第二章之二晶體缺陷檢測

第二章之二晶體缺陷檢測第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一二、晶體缺陷檢測（一）晶體缺陷檢測的重要性（二）晶體缺陷的種類點缺陷——空位、間隙雜質(zhì)原子（主要）線缺陷——位錯（主要）面缺陷——堆垛層錯、攣晶界、晶界等體缺陷——孔洞、夾雜物等半導(dǎo)體加工過程中的二次缺陷第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一（1）點缺陷

晶格中點缺陷常常是外來原子或雜質(zhì)原子造成的。單晶硅中點缺陷包括：有意摻入電活性雜質(zhì)（如P，B)

控制電導(dǎo)率和導(dǎo)電類型氧，碳，硼雜質(zhì)

來源于氣態(tài)生長、化學(xué)試劑、石英玻璃成為硅體內(nèi)自間隙原子，并誘生出位錯和層錯等缺陷，影響晶體整體完整性、載流子濃度以及少子壽命，并容易導(dǎo)致器件漏電。重金屬雜質(zhì)（Fe,Cu,Ni,Au,Al,Co等)

來源于硅片生長、加工（不銹鋼）、清洗、金屬電極制作過程影響載流子濃度和少子壽命，導(dǎo)致器件失效。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一（2）線缺陷——位錯

位錯是半導(dǎo)體中最主要的缺陷。位錯產(chǎn)生的根本原因是晶體內(nèi)部應(yīng)力的存在，例如在晶體制備、后熱處理等過程中，由于不均勻的加熱或冷卻，晶體內(nèi)部存在應(yīng)力就可產(chǎn)生位錯。除此之外，雜質(zhì)原子引起位錯。刃型位錯后發(fā)生滑移。

刃形位錯形成示意圖滑移面位錯線刃型位錯后發(fā)生滑移附加的原子或者受熱不均第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一位錯形成的一系列透射電子顯微鏡照片第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一（3）面缺陷a.堆垛層錯：由位錯的相關(guān)原子組成的多余原子面。

螺型位錯后發(fā)生堆垛

堆垛層錯通常在外延生長層中觀察到。一般要求外延層中的層錯密度小于102/cm2。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一b.攣晶：從同一個界面生長出兩種不同方向晶體c.晶界：具有很大取向差別的晶塊結(jié)合時產(chǎn)生一個硅圓柱錠的晶界攣晶第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一（三）晶體缺陷檢測方法1、點缺陷的檢測

電學(xué)性能測量——有意摻雜原子濃度的確定

如：電阻率測量，霍爾效應(yīng)測量，對應(yīng)N型或P型摻雜濃度

少子壽命測試——金屬雜質(zhì)分析二次離子質(zhì)譜——金屬雜質(zhì)分析原子吸收光譜——金屬雜質(zhì)分析紅外光譜吸收法——碳、氧雜質(zhì)

紅外光譜：測量C、O、N雜質(zhì)含量第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一利用SIMS進(jìn)行器件失效分析第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一

雜質(zhì)C（替位）的最強(qiáng)紅外吸收峰波長:16.4μm雜質(zhì)O（間隙）的紅外吸收峰波長：9.1μmC吸收最強(qiáng)吸收次強(qiáng)第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一2、位錯和層錯的檢測腐蝕＋金相顯微鏡觀測（簡單常用的方法）

X射線衍射法（精確的方法）

電子顯微鏡

第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一（1）檢測基本原理

在適宜的腐蝕劑中，晶體表面靠近位錯附近的區(qū)域其腐蝕速度要比其它區(qū)域大，腐蝕一定時間后就會形成凹下的坑，即所謂腐蝕坑，利用這個特性可進(jìn)行位錯和層錯的顯示。2.1

腐蝕金相觀察法

由于位錯是一種線缺陷，晶格畸變是沿著一條線延伸下來的，貫穿于整個晶體，終止在表面或形成閉環(huán)，因此在表面的交點是一個點狀小區(qū)域.第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一(100)硅片表面的位錯(111)硅片表面的位錯

