硅中缺陷
硅的有效质量
硅的有效质量
硅是一种重要的材料，广泛应用于电子、光电、光学等领域。
它的有效质量是指其在特定条件下的质量，对于材料的性能和应用具有重要意义。
硅的有效质量与其晶体结构密切相关。
硅是一种典型的半导体材料，具有钻石型结构。
在晶体中，硅原子通过共价键连接在一起，形成紧密排列的晶格。
这种结构使得硅具有良好的电子迁移性能和热导性能，从而成为半导体材料的首选。
硅的有效质量还与其纯度和杂质含量有关。
高纯度的硅材料具有较低的杂质含量，其晶体结构更加完整，有效质量更高。
这对于一些高性能的电子器件尤为重要，如集成电路、太阳能电池等。
因此，制备高纯度硅材料是提高其有效质量的关键。
硅的有效质量还与其晶体缺陷和形貌有关。
硅晶体中的缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
这些缺陷会对硅的光电性能产生影响，降低其有效质量。
因此，通过优化制备工艺和控制晶体缺陷的形成，可以提高硅的有效质量。
硅的有效质量还与其表面状态有关。
硅材料表面的氧化层会降低其光电性能，降低有效质量。
因此，在一些应用中，需要通过表面处理来去除表面氧化层，提高硅的有效质量。
硅的有效质量还与外界条件有关。
温度、压力、湿度等因素都会对硅的性能产生影响，从而影响其有效质量。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择适当的工作条件，以保证硅材料具有较高的有效质量。
硅的有效质量是影响其性能和应用的重要因素。
通过优化晶体结构、控制杂质含量、改善晶体缺陷和表面状态，以及选择合适的外界条件，可以提高硅的有效质量，进而提高其在电子、光电、光学等领域的应用效果。
硅中缺陷
线缺陷：位错
位错对半导体材料的影响 （1）位错对载流子浓度的影响： 影响不大 （2）位错对迁移率和电导率的影响： 平行于位错线的方向上电导增强，垂直于位错线方向时则减弱 （3）位错对载流子寿命的影响.（图4－11） 设载流子的浓度为ND，当ND低于103cm－2时， 随ND 减少而降低 当ND在 103～104 cm－2 时，有最长的寿命值。当ND 大于104 cm－2
位错产生的原因
籽晶体内原有位错 籽晶表面损伤 由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使 籽晶或单晶中位错倍增。 固液交界面过冷
拉制无位错单晶工艺
正确地选择籽晶晶向和制备籽晶 选择无系属结构的籽晶，位错可排除，系属结构不 易排除 必须使生长轴与｛111｝面的最小夹角最大 采用合适的拉晶工艺 缩颈 籽晶预热 防止机械振动，防止温度及拉速的较大波动
时，寿命随着ND的增加而降低。
位错对半导体器件的影响
位错同杂质沉淀相结合使P-N结反向性能劣化 纯净位错并不对P-N结造成可觉察的坏影响 但位错处易导致重金属杂质沾污 位错的存在易造成P-N结贯通 杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发射区 时，局部穿透了基区，形成C-E穿通。 位错引起噪声增加 位错线附近载流子的产生与复合，引起电导率的局部涨落， 使有位错的单晶器件的噪声电压明显地高于无位错单晶器件。
原生缺陷：是晶体生长过程中形成的缺陷 二次缺陷：也称为工艺诱生缺陷，是器件制 造过程中引入的缺陷。主要有热应力诱生滑 移位错，扩散诱生位错，氧化诱生位错，氧 沉淀等
晶体中的缺陷种类（按维度划分）
点缺陷：间隙原子（I）和空位原子（V） 本征点缺陷 非本征点缺陷 线缺陷：位错 面缺陷：晶界 相界 堆垛层错 微缺陷：漩涡缺陷 流动图形缺陷 激光散射 缺陷
硅中的缺陷和杂质
