半导体材料学习资料：硅锗晶体中的杂质和缺陷
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➢ 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
➢ 根据杂质在晶体中的扩散系数选择
•
由于小平面效应，小平面区域电阻率会降低，严重时
会出现杂质管道芯。
•
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。
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。
三、晶体中的条纹和夹杂
• 1．杂质条纹 由熔体生长Si，Ge及化合 物半导体晶体，如果沿着其 纵、横剖面进行性能检测， 会发现它们的电阻率、载流 子寿命以及其他物理性能出 现起伏。
当用化学腐蚀时，其腐蚀速度也出现起伏，最后表面出现宽 窄不一的条纹。这些条纹是由于晶体中杂质浓度的起伏造成 的，因此又称为杂质条纹。
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• 区熔法拉晶的径向电阻率均匀性也与固液界面形状有关。
• 如交界面与生长方向垂直、平坦，则电阻率均匀，但往往由 于在水平区熔舟内熔体的流动情况不同，在舟底部熔体受舟壁 的阻碍流动较慢，而使它杂质含量较多，因此在长成的晶体横 截面上呈现上部电阻率高，底部低状态。
• 通过加强熔区搅拌，生长速率放慢，调整热场使温度对材料 锭分布对称等办法，均有助于径向电阻率均匀性的改进。
• 消除办法：可以将掺杂的单晶在一定温度下退火，使一部 分浓度较高的杂质条纹衰减。另一方法是采用中子嬗变法 生产N型硅单晶，或在无重力条件下(太空实验室)，磁场抑 制自然对流引起的熔体温度波动可消除一部分杂质条纹。
四、组分过冷
五、硅、锗单晶中有害杂质的防止
（一）、金属杂质
硅单晶中的重金属元素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。
重金属大都是快扩散杂质，而且溶解度随温度下降变得 很小，它们易在器件降温时沉积在PN结、Si—SiO2界面、位 错、层错等处，使器件漏电流增大，出现低软击穿。它们还 能起复合中心或陷阱作用，降低少子寿命、影响器件的放大 系数、反向电流等指标。
碱金属杂质Li、Na、K等能在平面工艺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，产生很大的漏电流。
掺入杂质。
不易挥发的材料
• 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
易挥发的材料
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）
单晶生长时， 杂质分布不均匀会造Leabharlann Baidu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
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）
2. 径向电阻率均匀性的控制
• (2)小平面效应的影响。
•
晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温线的
限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，
则在(111)的锗、硅单晶的固液界面会出现一小片平整的
平面，它是(111)原子密排面，通常称之为小平面。
•
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中分布异常的现象叫小平面效应。
• (2)由于晶体转轴和温度场轴不同轴，使生长速率发生起伏
• (3)由于加热器功率或热量损耗(如水冷、气流状况)的瞬间变 化引起生长速率的变化也会出现杂质条纹。
• (4)由于液流状态非稳流动，熔体内温度产生规则或不规则的 起伏，从而引起生长速率的起伏产生杂质条纹。
• 杂质条纹的存在使材料的微区电性质发生较大的差异，这 对大规模集成电路的制作是十分不利的。
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＝3～2.5：1
• 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
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。
第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
1
4-1-1 杂质能级
杂质的分类
对材料电阻率影响 大
浅能级杂质 Ⅲ族杂质 Ⅴ族杂质
深能级杂质
起复合中心或 陷阱作用
二、杂质对材料性能的影响
1.杂质对材料导电类型的影响
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
4-2、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
• 晶体中杂质浓度会出现起伏的原因：
• 由杂质分凝可知，晶体中杂质浓度Cs=KeffCL，在一个不太长的 时间间隔内，CL可近似认为不变。
• 由于Keff与生长速率f和扩散层厚度δ有关，如直拉法晶转速一 定，d也一定，那么Keff的起伏直接与生长速率的起伏有关。
•
晶体生长速率起伏的原因主要有：