（111）面（100）面（110）面

蝕坑是一倒置正四面體（三角錐體）蝕坑是一倒置四棱錐體，從表面看呈實心正方形蝕坑為兩個對頂三角錐體（2）位錯與層錯的腐蝕坑觀察第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一位錯密度

是垂直于位錯線單位截面積中穿過的位錯線數(shù)。多點平均法。圖2.21五點平均圖2.22分區(qū)標(biāo)圖法

（3）層錯、位錯密度的測量第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一2.2

X射線衍射法（XRD）在近完整晶體中，缺陷、畸變等體現(xiàn)在X射線譜中只有幾十弧秒，而半導(dǎo)體材料進(jìn)行外延生長要求晶格失配要達(dá)到10-4或更小。這樣精細(xì)的要求使雙晶X射線衍射技術(shù)成為近代光電子材料及器件研制的必備測量儀器，以雙晶衍射技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的四晶及五晶衍射技術(shù)（亦稱為雙晶衍射），已成為近代X射線衍射技術(shù)取得突出成就的標(biāo)志。純譜線的形狀和寬度由試樣的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶體點陣中的主要缺陷決定，故對線形作適當(dāng)分析，原則上可以得到上述影響因素的性質(zhì)和尺度等方面的信息。第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一檢測基本原理

當(dāng)電子束照到晶體上，除了產(chǎn)生透射束（零級衍射）外，還會產(chǎn)生各級衍射束，經(jīng)物鏡聚集后，在其后焦面形成電子衍射譜像。電子衍射原理與X射線衍射原理相同，遵循布拉格衍射定律，但電子能量高，波長非常短（電子能量越大，電子波長越短。當(dāng)加速電壓為100kV時，電子的波長僅為0.0037nm；當(dāng)E=30KeV時,λ≈0.007nm），衍射角小，因此電子衍射是對晶體二維倒易點陣結(jié)構(gòu)的放大顯示，根據(jù)顯示圖形可以鑒定所觀察晶體的種類、結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等。

2.3

電子顯微鏡法第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一1937年諾貝爾物理學(xué)獎：電子衍射戴維森

G.P.湯姆孫

背景：20世紀(jì)20年代中期物理學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時期。波動力學(xué)已經(jīng)由薛定諤在德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來，和海森伯從不同的途徑創(chuàng)立的矩陣力學(xué)，共同形成微觀體系的基本理論。這一巨大變革的實驗基礎(chǔ)自然成了人們關(guān)切的課題，這就激勵了許多物理學(xué)家致力于證實粒子的波動性。直到1927年，才由美國的戴維森和英國的G.P.湯姆孫分別作出電子衍射實驗。雖然這時量子力學(xué)已得到廣泛的運用，但電子衍射實驗成功引起了世人的注意。貝爾電話實驗室英國倫敦大學(xué)第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一最簡單的電子衍射裝置。從陰極K發(fā)出的電子被加速后經(jīng)過陽極A的光闌孔和透鏡L到達(dá)試樣S上，被試樣衍射后在熒光屏或照相底板P上形成電子衍射圖樣。由于物質(zhì)（包括空氣）對電子的吸收很強(qiáng)，故上述各部分均置于真空中。電子的加速電壓一般為數(shù)萬伏至十萬伏左右，稱高能電子衍射——透射。為了研究表面結(jié)構(gòu)，電子加速電壓也可低達(dá)數(shù)千甚至數(shù)十伏，這種裝置稱低能電子衍射裝置，稱反射電子衍射（RHEED）。第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一自從60年代以來，商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見電子顯微鏡），而且可以利用試樣后面的透鏡，選擇小至1微米的區(qū)域進(jìn)行衍射觀察，稱為選區(qū)電子衍射。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一（a）非晶（b）單晶（c）多晶（d）會聚束硅單晶圖6.16典型電子衍射圖第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一在位錯存在的區(qū)域附近，晶格發(fā)生了畸變，因此衍射強(qiáng)度亦將隨之變化，于是位錯附近區(qū)域所成的像便會與周圍區(qū)域形成襯度反差，這就是用TEM觀察位錯的基本原理，因上述原因造成的襯度差稱為衍射襯度。電子衍射作用遠(yuǎn)比X射線與物質(zhì)的交互作用強(qiáng)烈，因而在金屬和合金的微觀分析中特別適用于對含少量原子的樣品，如薄膜、微粒、表面等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的位錯位錯的透射電子顯微鏡照片中間稍亮區(qū)域（晶粒）里的暗線就是所觀察到位錯的像。第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一光學(xué)顯微鏡（助教內(nèi)容）結(jié)構(gòu)和原理光學(xué)顯微鏡的性能參數(shù)光學(xué)顯微鏡的使用第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一1、顯微鏡的構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng):物鏡,目鏡,反光鏡,聚光器,虹彩光圈.機(jī)械系統(tǒng):鏡座,鏡柱,鏡壁,鏡筒,物鏡轉(zhuǎn)換器,載物臺,調(diào)焦螺旋,聚光器調(diào)節(jié)螺旋第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一2、顯微鏡的性能參數(shù)