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
第七章 硅中的缺陷
第七章硅中的缺陷本章讨论原生长硅单晶和器件工艺中的硅片中最重要的一些缺陷，包括它们的本质、几何分布、形成的机理、它们之间的相互作用和关系等等。
关于氧沉淀方面的内容放在第八章中讨论。
要成功地制造有效的硅器件必须在硅片的有效工作区内消除晶体缺陷。
随着集成电路技术的集成度越来越高，器件制造工艺变得越来越复杂，增加了在硅片中引入缺陷的机会。
除非我们对这些缺陷的本质和形成机理有了了解，否则它们会不确定地发生，从而影响所制成的器件的性能。
基于这一基本目的，对硅片中缺陷的了解必须最终与它们对器件电性能的影响相联系。
硅片中的许多缺陷本身对于电性能并没有什么有害的影响，但是当它们与其他杂质相互作用后可以变成很有害的结构。
这样的相互作用决定了由硅片中缺陷引起的器件失效的两种主要模式(在这里没有考虑介电、金相、光刻等方面的缺陷)：晶体管“管道”和结漏电流。
“管道”在机理上是短接发射极和集电极的导电通路，通常被认为是发射极区的掺杂剂沿着穿过晶体管的位错产生增强了的扩散所引起的结果。
PN结漏电流通常是铜、铁、铬等这样一些杂质的沉淀引起的产生电流的结果，这些沉淀在器件工艺过程中通过在各种缺陷处成核的过程而产生。
另一种主要的器件失效模式——MOS电荷储存失效，也是由和结漏电流同样的杂质缺陷反应所引起的。
在整个半导体工业中，硅单晶经受了从晶体生长开始经过硅片加工和完全的器件制造工艺这样一些步骤。
甚至在现代的高质量的无位错生长的硅片中，在工艺过程中还是会诱生出各种各样的微缺陷。
为了方便起见，这些缺陷可以分为两类：原生长缺陷和工艺诱生缺陷(也称二次缺陷)。
某些缺陷是在晶体生长时产生的，因此被称为原生长缺陷。
由于硅的晶格结构(金刚石结构)的特点决定了有形成孪晶的可能性，不适当的生长条件会导致孪晶和堆垛层错的产生；太大的温度梯度等条件会导致位错的形成。
现代技术生长的硅晶体通常是无位错无孪晶的，然而考虑到提高硅单晶的成品率的需要，讨论这些问题还是有意义的。
单晶硅片的晶格缺陷和应力分析
单晶硅片的晶格缺陷和应力分析单晶硅片是目前最常见的半导体材料之一，被广泛应用于电子设备制造和太阳能光伏系统等领域。
在单晶硅片的生产和使用过程中，晶格缺陷和应力是两个重要的问题，它们对硅片的性能和可靠性都有着至关重要的影响。
晶格缺陷是指单晶硅片中晶格排列不完美的部分，主要包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶格中的原子位置发生位错，例如空位缺陷和杂质原子的存在。
线缺陷是指晶格中形成的线状缺陷，例如晶格错位和位错线。
面缺陷是指晶格中的平面缺陷，例如晶界和薄膜的存在。
晶格缺陷对单晶硅片的性能和可靠性有着重要的影响。
首先，晶格缺陷会影响材料的导电性能。
因为晶格缺陷会改变原子的排列方式，从而影响电子的传导和散射。
其次，晶格缺陷会导致材料的非均匀性增加。
晶格缺陷的存在会引起局部应力分布的不均匀，导致一些区域的应力过大，从而影响材料的机械性能和可靠性。
应力是指单晶硅片中存在的内部或外部力引起的应变效应。
在单晶硅片的制备和使用过程中，应力是不可避免的。
内部应力是指硅片内部原子之间的相互作用力引起的应力，例如晶格缺陷和材料的生长过程中的温度差异等因素会产生内部应力。
外部应力是指单晶硅片与外界施加的力或热应力引起的应力，例如材料在加工和封装过程中受到的力和温度变化等。
应力会影响单晶硅片的性能和可靠性。
首先，应力会影响材料的机械性能。
应力过大会导致材料的强度降低和脆性增加，从而降低了硅片的可靠性和耐久性。
其次，应力会影响材料的光学性能。
应力会引起材料的光学常数发生变化，从而影响光学器件的性能和效率。
