实验12 半导体材料层错、位错的显示及照相通常制造电子器件要求所采用的半导体材料是单晶体，这就要求材料的原子排列应严格的按照一定规律排列。

但由于种种原因，实际的单晶中存在有某些缺陷，位错就是其中的一种。

在硅单晶中，由于种种原因，特别是在高温下材料内应力使原子面间产生滑移，晶面局部产生范性形变，这种形变即形成位错，使得完整的晶体结构受到破坏。

在半导体器件工艺制造中，外延是一项重要的工艺。

外延就是在单晶衬底上再长一层具有一定导电类型、电阻率，厚度的完整晶格结构的单晶层。

在外延生长过程中，原子的排列仍然要按一定的顺序，但是由于种种原因，如样品表面机械损伤，表面沾污气体不纯等，使得外延层原子的排列发生了错排，这种原子层排列发生错乱的地方叫层错，它是一种面缺陷。

一、实验目的1. 掌握半导体材料硅单晶片的位错的显示方法。

2. 掌握金相显微镜的使用方法并了解显微照像的一般过程并对结果进行分析。

*3.掌握半导体材料硅单晶片外延层的层错的显示方法。

*4.学会计算位错、层错密度以及观测外延层厚度的方法。

二、预习要求1. 阅读实验讲义，理解实验原理。

2. 熟悉有关仪器的使用方法及注意事项。

三、实验仪器数码摄影金相显微镜、计算机、打印机、具有位错、层错的样品、*外延硅片等。

四、基础知识位错：位错主要有刃位错和螺位错两种。

所谓刃位错(也称棱位错)，如图1所示，除了在“⊥”处有一条垂直于纸面的直线AD外，原子排列基本上是规则的，原子的位置排列错乱只发生在直线AD附近，我们就说在“⊥”处有一条垂直于纸面的刃位错。

因为在图(1)中由ABCD 所围成的原子平面象一把刀砍入完整晶格，而原子位置的错乱就发生在这把刀的刃AD附近，故取名刃位错。

图2的晶格包含了螺位错。

可以看出，除了在A 点垂直于晶体表面的直线AD附近的区外，原子的排列是规则的，因而在AD处有一条螺位错。

为什么称为螺位错呢？如果在晶体表面任取一点B，使它绕直线AD沿原子面顺时针转动，并保持B点与AD直线的距离不图1 刃位错图2 螺位错变，每旋转一周，B点将下降一个原子点，B点的轨迹是一条螺旋线，所以称为螺位错。

一般情况下，晶体中的位错是刃位错和螺位错这两种简单位错的复杂组合。

这种缺陷不是一个点，而是呈线状。

这种线缺陷不可能在晶体内中止，它只能延伸到晶体表面，或在晶体内形成闭合环，或与其它位错相交。

半导体材料中位错的存在对晶体管集成电路器件的电学和力学性质都有影响。

半导体材料硅是共价键结构，每个原子分别与周围的四个原子共用一对价电子，但是在存在位错的情况下，例如对于刃位错上方的那一系列原子来说，只有三个原子与之形成共价键，因而这些原子的最外层都只有七个电子。