放大倍數(shù)幾何光學(xué)的缺陷顯微鏡的分辨率顯微鏡的景深物鏡和目鏡的測微尺第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一

金相顯微鏡，是專門用于觀察金屬和礦物等不透明物體金相組織的顯微鏡，即反射式顯微鏡。它是鑒別和分析各種金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)及缺陷的專業(yè)儀器。放大倍率100～1500倍。3、金相顯微鏡第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一電子顯微鏡種類(自學(xué)）透射電子顯微鏡(TEM)掃描電子顯微鏡(SEM)掃描隧道電子顯微鏡(STM)原于力電子顯微鏡(AFM)

第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一

真空系統(tǒng)光學(xué)顯微鏡透射電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一分辨率放大倍數(shù)0.1－0.2nm106數(shù)量級以上。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一透射電鏡實物圖片第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一2、掃描電子顯微鏡(SEM)第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡的性能比較顯微鏡的分辨率：d＝0.61×λ/（nsinα）第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一3、掃描隧道電子顯微鏡(STM)掃描隧道顯微鏡(STM)是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。掃描隧道顯微鏡可以定位單個原子，使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。它于1981年由IBM蘇黎世實驗室的兩位研究者發(fā)明，兩位發(fā)明者因此榮獲了1986年諾貝爾物理學(xué)獎。此外，在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，可以在各種樣品表面上進(jìn)行直接刻寫、光刻以及誘導(dǎo)淀積和刻蝕等，因此它是納米科技重要的測量工具和加工工具。第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一

用STM移動氙原子排出的“IBM”圖案用掃描隧道顯微鏡拍攝到的電子圖像第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一

STM主體的主要部分是極細(xì)的探針針尖。工作時，探針針尖和被研究的樣品的表面是兩個電極，使樣品表面與探針針尖非常接近，并給兩個電極加上一定的電壓，就會形成隧道電流，二者的間距不同，隧道電流大小也不同。通過電子反饋電路控制隧道電流大小，探針針尖在計算機(jī)控制下對樣品表面掃描，同時記錄下掃描樣品表面的原子排列圖象。第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一4、原于力顯微鏡(AFM)

原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)，是由IBM公司的Binnig與史丹佛大學(xué)的Quate于1985年所發(fā)明的，其目的是為了使非導(dǎo)體也可以采用掃描探針顯微鏡（SPM）進(jìn)行觀測。

AFM是一種利用原子、分子間的相互作用力來觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術(shù)，是一個表面仿型(profile)機(jī)器，能夠掃描表面的三維圖像。第三十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期一顯微鏡有一根納米級粗細(xì)的探針，被固定在