最后，应力还会导致材料的失效和损坏。
应力过大会引起晶格缺陷的扩散和演化，最终导致材料的失效和损坏。
为了解决单晶硅片的晶格缺陷和应力问题，需要采取一系列的措施。
首先，可以使用高质量的单晶硅片进行制备，减少晶格缺陷的产生。
此外，可以通过调控材料的生长条件和参数来控制晶格缺陷的形成和演化。
其次，可以采用合适的工艺和技术来降低晶格缺陷和应力的影响。
氮化硅缺陷-概述说明以及解释
氮化硅缺陷-概述说明以及解释1.引言1.1 概述氮化硅是一种具有广泛应用前景的半导体材料，其特性与传统硅材料相比具有巨大优势。
然而，与其他半导体材料一样，氮化硅也存在各种缺陷。
这些缺陷严重影响了氮化硅材料的性能和可靠性。
氮化硅缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
点缺陷主要包括氮空位、硅空位和氮硅空位等。
线缺陷指的是氮化硅中的位错和螺旋走滑子等缺陷。
面缺陷包括晶界、堆垛层错和表面缺陷等。
这些缺陷不仅会导致器件性能的衰退，还会影响电子迁移率、界面态密度和边坡率等重要指标。
此外，缺陷还会引起氮化硅中的应力积累和杂质扩散，进一步导致材料的退化和失效。
为了克服这些缺陷对氮化硅材料性能的影响，研究人员提出了许多改善方法。
例如，通过合适的工艺控制和表面处理，可以降低缺陷密度和杂质含量。
此外，选择合适的晶体生长方法和优化化学组成可以有效地改善氮化硅材料的质量。
总之，氮化硅缺陷是制约其应用的重要因素，深入了解和研究这些缺陷，寻找适当的改善方法，将是进一步提高氮化硅材料性能的关键所在。
通过持续的研究和技术突破，相信氮化硅材料在未来的应用领域会有更大的发展潜力。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下所示：文章结构：本文主要围绕氮化硅缺陷展开，分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节，用于介绍文章的背景和目的。
正文部分主要包括氮化硅的基本特性和缺陷类型两个小节，详细探讨了氮化硅的基本性质以及存在的各种缺陷类型。
最后，结论部分总结了氮化硅缺陷对材料性能的影响，并探讨了改善氮化硅缺陷的方法。
通过以上结构安排，本文旨在全面深入地探讨氮化硅缺陷的相关问题，为相关领域的研究提供参考和支持。
1.3 目的本文的目的是探讨氮化硅缺陷对其性能和应用的影响，并提出改善氮化硅缺陷的方法。
通过对氮化硅材料的基本特性和缺陷类型进行深入分析，我们将了解氮化硅缺陷对其导热性能、机械性能和电学性能等方面的影响。
碳化硅缺陷 位置 -回复
碳化硅缺陷位置-回复碳化硅（SiC）是一种广泛应用于半导体和电子领域的材料。
然而，它也存在一些缺陷。
本文将介绍碳化硅缺陷的位置及其对材料性能的影响。
我们将一步一步地回答这个问题，并探讨如何减少这些缺陷以改善碳化硅的性能。
首先，碳化硅的缺陷位置可以分为体内缺陷和表面缺陷两大类。
体内缺陷主要是晶格缺陷，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
表面缺陷则是指材料表面的缺陷，如物理划痕、化学腐蚀等。
在碳化硅中，点缺陷是最常见的一种缺陷。
它们是由于晶格中原子的缺失或替代而引起的。
点缺陷的位置可以是硅或碳的晶格中。
硅点缺陷包括硅空位和硅杂质原子，而碳点缺陷则包括碳空位和碳杂质原子。
这些点缺陷会导致碳化硅的电子结构发生变化，从而影响其导电性和光学性能。
线缺陷是沿着一条或多条方向排列的缺陷，它们可以分为位错和螺旋线缺陷。
位错是因为晶格失配或生长过程中的扭曲引起的，而螺旋线缺陷是晶格连续扭曲所形成的。
这些线缺陷会影响碳化硅的力学性能和导热性能。
