1、UDC .9.7821820.191/.192 GB 中华人民共和国国家标准硅材料原生缺陷图谱1187-06-25发布1988-03-01实施国东标3位后岛发布中华人民共和国国家标准硅材料原生缺陷图谱UDC 髓9.782:620 .191/.192 GBn 266-87 本标准规定了硅多晶、单晶、切剧由片和外延片等硅材料的各种原生缺陷及其密切相关的某些诱生缺陷的形貌特征。本标准适用硅多岛、单晶、切磨抛片和外延片等硅材料生产研究中各种缺陷的检验。硅器件、大规模和超大规模集成电路的生产研究也可参考本标准。本标准中所用图(片).请见中国有色金属工业总公司标准计量所所印制的照片。1 硅多晶结构的不完整
2、性1.1 多晶的外观形态由三氯氢硅(SiHC1a)或四氯化硅(SiC14)氢还原法和硅皖(SiH4)热分解法生长的硅多晶i表面致密度和晶粒大小，因生长条件的差异有所不同(见图1-8)。一般来讲，沉积速率过快，温度过高i易造成颗粒粗大。1.2温度圈1. 2.1 特征硅多晶横断面上i晶粒呈枝蔓状或径向辐射生长见图9-11)。但有时可以观察到以硅芯为中心的年轮状结构i称为温度圈见图12-16)。它是由于结晶致密度付旨SiHCla或SiC14氢还原法人晶粒大小不同或颜色的差异而形成。严重的温度圈易形成疏松的夹层。1. 2.2 产生原因氢还原或热分解反应过程中，较大幅度的温度波动，使硅棒表面气相沉积速率
3、不同所致。1. 2.3 对单晶制备的影响严重的温度圈因为形成疏松夹层，在其内部容易存在气泡和携带杂质，给单晶制备前多晶料的清洁处理带来困难;并成为单晶中杂质的污染源。特别是生长区熔单晶时，会使熔体产生抖动，严重时还会发生硅眺，影响晶体正常生长。1. 2.4 消除方法严格控制硅多晶生长时的反应温度j一般SiHC13、SiC14氢还原和SiH4热分解法的反应温度应分别控制在1050-1150C、1100 - 1150 c、800-850C为宜。温度波动最好不超过:i:20C。此外，在SiH4热分解反应中，还应控制好气体的流量。1. 3 氧化夹层1.3.1 特征氧化夹层的特征与温度圈相似，呈同心圆层
4、状结构，并以氧化硅为界限。由于氧化程度的不同;氧化硅的颜色可能呈灰白色、棕黄色或深褐色等(见图17-19)。1. 3.2 产生原因反应气体或反应系统中，残留有较多的水分或空气，高温下发生氧化反应，生成的氧化硅附着于硅棒表面i随后在被氧化的表面上继续生长硅多晶，形成了氧化夹层。1.3.3 对单晶制备的影响在区熔或直拉法生长硅单晶之前，多晶的酸洗清洁处理，不能彻底将氧化夹层腐蚀掉。晶体生长时，由于氧化硅的熔点高于硅的熔点，因此在硅熔体上易形成浮渣，在区熔法生长单晶时，往往飘浮在圄液界面附近的熔硅表面，使单晶生长无法进行。中国有色金属工业总公司1987-01-27批准1988-03-01实施GBn
5、266 -8 7 1. 3. 4 消除方法严格控制还原用氧气的含水量，保证使蹲点低于-50cC，氧气的含氧量应小flppm。反应系统理有良好的气密性，无漏水、渗水现象。Jf炉前应将系统F燥，把残留空气驱除r净。1. 4 裂纹1. 4.1 特征硅多品棒表面或横断面L可以观察主IJ裂纹(见图20-23)。1. 4.2 产生原因还原反应过f!，1，如果硅棒的t心和地缘之1l的温度是过大，就会产生较大的热应力而引起裂纹。特别是生长大直径的硅棒时，裂纹现象更容易产生。此外，反应结束时降面速度过快或在反应过程中突然断电都可能引起裂纹。1. 4.3 对单晶制备的影响与i面度阁的情况类似，清i市处理肘，不坞将
