半导体材料4-缺陷工程、杂质工程与能带工程课件.ppt
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- 半导体材料 缺陷 工程 杂质 能带 课件
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1、第四章第四章 缺陷工程、杂质工程缺陷工程、杂质工程与能带工程与能带工程 n缺陷工程:缺陷工程:如何控制和利用硅中的杂质和缺陷如何控制和利用硅中的杂质和缺陷n杂质工程杂质工程:通过对杂质及其浓度在半导体中空间:通过对杂质及其浓度在半导体中空间分布的有效控制来实现对半导体电特性(载流子分布的有效控制来实现对半导体电特性(载流子浓度、迁移率、少子寿命等)和浓度、迁移率、少子寿命等)和微缺陷微缺陷的精确控的精确控制。制。n能带工程能带工程:通过固溶体技术和超晶格技术对半导:通过固溶体技术和超晶格技术对半导体材料的能带结构进行合理体材料的能带结构进行合理“剪裁剪裁”,从而满足,从而满足器件的需要。器件的
2、需要。缺陷工程缺陷工程、杂质工程和能带工程促进了半杂质工程和能带工程促进了半导体理论与技术的发展,扩大了半导体材料导体理论与技术的发展,扩大了半导体材料应用范围。应用范围。缺陷工程缺陷工程n背景背景:超大规模集成电路发展方向超大规模集成电路发展方向“更快、更好、更便宜更快、更好、更便宜”;将出将出现现“直径更大直径更大,线宽更小线宽更小”的技术特征(的技术特征(2015年预期直径年预期直径675毫米,线宽毫米,线宽25纳米);当单个缺陷的尺寸达到最小特征纳米);当单个缺陷的尺寸达到最小特征线宽的线宽的1/2或或1/3时时,将导致器件、电路的失效。故要求硅材料将导致器件、电路的失效。故要求硅材料
3、“大直径、高均匀性、无缺陷大直径、高均匀性、无缺陷”。n大直径化的关键基础科学问题:晶体的完整性大直径化的关键基础科学问题:晶体的完整性 一是晶体生长中体材料的晶格完整、一是晶体生长中体材料的晶格完整、无缺陷;二是晶体加工无缺陷;二是晶体加工过程中表面的完整性;三是器件制造过程中过程中表面的完整性;三是器件制造过程中,器件有源区的晶器件有源区的晶格完整性。格完整性。保持晶体结构完整性、减少缺陷影响的两个途径保持晶体结构完整性、减少缺陷影响的两个途径n一是生长没有任何缺陷的完美单晶一是生长没有任何缺陷的完美单晶 在现有的晶体生长技术下,生长大直径而没有任在现有的晶体生长技术下,生长大直径而没有任
4、何缺陷的完美硅单晶是非常困难的,这是人们努何缺陷的完美硅单晶是非常困难的,这是人们努力的方向,实现的可能性很小。力的方向,实现的可能性很小。n二是利用其中的杂质和缺陷,变害为利二是利用其中的杂质和缺陷,变害为利 当前研究的重点放在如何控制和利用硅中的杂质当前研究的重点放在如何控制和利用硅中的杂质和缺陷上,即所谓的和缺陷上,即所谓的“缺陷工程缺陷工程”。n细小的籽晶如何承担细小的籽晶如何承担400Kg的重量。的重量。n固液界面面积增大,温差增固液界面面积增大,温差增加,控制困难。加,控制困难。n拉晶时间延长,氧浓度控制拉晶时间延长,氧浓度控制变难。变难。n晶体中的原生缺陷的控制。晶体中的原生缺陷
5、的控制。n微缺陷问题突出,微缺陷问题突出,300mm直直径的硅单晶中微缺陷的直径径的硅单晶中微缺陷的直径在在50nm左右。左右。研究内容研究内容n缺陷的电学性质、形成机理以及抑制措施缺陷的电学性质、形成机理以及抑制措施n杂质的吸杂工程:吸杂机理和模型杂质的吸杂工程:吸杂机理和模型n杂质和缺陷的相互作用杂质和缺陷的相互作用n各种缺陷之间的互相作用各种缺陷之间的互相作用n薄膜和界面上的缺陷薄膜和界面上的缺陷研究进展研究进展1、金属杂质和吸杂、金属杂质和吸杂:金属杂质在硅中大部分已沉淀状态存在。金属杂质在硅中大部分已沉淀状态存在。在硅片的体内或表面有意制造缺陷,可吸收杂质和相关缺陷,导致在硅片的体内