面缺陷主要包括晶界和界面缺陷。
晶界是两个晶粒之间的结合面，而界面是不同材料之间的结合面。
晶界和界面缺陷会导致碳化硅的晶格结构不连续，从而影响其电子传输和热传导性能。
除了体内缺陷，碳化硅的表面也容易出现一些缺陷。
物理划痕是由于外力作用下表面产生的微小划痕，化学腐蚀则是由于化学性质与外界环境相互作用引起的腐蚀现象。
这些表面缺陷会降低碳化硅的光学透过性和机械强度。
以上是碳化硅缺陷的位置及其对材料性能的影响。
接下来，我们将介绍一些减少这些缺陷的方法，以改善碳化硅的性能。
首先，对于体内缺陷，可以通过控制碳化硅的生长条件来减少其形成。
例如，通过控制生长温度和气氛中的掺杂物浓度，可以减少点缺陷的形成。
此外，采用适当的生长方法，如化学气相沉积、物理气相沉积等，也可以减少线缺陷和面缺陷的形成。
对于表面缺陷，可以采用表面处理方法来改善碳化硅表面的质量。
例如，使用化学机械抛光和化学气相沉积等方法可以去除表面的物理划痕和化学腐蚀痕迹，从而提高表面的光学和机械性能。
浅谈硅片缺陷的控制
浅谈硅片缺陷的控制【摘要】太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，近年发展势头迅猛。
硅片作为太阳能电池的核心元件，其质量直接影响到太阳能电池的整体性能。
本文介绍了硅片缺陷控制的技术措施。
【关键词】硅片；缺陷控制引语在光伏产业中，硅片的质量在很大程度上影响到成品太阳能电池的短路电流、和断路电压等参数，决定了太阳能电池的发电效率和使用寿命。
在现有技术允许的范围内，最大限度地减少硅片中的缺陷，提高硅片的纯度和质量，是提升太阳能电池性能的必然途径。
目前硅片的缺陷包括点缺陷和晶体原生凹坑缺陷以及金属杂质缺陷等。
本文就这些硅片缺陷的控制阐述了一些观点。
1、硅片中点缺陷控制硅中的点缺陷包括本征点缺陷和非本征点缺陷。
其中，硅的本征点缺陷是指空位和自间隙原子；而硅中的杂质原子则是非本征点缺陷。
所谓空位和自间隙原子，均是由于硅原子的热运动产生的。
硅中的原子在热运动的作用下，脱离了晶格格点，游离在晶格间隙中间，就形成了自间隙原子；而因硅原子脱离而留下的空的格点，即是空位。
很明显，硅的本征点缺陷的浓度主要受温度的影响。
而硅的非本征点缺陷，也就是杂质原子缺陷是指杂质原子占据了硅晶体中的晶格位置。
硅片的电学性能乃至成品率都在很大程度上受到金属杂质的影响。
点缺陷的凝聚会生成更多更严重的缺陷。
对于SOI硅片中的点缺陷控制方法主要是注氧隔离（SIMOX）技术。
即通过向高能状态下的硅片中注入高剂量的氧离子。
然后将硅片进行退火处理以在硅片中形成连续的埋层，而埋层之上则形成单晶体硅层。
该技术是利用氧离子与硅原子的化学反应产生的应力，向外发射硅片中的自间隙原子，并使得自间隙原子扩散到硅层表面，形成表面的原子。
这种方法可以显著得降低硅片中自间隙原子和空位的浓度。
2、硅片中晶体原生凹坑缺陷的控制硅片在清洗液中清洗后，可以发现有小的凹坑。
这种来自于硅晶体内部的缺陷，即所谓晶体原生凹坑缺陷（COP）。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。
硅材料中的杂质和缺陷--天合
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6
硅材料中的缺陷
点缺陷：空位，杂质原子和硅自间隙原子 线缺陷：位错、层错 面缺陷：晶界 体缺陷：空洞、杂质沉淀
7
硅材料中的缺陷
8
杂质和缺陷对电池电学性能的影响
过渡金属的间隙原子或者沉淀，位错等杂质和缺陷都 会在硅中引入能级。 能级越靠近费米能级对载流子的复合截面越大，从而 造成的载流子复合也越严重。 载流子的复合会严重降低Voc和Isc，在复合很严重的 情况下，复合也会使FF显著减小。