6、夹带的杂质彻底消除碎，因此自接影响到日:前品的质埠。在以熔法生长1在品时，fUl导致.Jt书;陆iV，使晶体生长过l被.l8111二。1. 4.4 消除方法1(1全较小的硅多品棒，只费反归结束肘降汹地!支付t，娃，阳JI:t!l遮断ft!.，般不会发生裂纹。大jt径硅棒应考虑反应炉内噎抛光，f由Jj:jd山11用飞车办此，减小&r.系统!坷的温度梯度，可以防止裂纹现象。1. 5 夹杂物1. 5. 1 特征硅多晶巾含有非硅元素或化合物的军民和:状物质科:;XJ夹杂物。!但1日电r-u针和透射屯f显微镜分析，发现硅多品rjl有SiC和.SiC夹杂物，凡、1从几个微米多IJ30m(见罔24-28)之
7、间。在SiH4法生长的硅多品rt除SiC夹杂物外，还可能有SiN4夹杂物。1. 5. 2 产生原因吗反应气体rfl含布CH4、CO、CO2、NH3寺杂质气体肘，还原反应过flrl就可能使成SiC、Si :lN4哼颗粒，成为硅多品巾的夹杂物。1. 5.3 对单晶制备和晶体质量的影响SiC的熔，llj =-f二硅的熔点，在熔硅11不易熔解。在晶体生长时，tl1 r附体的热对流和!旋转对流放j情休rf的颗粒状SiC被卷带到同液交界面处，如果长人单品11 , !JX; XJ 1(1. /1川l的夹杂物，(Wf:影响到剖;单品的质量。1. 5. 4 消除和抑制措施采取布放的分离提纯技术，去除反应气体rf
8、含碳、含氮的杂质气休。1. 6 断面孔洞陡多品槌断而l二的孔桐，多是同郎以域撮度过高和发热体熔化所敢i见阁29-31)。2 硅单晶晶体缺陷2. 1 立错fili恨自占虽然已祭文:现Jr.话也辰，但晶体内仍布-.也数量的位错存在。此外，硅片在外延处长和硅得付市iJ备过Nljl，叶lf各种原因，也会引人大量fiIt击。因此，位错是硅材料1/1-种最常见基本缺2. 1. 1 位错形态及分布选择适当的腐蚀剂，对灿!挤在面jillfj忏优腐蚀，在位错表面露头处，可以接心iViljIMH刊i关特i形态的ftfii蚀坑。典7rltirfI蚀.r/L在:111)riD I-:.三角形见图32) : 100)面
9、Llj形(见闻41) 而:110 )而!二日菱形(见闻5日。山、时旨出，位错蚀坑的形态还与fft错线走向、品!问偏离皮、腐蚀剂种类、腐蚀时间、腐蚀液的1liJ监牢因素有关。实际|二观察到的TI:铺蚀坑形态是多种多样的(见闻32GBn 266 -8 7 -58)。应用红外显微镜和X射线形貌技术可以更清楚地观察到位错线形态以及它们在晶体内的分布(见图59-63)。硅单晶横断面位错蚀坑的宏观分布可有下列几种组态za. 位错均匀分布。b. 位错排是位错蚀坑的某一边排列在一条直线上的一种位错组态(见图64-73)，它是硅单晶在应力作用下，位错滑移、增殖和堆积的结果。硅单晶的滑移面为111)面，滑移方向为
10、方向。因此，不论在111)面、100)面还是110面上，位错排都沿着方向排列。C. 星形结构是由一系列位错排沿方向密集排列而成的。在111)面上，星形结构里三角形或六角形组态，在100面上，呈井字形组态见图74-78)。d. 硅晶体中相邻区域取向差别在几分之一秒到一分(弧度的晶粒间界称为小角度晶界。在111 )面t小角晶界呈现为f.q-.错蚀坑以角j页底的方式亘线排列，而在100)面二，flI锚蚀坑则以角I员角方式r线排列见阁79-84)。2.1.2位锚产生原因在硅单晶生长H始，由中f晶巾原有位错丰n轩品熔接51人的位错，在生长的晶体lil会继续延伸，在晶体生t走过程巾，t晶被界面附近落人不溶
11、|叫态颗粒，也易引人位错，尤其当热场温度梯度较大，在晶体11I产生较大的热应力时，更容易产生位错并使其增殖。2. 1. 3 无位错硅晶体的生长实现硅单品的兀位错生长，首先要采用缩颈方法防止籽晶中原有位错和籽晶与熔体熔接引人的位销向晶体rj1延伸，其次调节热场，选择合理的晶体生长参数，维持恒定的固液界面形状，最后要特别防止不溶阳态颗粒落人阻液界面等。2.2 层锚区错系指晶体内，原子乎面的堆垛次序错乱形成的一种面缺陷。硅单晶的层错面为111面。2.2.1 层锚的腐蚀形态应用化学腐蚀方法显示硅单晶中的层错时，有时可以观费到沿方向腐蚀沟槽，它是层错面与观察表面的交线。在111面上，层错线相互、严行或成