6、或表面有意制造缺陷,可吸收杂质和相关缺陷,导致硅片近表面器件有源区出现无杂质、无缺陷的洁净区。硅片近表面器件有源区出现无杂质、无缺陷的洁净区。外吸杂和内吸外吸杂和内吸杂。杂。2、MDZ(magic denuded zone)工艺(魔幻洁净区)工艺(魔幻洁净区)美国美国MEMC公司提出,利用空位由内向外浓度逐渐减少形成体内氧公司提出,利用空位由内向外浓度逐渐减少形成体内氧沉淀核心,产生二次缺陷(位错等),形成吸杂点。沉淀核心,产生二次缺陷(位错等),形成吸杂点。3、掺氮直拉硅单晶掺氮直拉硅单晶 浙江大学发明。掺氮促进氧沉淀形成,改善内吸杂性能;减小微缺浙江大学发明。掺氮促进氧沉淀形成,改善内吸杂
7、性能;减小微缺陷的尺寸,并易被高温处理消除;钉扎位错,增加硅片强度;抑制热陷的尺寸,并易被高温处理消除;钉扎位错,增加硅片强度;抑制热施主、新施主形成等。施主、新施主形成等。4、微量掺锗直拉硅单晶微量掺锗直拉硅单晶 具有掺氮单晶一样的优点。具有掺氮单晶一样的优点。不一样:不一样:晶体生长几乎不受影响;不会晶体生长几乎不受影响;不会形成新的电活性中心,不影响硅的电学性能;可实现高浓度掺杂外延形成新的电活性中心,不影响硅的电学性能;可实现高浓度掺杂外延衬底制备。衬底制备。杂质工程杂质工程n材料材料:利用杂质的有意掺入,控:利用杂质的有意掺入,控制直拉硅单晶的微缺陷,改善集制直拉硅单晶的微缺陷,改善
8、集成电路用硅片的质量。成电路用硅片的质量。掺氮、锗、掺氮、锗、碳等。碳等。n掺杂的方式:掺杂的方式:原位掺杂原位掺杂;后掺杂后掺杂。n后掺杂的方法:后掺杂的方法:1)常规掺杂常规掺杂,即采用合金、扩散、,即采用合金、扩散、或离子注入等方式由外向内掺入或离子注入等方式由外向内掺入杂质。杂质。2)嬗变掺杂嬗变掺杂,即利用核反应中的,即利用核反应中的原子嬗变将半导体中的同位素原原子嬗变将半导体中的同位素原子嬗变为杂质原子。子嬗变为杂质原子。4.1 常规掺杂常规掺杂1、掺杂的有效性、掺杂的有效性n共价结合半导体中,每一对直接结合的近邻原子,不管是否属于共价结合半导体中,每一对直接结合的近邻原子,不管是
9、否属于同种元素,其价电子数之和都应该等于同种元素,其价电子数之和都应该等于8。当有杂质取代了某些。当有杂质取代了某些点阵原子,使其中出现了点阵原子,使其中出现了价电子之和大于价电子之和大于8或小于或小于8的近邻原子对的近邻原子对时,在适当高的温度下,多余的价电子即成为自由电子,欠缺的时,在适当高的温度下,多余的价电子即成为自由电子,欠缺的价电子即成为自由空穴,从而改变材料中自由载流子的密度,改价电子即成为自由空穴,从而改变材料中自由载流子的密度,改变材料的电阻率。变材料的电阻率。n富余价电子和欠缺价电子的最近邻原子对同时存在,则等数量的富余价电子和欠缺价电子的最近邻原子对同时存在,则等数量的欠
10、电子对与富电子对相补偿,不改变载流子的密度。即掺杂给载欠电子对与富电子对相补偿,不改变载流子的密度。即掺杂给载流子密度带来的流子密度带来的有效增量有效增量是是P型杂质与型杂质与N型杂质的浓度之差。型杂质的浓度之差。从杂质原子自身形成共价结合时对配位数的要从杂质原子自身形成共价结合时对配位数的要求能否得到满足来分析半导体的掺杂效果。求能否得到满足来分析半导体的掺杂效果。掺入配位数要求能得到满足的杂质是掺入配位数要求能得到满足的杂质是无效掺杂无效掺杂.掺入配位数要求不能得到满足的杂质才有可能掺入配位数要求不能得到满足的杂质才有可能是是有效掺杂有效掺杂。2、自补偿效应、自补偿效应3、少子寿命控制、少