Keff < 1
16
Distance from bottom (%)
不同的杂质具有不同的分凝系数。 分凝系数大于1则杂质在单晶棒头部或者铸锭 底部含量高，否则相反。
5
硅中的杂质 扩散速度随温度 的升高而快速增 大。 扩散速度越快的 杂质越容易进入 硅材料中沾污硅 材料。 扩散速度快的杂 质更容易形成沉 淀。
9
杂质和缺陷对电池电学性能的影响
10
杂质和缺陷对电池电学性能的影响
氧沉淀有内吸杂功能，会阻碍过渡金属杂质的外扩 散，也就会阻碍磷和铝的吸杂。 碳会促进氧沉淀的形成。
11
杂质和缺陷对电池电学性能的影响
当氧的浓度超过一定 值，间隙氧和掺杂剂 硼形成B-O复合体。 B-O复合体会造成电 池的光照衰减。 另外，氧在一定温度 下还会形成热施主， 影响电池电学性能。
硅材料中的杂质和缺陷
1
Outline
硅材料中的主要杂质 硅材料中的主要缺陷 硅材料中的杂质和缺陷对电池电学 性能的影响
2
硅材料中的杂质
故意掺杂元素：P、B、Al、Ga、As、 Tb等 非掺杂元素：C、O、Na、K等
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2．位错及重金属杂质沾污的控制 (1)降低硅单晶的重金属杂质含量 (2)建立超净条件，使用超纯试剂和气体
(3)杂质“吸除”技术 ①氧化物玻璃吸除： ② 位错“吸除”： ③ 背面淀积Si3N4的吸除： ④ 背面离子注入损伤的吸除作用：
3-2
硅单晶中微缺陷的形成与控制
在硅片(111)面上发现与位错坑不相对应的圆盘状坑。 由于这些坑集合在硅片上形成旋涡状图形，故称其为 “旋 涡缺陷”。 到目前为止，发现直拉单晶(CZ)和区熔单晶(FZ)的微缺 陷在性质和成因上是很不相同的。
图5-16
二、微缺陷对材料和器件的性能及成品率的影响
微缺陷对材料和器件性能的影响可归纳成两方面： 一方面它在外延、氧化等工艺过程中会转化为层错。 另一方面为微缺陷(或已转化成氧化层错)有吸引其他 杂质的作用，尤其是重金属杂质而成为电活性中心，使 少子寿命降低，同时使载流子迁移率降低。
三、微缺陷的控制及清除措施
3． 熔体中液流状态非稳流动引起的温度起伏产生的生 长条纹 (1)液流状态非稳流动引起界面层温度起伏 ： 在固液界面近邻的流体薄层之间则有相对滑动，这样的 流动，我们称为“层流”， 如图5-21(a)所示。层流的流 速关于距界面的距离的变化如图5-21(c)下部曲线所示。 熔体在某种条件下还存在另一种形式的流动，流体的流 线或迹线是无规则的、瞬变的，而且出现许多旋涡，如图 5-21（b）所示。这种流动称为“湍流”。湍流的特征是 流动场中的压力、速度作无规则起伏，如图5-21(c)中上 部曲线所示。当湍流发生时，固～液界面温度必然要产生 无规则起伏，
一、微缺陷形成模型及其本质
1． 空位团模型假设 从熔体中生长的无位错硅单晶，在冷却过程中空位的 过饱和是很严重的。它们一群一群地积聚起来，形成空 位团。每一空位团中包含大量空位(大致在几十万个以 上)，而空位团的线度却很小(约为10-4cm左右)所以通 称它为“微缺陷”。 “在晶体生长过程中，形成碳的花纹分布，碳在硅中处 于代替位置。由于它的原子半径小，引起晶格收缩畸变， 促使氧向此晶格畸变区域聚集。而空位又极易与各种杂 质元素结合，空位通过扩散与氧、碳结合成复合体。 在晶体冷却过程中，过饱和空位即以此复合体为核心， 进一步凝聚成空位团。它按碳的分凝花纹分布，这种氧、 碳空位的聚集体就是“微缺陷”。
图5-15
2． 硅自间隙原子模型