12、600，1200分布，100面上的层错线相互、严行或垂直(见图85-9日，在层错线两端为偏位错蚀坑。2.2.2 层错产生原因在目前艺条件下，原生硅单晶中的层错是不多见的。一般认为，在单晶生长过程中，回态颗粒迸人间被界面，单晶体内存在较大热应力，固液界面附近熔体过冷度较大，以及机械振动等都可能成为产生尽情的原因。2.3 微缺陷做缺陷是无位锚区熔和L拉硅单晶rjJ常见的A类k要缺陷。因为它们的尺寸很小，1盖在微米放量级范围内，故通称为微缺陷。2.3.1 微缺陷的形态和分布硅单晶rtl的微缺陷.经择优化学腐蚀后在横断面七往往里均匀分布或组成各种形态的宏观旋ir;吃纹，后者也称旋涡缺陷见图96-111
13、)。在显微镜下微缺陷的微观腐蚀形态为浅底腐蚀机!此腐蚀小j(见阁112-121)。在硅单晶的纵圳面上，微缺陷通常呈层状分布(见闻122)。cz硅单晶巾的橄缺陷，因为它的应力场太小，往往需热氧化处理，使做缺陷缀t船长大或转化;/-)氧化层销或小位锵环后，才可用择优腐蚀方法显示(见图23-150)。因此，热氧化是检验cz陡坡品l!微缺陷的标准方法。扫描电子显微技术、X射线形貌技术、红外显微技术都可以用来研究微缺陷及其空间分布(见闻151 -165)。3 GBn 266-87 2.3.2 微缺陷的结构区熔单晶中微缺陷通常是尺寸不同的两类缺陷组成，尺寸较大的一类称为A型微缺陷，尺寸较小的a类称为B型微
14、缺陷。TEM观察结果证明，A型微缺陷是由间隙型的位错环、位错环团以及堆垛层错等缺陷构成。在这些缺陷t面，还可能有杂质缀饰着，这些已被确认。B型微缺陷的本质，目前还不十分清楚。直拉单晶中的微缺陷情况比较复杂。TEM观察到在原生直拉硅单晶中，存在着类似区熔单晶A型微缺陷的间隙位错环、位错环固和小的堆垛层错等构成的微缺陷，以及板片状Si02沉积物见图166-172) ，退火cz硅单晶中的微缺陷为体层错、氧沉淀物及沉淀物-位错-络合物等见图173-177 )。2.3.3微缺陷产生原因和施局缺陷控制措施:熔硅单晶中的微缺陷是在晶体生长冷却过程中，由过饱和的热点缺陷聚集或者它们与杂质自锵合物凝聚而成的间隙
15、型位错环、位错环团及层错等。cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成的。通过仔细地调整热场，使之具有良好的轴对称性，控制生长条件，减小热对流影响，就能防止发生回熔现象，有利于消除旋涡缺陷。位错可消除或抑制微缺陷的产生见图178-181)。2.4 雾缺陷抛光后的硅片经过热氧化处理和化学腐蚀后，其表面上有时会出现一种高密度的微缺陷，由于漫反射，在微缺陷密集的区域呈雾状，故称为雾缺陷。2.4.1雾缺陷的特征雾缺陷微观上为高密度的浅蚀坑(见图182-186)。宏观上，氧化可能呈较均匀分布或各种旋涡花纹图样分布。雾缺陷是一种近
16、表面缺陷，具奇较高的热迁移率和对晶格应力的高敏感性，容易被其他缺陷吸收。所以，氧化雾缺陷的宏观分布将会受到其他晶体缺陷的制约(见图187-189)。2.4.2雾缺陷的产生和消除方法许多研究证明，雾缺陷的产生是与热处理等工艺过程中重金属杂质(铜、镇、铁、钻等)的污染有直接关系。因此，加强空气净化，避免硅片沾污是消除雾缺陷的主要措施。另外，利用背面损伤等外吸除技术(和氧的本征吸除技术可有效地防止雾缺陷发生。2.5 杂质条纹杂质条纹是硅单晶中一种常见的宏观缺陆，它表征硅单晶中，不同区域杂质浓度存在明显的差异。2.5.1 杂质条纹的形态和特征杂质条纹有一定的分布规律。在垂直生长轴方向的横断面上，杂质条