从而可以接受一个电子形成满壳结构，所以位错线相当于一系列受主中心，这些与位错相应的受主能级起着复合中心的作用，因此对载流子寿命有影响。

位错对载流子有散射作用，在低温下，它对载流子的散射作用变得很重要，使电子的迁移减小。

在器件制造工艺中，采用高温下将杂质向晶体扩散的方法形成具有不同导电类型结构的P-N结。

实践证明，杂质沿着位错线的扩散比在完整晶格中要快，从而使P-N结面变得不平整，影响器件的电学性能。

在制造器件过程中，常需要对材料进行化学腐蚀处理以得到清洁、平整的表面。

但是有位错的地方容易化学腐蚀，其速度比完整晶格处要快的多，使腐蚀后的表面不平整。

这是因为有位错的地方原子的排列失去规则性，结构比较松散，在这里的原子具有较高的能量并受有较大的张力，因此在位错线和样品表面的相交处很容易被腐蚀形成凹下的坑。

即所谓腐蚀坑。

当然，我们显示位错也正是利用这个特性，通过适当的化学腐蚀发现并观察位错。

一般器件制造要求单晶材料的位错密度要小于每平方米102个，对于集成电路，特别是大规模集成电路则要求更少。

位错的显示方法有X射线法，电子显微镜法和铜缀饰红外透射法等，最简单常用的是腐蚀金相法，本实验就采用腐蚀金相法。

这种方法的优点是设备简单，其缺点是只观测到与被测点相交的位错线。

* 堆耳层错：我们知道，硅的晶体结构是金刚石结构，如图3所示，在(111) 方向上它的排列次序是：AA ´BB ´CC ´即三个双层密排面一个重复周期。

假设外延衬底表面层的原子是按A 原子层排列，那么按正常次序外延生长的第一层原子应为A ´原子层。

但由于表面沾污、伤痕或晶格缺陷，原子在该处沉积等原因， 使得表面以某一区域出现反常，不是按A ‘原子面排列，而是按B 原子面排列。

以此类推，形成了ABB ´CC ´AA ´...... 的排列，与区域外按正常原子层排列的原子层比较，缺少了一层A ’原子， 这就形成了层错排列，或是在正常排列过程中插入一层原子如AAA ´BB ´CC ´AA ´...... 都可形成层错排列，如图4所示。

在(111)面的生长过程中，原子是按正四面体的排列方式生长的，每个原子和具有不同原子分布的一层中最邻近的三个原子组成正四面体， 于是层错区域就以正四面体的形式逐渐向外展开如图5。

因而层区在表面的边界一般呈正三角形， 而且该界面属于(111)晶面。

因而沿(111)方向， 在外延层中形成以衬底表面上一点为顶点的由(111)晶面族围成的层错区，它是一个倒立的正四面体，如图6所示。

图5 (111)面上硅原子按正四面体排列式生长 图6 外延层中层错区示图将层错正四面体的内部分开来看，原子的排列都是有规律的，但彼此不一致， 在过渡的地方原子的排列是错乱的，三组倾斜的(111)面是过渡界面， 那里的原子排列是不正常的，外延层表面正三角形的三条边上，原子的排列当然是混乱的。

用化学腐蚀液腐蚀外延层表面，(111)面就可以出现正三角形的层错，由于大多数层错起源于衬底表面，因而它的大小与外延层厚度直接有关，起源于(111) 衬底外延层层错面体的高就是外延层的厚度，因此在显示出层错图形后，测量其中最大的三角形边长L ，就可以求出外延层的厚度： L h W ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==36 (1)应当指出：外延过程中也可能出现层错， 所以在测量中应测量大的三角形边长才能得出正确结果。

层错对器件制造工艺的影响和位错相似，可以造成三极管发射区--收集区穿通，也可以不同程度的影响P-N 结的反相特性， 所以一般要求外延层中的层错密度小于102/cm 2，大规A A ' B B ' C C ' 图3 硅原子层正常排列次序示意图 A A ' B B ' C C ' A A ' B B ' B B ' C C ' A A ' B B ' C 图4 原子层排列错乱示意图模集成电路则要求更小。