11、子寿命控制 P+n二极管的关断时间二极管的关断时间太阳电池的短路电流密度太阳电池的短路电流密度寿命在工艺过程中的被动改变寿命在工艺过程中的被动改变(1)在氧化、扩散等高温工艺中被动产生的在氧化、扩散等高温工艺中被动产生的晶格缺陷晶格缺陷和被动引和被动引入的入的深能级杂质深能级杂质,使少数载流子寿命缩短;,使少数载流子寿命缩短;(2)杂质原子与主体原子大小失配,杂质原子与主体原子大小失配,重掺杂时引起缺陷增生重掺杂时引起缺陷增生,使寿命下降。使寿命下降。RFpoffIIt2)(WLLqGJpnsc少数载流子寿命的控制:掺杂和辐照少数载流子寿命的控制:掺杂和辐照 n掺杂:掺杂:能够在禁带中引入深能
12、级的杂质。能够在禁带中引入深能级的杂质。硅工艺中常用的金硅工艺中常用的金(Au)或铂或铂(Pt),同时存在深,同时存在深受主能级和深施主能级受主能级和深施主能级。n缺点缺点:对温度十分敏感,扩散温度稍有变化即引起杂质对温度十分敏感,扩散温度稍有变化即引起杂质浓度及其分布的变化,导致器件特性明显改变。浓度及其分布的变化,导致器件特性明显改变。电子辐照法电子辐照法n辐照的直接后果是产生空位和填隙原子,起复合中心作辐照的直接后果是产生空位和填隙原子,起复合中心作用的主要是点缺陷与杂质的络合物,或复合型点缺陷用的主要是点缺陷与杂质的络合物,或复合型点缺陷(双空位双空位)。n优点优点:(1)引入的引入的
13、复合中心密度复合中心密度取决于辐照剂量,而辐取决于辐照剂量,而辐照剂量可通过粒子束流密度的调控来精确设定;照剂量可通过粒子束流密度的调控来精确设定;(2)可以通过改变粒子的入射能量来控制复合中心的可以通过改变粒子的入射能量来控制复合中心的引入引入深度深度,有利于根据器件特性的需要调整少数载流子寿命,有利于根据器件特性的需要调整少数载流子寿命的纵向分布;的纵向分布;(3)辐照既可对芯片进行,也可在封装完毕并经过初步性辐照既可对芯片进行,也可在封装完毕并经过初步性能测试之后对器件进行;而且,辐照效果既可用多次辐能测试之后对器件进行;而且,辐照效果既可用多次辐照加以累积,也可用退火消除过量的辐照,因
14、而可以一照加以累积,也可用退火消除过量的辐照,因而可以一边辐照,一边测试,把复合中心的密度和分布调整到最边辐照,一边测试,把复合中心的密度和分布调整到最佳状态;佳状态;(4)辐照是一个在低温下进行的并与环境隔绝的过程,不辐照是一个在低温下进行的并与环境隔绝的过程,不附带任何别的损伤和玷污。附带任何别的损伤和玷污。4.2 嬗变掺杂嬗变掺杂 n大功率器件,基于高反压的需要大功率器件,基于高反压的需要,厚度会超过,厚度会超过100 m,最厚的可达最厚的可达1mm以上以上,基于大电流输运能力的需要,其,基于大电流输运能力的需要,其有效面积大。大功率晶闸管的硅片直径一般都在有效面积大。大功率晶闸管的硅片
15、直径一般都在50mm以上,最大容量晶闸管已用到直径超过以上,最大容量晶闸管已用到直径超过150mm的晶体。的晶体。n要求硅晶体的掺杂浓度沿晶锭轴向和径向的均匀分布,要求硅晶体的掺杂浓度沿晶锭轴向和径向的均匀分布,否则,将严重影响器件的特性和生产的成品率。否则,将严重影响器件的特性和生产的成品率。掺杂浓掺杂浓度径向不均匀会使器件的击穿电压就会受浓度偏高区域度径向不均匀会使器件的击穿电压就会受浓度偏高区域过早的雪崩击穿或浓度偏低区域的穿通效应的限制而有过早的雪崩击穿或浓度偏低区域的穿通效应的限制而有所降低。掺杂浓度在晶锭轴向不均匀则会使批量生产的所降低。掺杂浓度在晶锭轴向不均匀则会使批量生产的器件