硅片内部存在许多某种红外吸收中心则该处吸收的辐射 能量比硅的多，因而温度比周围高。当达到熔点时，该处 首先熔化形成小液滴。硅中的碳和金属是这样的吸收中心。 金属杂质的含量是极低的故认为碳是唯一的吸收中心。 液滴的存在，使硅晶体在接近熔点温度下的平衡硅自间 隙原子经扩散进入液滴中，当液滴最终凝固时，这些硅原 子就以自间隙的形式凝聚成非本征的小平面而插入在晶体 之间，其周围便形成正的Frank位错环，此即为“微缺 陷”。
3-3
硅单晶中的氧和碳
一般CZ-Si含氧约1018cm-3，含碳约1016cm-3。 FZ-Si中的含氧量一般在l015~l016cm-3碳含量为 l016cm-3量级。
一、硅中的氧
氧在硅中处于晶格间隙位置，但在热处理过程 中，这种Si-O-Si键合状态（如图5-18所示）将 按照Si-O-Si(间隙态)至SiOx(x=2～5，中间态) 至SiO2变化，最终析出SiO2 。
要控制和消除微缺陷的影响，可以从以下几方面着手： (1)使原生硅单晶中没有微缺陷，包括减少氧和碳的含量， 以减少凝集成团的核化中心，可以减少微缺陷。 (2)拉制晶体生长时的冷却速率(或控制拉速)。 从图5-17中看出，在高冷却速率下，硅自间隙原子 还来不及向核中心聚集就被冻结下来，抑制了微缺陷的 形成；在极低的冷却速率下，硅自间隙原子具有足够高 的能量和充足的时间沿径向向外扩散，因而抑制了微缺 陷形成。
③当σs >104cm-2时，τ随σs的增加而降低。
五、位错及重金属杂质沾污的控制 1.位错的控制 (1) 籽晶的选择 籽晶的质量选择： 籽晶形状的选择： 籽晶的表面处理： 籽晶晶轴方向的选择：
(2) 拉晶工艺过程的控制
(3) 位错均匀性的控制
图5-14 用直拉法从熔体中生长的大直径硅晶体中 的位错密度的纵向与横向变化示意图
1． 生长条纹的形成 因素很多，如单晶炉机械传动装置的机械蠕动和振动， 使提拉式熔区移动速率产生无规则起伏；由于晶体转轴 和温度场对称轴不同轴，使生长速率发生起伏； 由于加 热器功率或热量损耗的瞬间变化引起生长速率的变化 ； 又由于熔体液流状态非稳流动，如熔体中存在着涡流， 却可归结为对晶体生长速率产生影响，从而造成了晶体 中杂质浓度的起伏。 正是由于晶体生长速率的微起伏，造成了晶体中杂质浓 度的起伏，图5-20中(b)和(c)画出了速率起伏和杂质浓度 起伏的示意图并与晶体表面条纹一一对应。
二、硅晶体中常见的几种位错形式 棱位错和螺位错（见图5-1） 常见的还有：位错排、星形结构、小角晶界和系属结构等。 (1) 位错排 图5-2 （2）星形结构 图5-3图5-4 (3) 小角晶界及系属结构 图5-5图5-6 图中示出的D为两位错间距，b为柏格矢量，“小角晶 界”
的角度θ，可由下式求得
第三章 硅单晶中的缺陷及其控制
• • • • • 硅晶体中的位错 硅单晶中微缺陷的形成与控制 硅单晶中的氧和碳 生长层条纹及其控制 磁场中直拉硅单晶工艺技术简介
晶体中缺陷的多少是晶体质量优劣的标志之一。缺陷 对材料和器件性能有着明显影响，缺陷类型和数量不同， 影响也不同。
3-1
硅晶体中的位错
一、硅晶体中位错的产生 产生位错的因素很多，主要有以下几方面 (1)籽晶体内原存在位错 (2)籽晶表面损伤 (3)由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使耔晶或单 晶中位错倍增。 （4）在晶体生长过程中，当固液交界面附近温度太低熔 液表面悬浮着杂质或熔液中存在一些固态微粒 (5)杂质分凝也可产生位错
图5-19 450℃处理时，最大施主浓度对应于溶 解于Si中的氧浓度之关系
硅中适当的SiO2沉淀物，如果处在体内的远离有源区 的地方，则与所诱生的缺陷一起将起到本征吸除(内吸除) 的作用，对提高器件性能是有利的。 氧对位错的钉札作用
二、硅中的碳