五、实验原理1.数码摄影金相显微镜及图像采集数码摄影金相显微镜的实验原理、使用方法及图像采集的原理方法参见“实验10”中的相关内容。

2.样品缺陷的显示如前所述，在硅单晶中，有位错的地方其原子的排列失去规则性，结构比较松散，在这里的原子具有较高的能量，并受到较大的张力。

因此，在位错线和表面相交处很容易被腐蚀形成凹下的坑，即所谓腐蚀坑，我们正是利用这个特性来显示位错和层错的。

位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶格有关。

硅单晶(111)晶面上出现正三角形腐蚀坑、(100)晶面上是正方形，(110)晶面上是矩形。

样品表面偏离(111)、(100)、 (110)晶面腐蚀坑形状也将改变，如果偏离角度小于10°，腐蚀的形状将基本上符合上述情况。

所以根据腐蚀坑的形状也可粗略的判断样品的晶面。

腐蚀液的成分对腐蚀坑的形状也有一定的影响，使用的腐蚀液对位错区和非位错区腐蚀速度相差大，腐蚀坑的图形就清晰，因而对于不同的晶面，采用不同的腐蚀液。

硅(111)外延片上的层错显示同样采用腐蚀金相法，使用的铬酸腐蚀液与(111)面位错腐蚀液相同，但是腐蚀时间短，(111)面上的层错和位错图形都是正三角形，但层错是一空心三角形，腐蚀深的部分是三角形的三条边;位错是一实心的三角形，整个三角形内部腐蚀下去，为一三角形凹坑。

* 3.相关计算层错密度的测定方法与位错相同。

根据下列公式计算出位错(或层错)密度：Nns(2)DN层错(或位错)密度，单位为个数/[cm]2。

式中：Dn 被观测面上腐蚀坑的个数(各区平均数)。

S 被观测面的面积。

测量出最大三角形的边，根据公式(1)求出外延层厚度。

六、实验步骤及数据处理1．把样片放入配好的腐蚀液中约一分钟，夹出片子，放入塑料缸内，连镊子一起用水冲洗十次以上，然后夹出放在滤纸上，吸去水滴，即可观测。

2. 打开金相显微镜的电源，将样品置于载物台上，调整粗/微调旋钮进行调焦，直到观察到的图像清晰为止。

3. 调整载物台的位置，找到关心的视场，观察样品的缺陷；4. 显微摄影：利用与金相显微镜相连接的数码相机对显微镜放大的图像进行拍摄。

5. 将拍摄的图片进行存储后利用计算机中的“画图”软件对图片进行处理，然后利用文字处理软件（如word 软件）制作相关文档，并打印输出。

* 6． 根据观察结果计算位错（层错）密度：测定时应在在离样品边沿2mm 以内进行，对于位（层）错分布比较均匀的样品采用五点平均法(图7)；对于位（层）错很不均匀的样品，可采用分区标图法(图8)，每区各取三点，求平均值。

视场面枳的测定：可用一标准网目代替样品放在显微镜样品台上，直接求出视场面积。

由公式(2)求出层、位错密度。

* 7. 取下目镜，换上测微目镜，测出最大层错三角形的边长，计算外延层厚度。

最大层错三角形的边长读数应为：测微目镜读数除以物镜的放大倍数β，所以实际厚度应该是： β⎪⎪⎭⎫⎝⎛==L h W 36 （3） 七、注意事项观测视场内腐蚀坑数目时，如果发现(111) 晶向的单晶片或外延片上出现三角形的一个边或两个边，这同样说明在该处存在一个与表面相交的位错线，都应计算一个坑数。

八、思考题1. 位错、层错各是怎样形成的?它们对器件都有什么影响?2. 采用金相腐蚀法显示和观测层、位错，这种方法的原理是什么?有什么优缺点?3. 试探讨减少层、位错的方法和途径？ 九、参考资料半导体器件工艺原理，厦门大学物理系，人民教育出版社。

金相显微镜使用说明书。

十、附录：各种腐蚀液的配方和用法配制抛光液、腐蚀液腐蚀单晶片及外延片。

抛光液配方：HF ：HNO 3=1：3腐蚀液配方：它的配方很多，举例如下：1．铬酸腐蚀液：适用于(111)面。

首先配好CrO 3标准液，即用50克CrO 3溶解于100CC 的去离子水中，然后与HF 配成下列各腐蚀液：cro 3标准液(50%)：HF(40%)=2：1慢腐蚀速度cro 3标准液(50%)：HF(40%)=3：2中腐蚀速度图7 五点平均法图8 分区标图法cro3标准液(50%)：HF(40%)=1：1快腐蚀速度 (常用第三种配比。