅熔体表面挥发，而绝小部分（约1% ）则由于液体的对流和扩散而进入熔硅中，使晶体中的 氧含量增高。氧在晶体中的分布是头部高、尾部低；在 横切面上是中心高边缘低。 氧是Cz硅中含量最高杂质，它在硅中行为也很复杂 。总的说来，硅中氧既有益也有害。
17
二、氧污染
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。
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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。
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
不易挥发的材料
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
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 电阻率均匀性是半导体材料质量的一个指标
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。
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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-3。直拉硅中的氧含量一般为0.5 ～2×1018cm-3。直拉硅中的氧含量远高于多晶硅中的 氧含量，其主要来源是石英坩埚的溶解。在1420℃的高 温下，石英与硅有如下反应
• 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。
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掺杂元素的选择标准
➢ 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）、 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
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（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。
半导体材料
第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
2
一、杂质能级
对材料电阻率影响大
浅能级杂质 Ⅲ族杂质
杂质的分类
Ⅴ族杂质
深能级杂质
起复合中心或陷 阱作用
3
二、杂质对材Hale Waihona Puke Baidu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
• 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
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四、硅锗单晶中的位错
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
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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。
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（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。
• 1.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制
✓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）
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2. 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
（1）增加机械强度
氧在硅晶格中处于间隙位置，对位错有钉扎作 用，因而可增加晶体的机械强度，避免硅片在器件 工艺的热过程中发生型变（如弯曲翘曲等）。这是 氧对硅单晶性能的最大贡献之一，也是Cz硅单晶在 集成电路领域广泛应用的主要原因之一
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＝3～2.5：1
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✓小平面效应
• 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。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。
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
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
Si+SiO2=2SiO SiO绝大部分在硅熔体表面挥发，而绝小部分（约1% ）则由于液体的对流和扩散而进入熔硅中，使晶体中的 氧含量增高。氧在晶体中的分布是头部高、尾部低；在 横切面上是中心高边缘低。 氧是Cz硅中含量最高杂质，它在硅中行为也很复杂 。总的说来，硅中氧既有益也有害。
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二、氧污染
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。
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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。
降低了载流子的寿命
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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
不易挥发的材料
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
易挥发的材料
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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 电阻率均匀性是半导体材料质量的一个指标
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（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。
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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-3。直拉硅中的氧含量一般为0.5 ～2×1018cm-3。直拉硅中的氧含量远高于多晶硅中的 氧含量，其主要来源是石英坩埚的溶解。在1420℃的高 温下，石英与硅有如下反应
• 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
掺杂元素的选择标准
➢ 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）、 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
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（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。
半导体材料
第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
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一、杂质能级
对材料电阻率影响大
浅能级杂质 Ⅲ族杂质
杂质的分类
Ⅴ族杂质
深能级杂质
起复合中心或陷 阱作用
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二、杂质对材Hale Waihona Puke Baidu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
• 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
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四、硅锗单晶中的位错
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
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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。
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（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。