第四章硅锗晶体中的杂质和缺陷
1 第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
杂质能 级 对材料电阻 率影响大 浅能级杂起复合中心 杂质的分类 或陷阱作用 深能级杂质 2
2 杂质的分类 Ⅲ族杂质 Ⅴ族杂质 一、杂质能级 浅能级杂质 深能级杂质 对材料电阻 率影响大 起复合中心 或陷阱作用
、杂质对材料性能的影响 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 降低了载流子的寿命
3 二、杂质对材料性能的影响 ◼ 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 降低了载流子的寿命
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 共熔法:纯材料与杂一虺双人坩锅熔化 投杂法:向已熔化的材料中加入杂质 易挥发的材料 4
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 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 不易挥发的材 料 易挥发的材料
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 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)(Ps)
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 ◼ 1.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制 电阻率均匀性是半导体材料质量的一个指标 ✓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） ◼ 一、直拉法生长单晶的电阻率的控制
■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 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=3~25 6
6 ◼ 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 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
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 ■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。 7
7 ◼ 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。 ✓小平面效应 ◼ 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
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
8 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
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 轻摻杂(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 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 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
9 ➢ 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 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 掺杂元素的选择标准
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 快扩散杂质:H,Li,Na,cu,FeK,Au,He,Ag,Si 慢扩散杂质:A,PB,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 10
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 ◼ 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