16、性能分散、成品率降低。器件性能分散、成品率降低。n常规直拉法由于氧、碳含量、电阻率均匀性以及制备高阻常规直拉法由于氧、碳含量、电阻率均匀性以及制备高阻材料的困难等原因,不能满足需要材料的困难等原因,不能满足需要。n大直径的型区熔硅,由于磷的有效分凝系数与晶体生长大直径的型区熔硅,由于磷的有效分凝系数与晶体生长速率有关,晶体制备时熔体温度的不均匀分布引起的生长速率有关,晶体制备时熔体温度的不均匀分布引起的生长速率的不一致,导致区熔硅片中磷杂质浓度的径向不均匀速率的不一致,导致区熔硅片中磷杂质浓度的径向不均匀性性。n杂质浓度更均匀的硅材料依靠一种特殊的掺杂手段,即所杂质浓度更均匀的硅材料依靠一种特
17、殊的掺杂手段,即所谓中子嬗变掺杂(谓中子嬗变掺杂(neutron transmutation doping NTD)技术获得技术获得。nNTD硅现在已在功率器件制造业中广泛采用,也在辐射探硅现在已在功率器件制造业中广泛采用,也在辐射探测器等其他器件和超大规模集成电路中推广使用。测器等其他器件和超大规模集成电路中推广使用。4.2.1 嬗变掺杂原理嬗变掺杂原理n一种化学元素转化为另一种化学元素的现象叫嬗变一种化学元素转化为另一种化学元素的现象叫嬗变(transmutation)。)。n半导体的嬗变掺杂,利用其主体晶格原子对慢中子半导体的嬗变掺杂,利用其主体晶格原子对慢中子的俘获,嬗变为具有施主或受
18、主作用的杂质原子。的俘获,嬗变为具有施主或受主作用的杂质原子。n在同位素原子对中子均匀俘获的情况下。天然同位在同位素原子对中子均匀俘获的情况下。天然同位素在晶格中的分布总是均匀的,因而嬗变掺杂有可素在晶格中的分布总是均匀的,因而嬗变掺杂有可能获得均匀分布的杂质。能获得均匀分布的杂质。硅有硅有3种稳定的天然同位素吸收一个中子后种稳定的天然同位素吸收一个中子后发生的核反应发生的核反应:28Si(n,)29Si 29Si(n,)30Si 30Si(n,)31Si 31P+半导体材料在吸收热中子后发生嬗变反应,半导体材料在吸收热中子后发生嬗变反应,产生两种相互补偿的杂质,产生两种相互补偿的杂质,NTD
19、效率不高效率不高。70Ge(n,)71Ge 71Ga+74Ge(n,)75Ge 75As+76Ge(n,)77 Ge 77As+77Se+受主受主71Ga和施主和施主75As的嬗变产率同数量级,的嬗变产率同数量级,杂质补偿的问题严重。杂质补偿的问题严重。4.2.2 硅的硅的嬗变掺杂嬗变掺杂 1、NTD硅中磷的均匀性硅中磷的均匀性n硅晶体本身对中子的吸收所引起的中子通量硅晶体本身对中子的吸收所引起的中子通量由表及里的衰减,也必然会引起被照晶体,由表及里的衰减,也必然会引起被照晶体,特别是大块晶体中中子通量分布的不均匀特别是大块晶体中中子通量分布的不均匀。n原始材料中固有杂质的不均匀分布,也会通原
20、始材料中固有杂质的不均匀分布,也会通过不均匀的补偿或叠加,直接影响嬗变掺杂过不均匀的补偿或叠加,直接影响嬗变掺杂后的杂质浓度均匀性后的杂质浓度均匀性。中子吸收对中子吸收对NTD均匀性的影响均匀性的影响 以入射通量为以入射通量为 0的中子从的中子从其侧面的均匀辐照,并将衰减其侧面的均匀辐照,并将衰减一维近似处理。设入射面为坐一维近似处理。设入射面为坐标原点,则沿入射方向与入射标原点,则沿入射方向与入射表面距离为表面距离为x的平面上任意点的平面上任意点的中子通量为:的中子通量为:b为入射粒子在硅中的衰减长度。max=0;min=0exp(-d/b)()exp()xxb0 d x 中子辐照 d 图