• (1)由于单晶炉的机械蠕动和机械振动，使提拉或熔区移动速 率产生无规则的起伏。这时产生的杂质条纹叫间歇式条纹。
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
➢ 根据杂质在晶体中的扩散系数选择
•
由于小平面效应，小平面区域电阻率会降低，严重时
会出现杂质管道芯。
•
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。
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。
三、晶体中的条纹和夹杂
• 1．杂质条纹 由熔体生长Si，Ge及化合 物半导体晶体，如果沿着其 纵、横剖面进行性能检测， 会发现它们的电阻率、载流 子寿命以及其他物理性能出 现起伏。
当用化学腐蚀时，其腐蚀速度也出现起伏，最后表面出现宽 窄不一的条纹。这些条纹是由于晶体中杂质浓度的起伏造成 的，因此又称为杂质条纹。
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• 区熔法拉晶的径向电阻率均匀性也与固液界面形状有关。
• 如交界面与生长方向垂直、平坦，则电阻率均匀，但往往由 于在水平区熔舟内熔体的流动情况不同，在舟底部熔体受舟壁 的阻碍流动较慢，而使它杂质含量较多，因此在长成的晶体横 截面上呈现上部电阻率高，底部低状态。
• 通过加强熔区搅拌，生长速率放慢，调整热场使温度对材料 锭分布对称等办法，均有助于径向电阻率均匀性的改进。
• 消除办法：可以将掺杂的单晶在一定温度下退火，使一部 分浓度较高的杂质条纹衰减。另一方法是采用中子嬗变法 生产N型硅单晶，或在无重力条件下(太空实验室)，磁场抑 制自然对流引起的熔体温度波动可消除一部分杂质条纹。
四、组分过冷
五、硅、锗单晶中有害杂质的防止
（一）、金属杂质
硅单晶中的重金属元素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。
重金属大都是快扩散杂质，而且溶解度随温度下降变得 很小，它们易在器件降温时沉积在PN结、Si—SiO2界面、位 错、层错等处，使器件漏电流增大，出现低软击穿。它们还 能起复合中心或陷阱作用，降低少子寿命、影响器件的放大 系数、反向电流等指标。
碱金属杂质Li、Na、K等能在平面工艺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，产生很大的漏电流。
掺入杂质。
不易挥发的材料
• 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
易挥发的材料
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）
单晶生长时， 杂质分布不均匀会造Leabharlann Baidu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
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）
2. 径向电阻率均匀性的控制
• (2)小平面效应的影响。
•
晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温线的
限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，
则在(111)的锗、硅单晶的固液界面会出现一小片平整的
平面，它是(111)原子密排面，通常称之为小平面。
•
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中分布异常的现象叫小平面效应。
• (2)由于晶体转轴和温度场轴不同轴，使生长速率发生起伏
• (3)由于加热器功率或热量损耗(如水冷、气流状况)的瞬间变 化引起生长速率的变化也会出现杂质条纹。
• (4)由于液流状态非稳流动，熔体内温度产生规则或不规则的 起伏，从而引起生长速率的起伏产生杂质条纹。
• 杂质条纹的存在使材料的微区电性质发生较大的差异，这 对大规模集成电路的制作是十分不利的。
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＝3～2.5：1
• 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
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。
第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
1
4-1-1 杂质能级
杂质的分类
对材料电阻率影响 大
浅能级杂质 Ⅲ族杂质 Ⅴ族杂质
深能级杂质
起复合中心或 陷阱作用
二、杂质对材料性能的影响
1.杂质对材料导电类型的影响
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
4-2、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
• 晶体中杂质浓度会出现起伏的原因：
• 由杂质分凝可知，晶体中杂质浓度Cs=KeffCL，在一个不太长的 时间间隔内，CL可近似认为不变。
• 由于Keff与生长速率f和扩散层厚度δ有关，如直拉法晶转速一 定，d也一定，那么Keff的起伏直接与生长速率的起伏有关。
•
晶体生长速率起伏的原因主要有：
• (1)由于单晶炉的机械蠕动和机械振动，使提拉或熔区移动速 率产生无规则的起伏。这时产生的杂质条纹叫间歇式条纹。