碳在硅中的行为，至今尚未了解得十分清楚，一般认 为它是以替代形态存在的非电活性杂质，
图5-21
温度梯度与重力加速度方向一致时，浮力干扰最大 (即对流干扰最大) ；溶质浓度梯度对浮力的作用完全与 温度梯度的作用类似，它们都会引起生产速率起伏，从 而引入晶体生长条纹。
(2)对液流状态引起温度起伏的抑制 ： 抑制熔体热对流的几种方法，其中有：①调整籽晶转 速及坩埚转速和它们之间的相对关系。②使石英坩埚底 部的熔体固化，从上部的熔体控制单晶。③双坩埚法的 采用。④在无重力条件下(空间实验室)制备硅单晶，可 消除部分条纹。⑤在强磁场下，抑制对流也可以消除一 部分条纹。 前三种方法抑制效果有限，第四种方法尚未达到实 用阶段。第五种方法即磁场抑制对流的方法对抑制熔体 热对流颇为有效，并用以生长了性能优异的硅单晶。
3-5
磁场中直拉硅单晶工艺技术简介
强迫对流 ；热对流 磁场的作用相当于提高了熔体的粘性，可归结为“磁 场增加了对流的磁粘滞性(Magnetic Viscosity)”，
图5-22
图5-23 CZ法的熔体流动迹线
2．生长层条纹的形态 在前半周期0 ~ τ／2内，所生长的晶体薄层的厚度就是 该时间间隔内固液界面的位移，将这一晶体生长薄层表示 在图5-20(d)中，即0到τ／2之间的薄层。由于该层的溶 质浓度较高，在图中以斜线画出，在后半周期τ／2 ~ τ 内，所生长的晶体薄层的厚度和溶质浓度均较小(因 f2<f1)，在图中以白带表示。这种晶体内溶质(杂质)浓度 交替变化的晶体薄层就称为生长层，在晶体外表面即呈现 出宽窄不一的条纹称“生长层条纹”，或称“杂质条纹”。
图5-18 间隙氧与硅的键合
溶解于Si中的氧浓度与提供的最大施主浓度之关系，如图 5-19所示。 由图可知，对于氧含量为1018cm-3的硅单晶， 经450℃热处理后能产生1016cm-3以上的施主。 热施主的出现引起材料电阻率发生变化。
Si中的氧极易与重金属杂质结合，造成Si中少子寿命虚假 地增大。 氧对Si材料电阻率、寿命等电学性质的稳定性有很 大影响，而且它有助于微缺陷、氧化层错、外延层错等的形 成。
b 2 sin D 2
系属结构：图5-7
（4）位错密度 ① 体位错密度：定义为单位体积晶体内位错线的长 度。表示为 L
V
V
式中L为位错线的总长度，V为晶体的体积。 ② 面位错密度：定义为单位表面积上位错线穿过的 数目。表示为 N
S
S
式中，N为穿过S表面的位错线的总数，S为位错线垂 直穿过表面面积。 一般观测位错密度是指观测单位面积所穿过的位错线 数目。
图5-17 微缺陷密度与生长速率之关系
(3)采用吸除技术消除微缺陷。 ① 外吸除(extrinsic gettering) ： 所谓“外吸除” 是指靠外因处理硅片来减少硅片表面活性层(有源区)的 污染和防止缺陷产生的方法。 ②内吸除(intrinsic gettering)：所谓“内吸除” (简 称IG)是指靠硅片内在的因素。例如：氧析出而产生的硅 氧化物以及由它引起的位错，层错等缺陷所具有的应力场， 它们有吸除硅片表面金属杂质及缺陷的效应。内吸除主要 用于间隙氧含量较高(约1018cm-3)的硅片。
三、位错对半导体材料主要性能之影响 (1)位错对载流子迁移率的影响： 棱位错对N型半导 体的影响，较P型为严重。使迁移率降低。从而影响单晶 材料的电阻率。螺位错在晶体的电学特性方面它们影响 是不重要的。 (2)位错对非平衡少子寿命τ的影响 劳仑斯(Lawrence)总结了不同人的实验得到： ①在位错密度低于103cm-2时，τ随σs减少而降低； ②当σs在l03~104cm-2时，τ有最长的寿命值；
碳对旋涡缺陷起着成核稳定的作用，旋涡缺陷也能成为 氧化层错的成核中心，它和重金属杂质及其它杂质相互作 用。