21、4-5 不旋转硅棒的径向中子通量分布 0 n假定嬗变掺杂的浓度正比于中子通量,那么吸收假定嬗变掺杂的浓度正比于中子通量,那么吸收所引起的中子通量不均匀分布,就会引起硅棒中所引起的中子通量不均匀分布,就会引起硅棒中磷浓度的不均匀分布。定义中子通量的均匀度磷浓度的不均匀分布。定义中子通量的均匀度:n中子通量的均匀度就是中子通量的均匀度就是NTD磷的均匀度。使用杂磷的均匀度。使用杂质的浓度波动质的浓度波动 来描述半导体晶体中杂质分布的来描述半导体晶体中杂质分布的均匀性,其定义及其与杂质均匀度的关系为均匀性,其定义及其与杂质均匀度的关系为:和和 分别表示杂质浓度的平均绝对偏差和平均值,分别表示杂质浓度
22、的平均绝对偏差和平均值,Nmax和和Nmin分别表示杂质浓度的最大值和最小值。分别表示杂质浓度的最大值和最小值。NNminmaxexp()dbNNNNNNmaxminmaxmin11旋转硅棒掺杂均匀性有了明显改善旋转硅棒掺杂均匀性有了明显改善 图 4-6 硅的 NTD 均匀性与硅棒直径和辐照方式的关系 0 5 10 15 0 10 20 30 硅片直径(cm)NTD 杂质浓度波动()a.硅棒不转 b.硅棒旋转 硅中基础杂质对硅中基础杂质对NTD均匀性的影响均匀性的影响 n将将NTD前后硅中施主杂质浓度的最大值之比前后硅中施主杂质浓度的最大值之比f=Nf,max/Ni,max定义为掺杂因子。定义
23、为掺杂因子。n设设NTD具有理想的均匀性,则无论硅中基础杂质是具有理想的均匀性,则无论硅中基础杂质是n型还型还是是p型,其掺杂前后杂质浓度的绝对偏差都完全由基础杂型,其掺杂前后杂质浓度的绝对偏差都完全由基础杂质的不均匀分布引起,不因质的不均匀分布引起,不因NTD而改变,即:而改变,即:n将掺杂因子表示为将掺杂因子表示为NTD前后硅中杂质均匀度前后硅中杂质均匀度 i和和 f 的函的函数,即数,即 minimaximinfmaxfNNNNfi11fn可将考虑了基础杂质的浓度及其波动的可将考虑了基础杂质的浓度及其波动的NTD后杂质后杂质浓度波动浓度波动 f,用,用NTD前的基础杂质浓度波动前的基础杂
24、质浓度波动 i和和NTD前后的平均有效杂质浓度之比表示为前后的平均有效杂质浓度之比表示为:n基础杂质浓度波动为基础杂质浓度波动为 i的硅材料在嬗变掺杂后的电阻的硅材料在嬗变掺杂后的电阻率波动,即可按此式对率波动,即可按此式对n型原始材料和型原始材料和p型原始材料型原始材料分别表示为分别表示为:fiifNNififnifpnipf 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 NTD 硅电阻率波动(%)原始材料电阻率波动(%)i/f=1,p 型 1,n 型 5,p 型 10,p 型 20,p 型 5,n 型 10,n 型 20,n 型 图 4-7 NTD 硅电
25、阻率波动与其原始材料的基础掺杂状态的关系 n为了获得理想的为了获得理想的NTD效果,必须采用电阻率效果,必须采用电阻率比期望值至少高一个数量级且基础杂质的浓比期望值至少高一个数量级且基础杂质的浓度分布尽可能均匀的原始材料。度分布尽可能均匀的原始材料。np型原始材料,对于同样的电阻率期望值和电型原始材料,对于同样的电阻率期望值和电阻率波动允许值,其原始电阻率就要比选用阻率波动允许值,其原始电阻率就要比选用n型原始材料时高型原始材料时高2倍左右。倍左右。氧和碳在原始材料中的含量和分布的影响氧和碳在原始材料中的含量和分布的影响n硅中氧在硅中氧在400500温度范围内可与辐照缺陷形成稳温度范围内可与辐
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