实验一 半导体材料的缺陷显示及观察

实验一 半导体材料的缺陷显示及观察

实验目的

1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术；

2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、 实验原理

半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。

半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。

在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。

位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。

位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。

二、位错蚀坑的形状

当腐蚀条件为铬酸腐蚀剂时，<100>晶面上呈正方形蚀坑，<110>晶面上呈菱形或矩形蚀坑，<111>晶面上呈正三角形蚀坑。（见图1）。

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表1-1 硅中位错在各种晶面上的腐蚀图象

为获得较完整晶体和满足半导体器件的某些要求，通常硅单晶都选择<111>方向为生长方向，硅的四个<111>晶面围成一正四面体，当在金相显微镜下观察<111>晶面的位错蚀坑形态时，皆呈黑褐色有立体感而规则。图1（a）是在朝籽晶方向的<111>晶面上获得的刃型位错蚀坑形状，呈金字塔顶式，即正四面体的顶视图形态。

（a）x400 (b) x270 (c) x270

<111>晶面的位错蚀坑 <100>晶面的位错蚀坑 <110>晶面的位错蚀坑 图1 硅中位错蚀坑的形状 三、位错密度的测定

位错的面密度——穿过单位截面积的位错线数；用?S表示 ?S?N/S S为单晶截面积；

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N为穿过截面积S的位错线数。

位错的面密度在金相显微镜下测定，金相显微镜是专门用来研究金属组织结构的光学显微镜。金相技术在半导体材料和器件的生产工艺中有着极其广泛的应用；它直观、简单，是进行其它研究的基础也是研究晶体缺陷的有力工具。

用金相显微镜来测定位错的面密度，显微镜视场面积应计算得准确，否则将引起不允许的误差。在实验中金相显微镜配以测微目镜，用刻度精确的石英测微尺来定标，测量视场面积。

视场面积的大小需根据晶体中位错密度的大小来决定，一般位错密度大时，放大倍数也应大些，即视场面积选小些，位错密度小时放大倍数则应小些。

我国国家标准（GB1554-79）中规定：位错密度在101个/cm2以下者，采用1mm2视场面积，位错密度104个cm2以上者采用2 mm2视场面积，并规定取距边缘2mm2的区域以内的最大密度作为出厂依据，为了粗略反映位错的分布情况还应加测中心点。

四、层错的观察和测量

在晶体密堆积结构中正常层序发生破坏的区域被称为堆积层错或堆垛层错，简称层错，层错属于面缺陷。

1、层错的形成

图2画出了面心立方结构中原子分布的不同类型，AA方向就是<111>晶向，外延层通常是沿此方向生长的。

从<111>方向看去，原子都分布在一系列相互平行的<111>面上。把这些不同层的原子，分别标成A、B、C。在晶体的其它部分的原子，都是按照ABCABC??这样的层序重复排列的，直到晶体表面。

如果把这些原子画成立体排列的形式（取<111>晶面向上），则每个原

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子都和它上面一层最近邻的三个原子组成一正四面体。完整的晶体，可认为是这些正四面体在空间有规则重复的排列所构成的，如图3所示。

在实际的外延生长过程中，发现硅原子并不完全按照ABCABC??这样的层序排列，而可能出现缺陷，层错就是最常见的一种。所谓层错，就是在晶体的生长过程中，某些地方的硅原子，按层排列的次序发生了混乱。例如，相对于正常排列的层序ABCABC??，少了一层，成为ABCACABC??；或者多出一层，成为ABCACBC??.在晶体中某处发生错乱的排列后，随外延生长，逐渐传播开来，直到晶体的表面，成为区域性

的缺陷。

在外延生长过程中，层错的形成和传播如图4所示。假定衬底表面层的原子是按A型排列的，即按正常生长层序，外延生长的第一层应为B型排列。但由于某种原因，使得表面的某一区域出现反常情况而成C型

排列。即按ABCACABC??（抽出B层）排列。它向上发展，并逐层扩大，最终沿三个〈111〉面发育成为一倒立的四面体（见图5）。

这个四面体相当于前述的许多小正四面体堆积起来的。由于此四面体是由错配的晶核发育而成的，因此，在它与正常生长的晶体的界面两侧，原子是失配的。也就是说，晶格的完整性在这些界面附近受到破坏，但在层错的内部，晶格仍是完整的。

由错配的晶核为起源的层错，并不一定都能沿三个<111>面发展到表面，

即在表面并不都呈三角形。在外延生长过程中，形成层错的机理较复杂。在某些情况下，层错周围的正常生长可能很快，抢先占据了上面的自由空间，

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因而使得层错不能充分发育。这表现在层错的腐蚀图形不是完整的三角形，而可能是一条直线，或者为一角，如图6所示。

以上讨论的是沿<111>晶向生长的情况，发育完全的层错在<111>面上的边界是正三角形。当沿其它晶向生长时，层错的边界线，便是生长面与层错四面体的交线。在不同的生长面上，层错的边界形状也不相同。在外延生长时，引起表面某一区域排列反常的原因，主要是由于衬底表面的结构缺陷；衬底面上的外来杂质；或生长过程中出现的晶体内部的局部应力等。因此，层错一般起始于外延层和衬底的交界面，有时也发生在外延生长过程中。

2、利用层错三角形计算外延层的厚度

利用化学腐蚀的方法可以显示缺陷图形，虽然有的层错是从外延层中间开始发生的，但多数从衬底与外延层界面上开始出现，因此缺陷图形与外延层厚度之间有一简单关系。利用这种关系通过测定缺陷图形的几何尺寸，便可计算出外延层厚度。

不同晶向的衬底，沿倾斜的<111>面发展起来的层错终止在晶片表面的图形也各不相同。表2列出了各种方向上生长外延层时缺陷图形各边长与外延层厚度之间的比例关系，依据比例关系可正确推算出外延层的厚度。

表2 不同晶向层错图形边长（?1、?2、?3）与外层厚度（t）的关系。 晶面 （生长面） [110] [221] [111] [334] [112] [114] [100]

层错法测外延层厚度虽然比较简便，但也存在一些问题，应予以注意。外延层层错有时不是起源于衬底片与外延层的交界面，这时缺陷的图形轮廓就不如从交界面上发生的层错图形大，在选定某一图形作测量之前，应在显微镜下扫描整个外延片面积，然后选定最大者进行测量。

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边长与外延层厚度t的比例 t/?1 0.5 0.707 0.816 0.85 0.866 0.5 0.707 t/?2 0.577 0.785 t/?3 0.236 0.776 0.655 0.833 0.142 0.288 0.575

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