第一讲 硅中杂质的行为综 述研究意义l 半导体的性质在高纯状态下才能体现l 杂质控制是半导体材料最重要的问题l 杂质对半导体材料和器件的性能产生决定性 影响l 研究杂质的性质、分布、杂质间的相互作用 和对材料器件的影响硅材料中常见杂质的来源l 非金属：碳、氧、氮、氢在多晶硅和单晶硅生产中引入l 重金属：铁、铬、锰、钛、铜、金、银、铂来源于原材料和器件制造过程污染l 掺杂元素：硼、铝、磷、砷、锑、锂为了控制半导体的性能人为掺入杂质在硅晶体中的存在形式l 杂质原子可以处于晶格替代硅原子位置代 位原子，或者晶格间的空隙位置间隙原子l 形成原子团沉淀，（几十到几百埃）l 形成复合体：杂质原子-空位，杂质原子-位错 ，杂质A-杂质Bl 在硅的禁带中引入能级：浅能级杂质，深能级杂质，电中性杂质浅能级杂质l 杂质的电离能较低，在导带以下0.04 0.07eVl 人为加入硅材料，控制材料的导电性能l 例如P、As、Sb杂质处于硅晶格位置，四个电 子形成共价键，一个多余的电子可以被激发到 硅的导带中，形成电子导电，电离能：P (0.044 eV)、As(0.049 eV) 、Sb(0.039 eV)l B、Al、Ga杂质位于硅晶格，需要接受一个电 子，在晶格中形成空位，电离能：B(0.045 eV)、Al(0.057 eV)、Ga(0.065 eV)深能级杂质l 杂质施主能级距离导带低较远l 杂质受主能级距离价带顶较远l 硅中的金属杂质通常是深能级杂 质，且常常有多个能级，既有施 主能级，又有受主能级l 例如 Au: 施主0.35eV ，受主0.54eVl Cu:受主0.52eV, 0.37eV, 0.24eVl Fe:施主0.55eV, 施主0.40eV EcEdEvEcEAEv硅的禁带宽 度1.12eV杂质电离l 杂质电离后获得电子或空位载流子l 杂质电离与温度有关，与杂质浓度有关l 完全电离时的载流子浓度 nl 轻掺杂时（1011-1017cm-3）室温下材料中的杂 质可以全部电离ND 电离杂质浓度Nc 导带有效态密度Ec 导带底能级EF 费米能级载流子迁移与硅材料电阻l 载流子在外加电场的作用下做漂移，平 均漂移速率Vl 根据电导定义，材料的电导率等于载流 子浓度和载流子迁移速率之积l 因而电阻率E为电场强度为载流子迁移率载流子浓度n每个载流子所带电荷q载流子迁移与硅材料电阻l 载流子迁移主要受到晶格散 射和杂质散射，对于较纯的 材料，室温下主要是晶格散 射；如右图，温度越高，晶 格散射越明显， (杂质含量 1014cm-3 )l 电子迁移速率较大l 载流子迁移率随杂质浓度升 高而下降-+室温下硅的电阻率与载流子浓度l 多晶硅、单晶硅的生产 中经常需要测试电阻率 来控制产品质量l 电阻率的测试方法较为 简单易行l 通过电阻率可以换算成 杂质浓度l 但对于高补偿材料慎用 ！轻掺杂硅材料电阻率与载流子浓度成反比杂质补偿如果晶体中同时存在施主D和受主杂质A， 施主杂质的电子首先跃迁到受主杂质能 级上l 当NDNA，半导体为n型，n = ND - NAl 当ND方 向生长氧沉淀的电镜观察 （待定）氧沉淀的形态l 中温退火（700- 950 ）得到片状沉淀，厚度1 -4nm，边长30-50nm， 由方石英相组成，沉淀 在（100）晶面上中温氧沉淀的 电镜观察氧沉淀的形态l 高温退火（950-1300）得到多面体沉淀，由无 定形氧化硅构成，15-20nml 实际退火中可能同时出现两种以上形态内吸杂l 吸杂指在晶体的内部或背 面造成缺陷，吸引材料表 面的杂质在缺陷处沉淀， 在表面得到无杂质、无缺 陷得洁净区l 内吸杂是利用氧沉淀吸引 杂质l 内吸杂工艺可以结合器件 工艺进行示意图氧吸杂是现代大规模集成电路制造的有效技术手段氧吸杂工艺为了在硅材料内部产生高密度的氧沉淀-位错复合体 ，吸杂工艺采用高温-低温-高温三步退火l 在高于1150的氧气氛中退火，使氧从表面向外 扩散，表面氧浓度等于平衡固溶度，控制得到 10um的无氧区l 600750氮气氛退火24小时，使硅晶体内部产 生高密度的氧沉淀胚核l 1050氮气氛退火24小时，使氧沉淀迅速长大， 同时形成位错环、层错等诱生缺陷，金属杂质被 吸引到氧沉淀附近氧吸杂工艺为了在硅材料内部产生高密度的氧沉淀-位错复合体 ，吸杂工艺采用高温-低温-高温三步退火l 在高于1150的氧气氛中退火，使氧从表面向外 扩散，表面氧浓度等于平衡固溶度，控制得到 10um的无氧区l 600750氮气氛退火24小时，使硅晶体内部产 生高密度的氧沉淀胚核l 1050氮气氛退火24小时，使氧沉淀迅速长大， 同时形成位错环、层错等诱生缺陷，金属杂质被 吸引到氧沉淀附近