17、纹多呈环状或条纹状分布，在乎行于生长轴方向的纵剖面上，杂质条纹呈层状分布。杂质条纹的形状反映了固液界面的结晶前沿形状(见图190-201)。2.5.2 杂质条纹产生的原因晶体生长时，由于种种原因，或引起固液界面附近的温度发生微小的变化，由此导致晶体微观生长速率的起伏，或者引起杂质边界层厚度起伏，以及小平面效应等，均使晶体和熔体之间的杂质有效分凝系数产生波动，引起晶体中的杂质浓度分布发生相应的变化，从而形成了杂质条纹。2.5.3 杂质条纹的消除与抑制调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中心轴同轴，抑制和减弱熔体热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。采用磁场拉晶工艺或在无重
18、力作用的太空拉晶有可能完全消除条纹。2.6 硅单晶中杂质富集缺陷2.6.1 管道8. 在硅单晶中，形成贯穿晶体纵向的杂质富集区称为管道见图202-206)。b. 生长晶向无位错硅单晶时，固液界面处往往会出现(111)小平面。(11)小平面的GBn 266-87 出现是由于Jackson因子2之故。小平面的具体情况与籽晶取向及固液界面的形状有关。由于011) 小平面和其他部位生长速度的差异，使011)小平面处杂质有效分凝系数显著变大，在晶体中形成啻道。管道多发生在重掺硅单晶中。2.6.2 杂质富集a. 杂质富集常见于重掺杂单晶的尾部，用化学腐蚀法显示的杂质富集如图207-216所示。b. 在生长
19、重掺杂硅单晶时，如果杂质在硅中的分凝系数K。2.7辈晶2.7.1 孪晶的构成孪晶是由两部分取向不同，但具有一个共同晶面的双晶体组成。它们共用的晶面称孪生面，两部分晶体的取向以孪生面为镜面对称;且两部分晶体取向夹角具有特定的值。硅晶体的孪生面为111 面(见图220-229)。2.7.2 孪晶生成原因晶体生长过程中，固液界面处引人固态小颗粒，成为新的结晶中心并不断长大形成孪晶。此外，机械振动、拉晶速度过快或拉速突变也可促使孪晶的形成。2.8嵌晶硅晶体内部存在与基体取向不同的小晶体晶粒称为嵌晶(见图230-231)。嵌晶可为单晶或多晶。在一般拉晶工艺条件下，嵌晶很少见。2.9 夹杂物由外界或多晶引
20、人熔硅中的固态颗粒，在拉晶时被夹带到晶体中形成第二相称为夹杂物。应用电子探针和扫描电子显微镜观察到直拉和区熔硅单晶中，存在-SiC和-SiC颗粒，其尺寸由几个微米到十几个微米(见图232-236)。2.10手Ii同硅单晶中存在的近于圆柱形或球形的空洞。在硅单晶机械加工时，硅片上所见到的圆形孔洞，大的孔洞直径有几毫米见图237-238)。2.11 氢致缺陆氢致缺陷是在氢气或含氢气氛下生长的区熔硅单晶中特有的一种晶体缺陷。在经过600-1000C 热处理后的晶镜中常常观察到这种缺陷。2.11.1 氢致缺陷的特征氢致缺陷是由裂缝及周围的压印棱柱位错所组成。因晶体生长条件和热处理条件专因素不同，氢致缺
21、陷的尺寸和腐蚀形态有很大区别。有的单晶经化学抛光处理后可看到大小不一的蚀坑(见图239-242)。如将单晶进行机械抛光，并用Sirtl腐蚀，显微镜下可观察到双排蚀坑，它们是由裂缝处沿方向发射一系列棱柱位错组成(见图243-248)。尺寸微小的一类氢致缺陷，腐蚀后宏观上呈旋涡条纹或均匀分布见图249)，微观上是小黑点，密度较高。在红外显微镜下，裂缝呈条状或叶片状见图250-Z51)。应用X射线形貌技术观察，氢致缺陷呈雪花等形态(见图252-254)。2.11 .2 氢致缺陷的形成原因在氢或含氢气氛下生长的区熔硅单晶中，溶解有大量的氢，当晶体冷却到室温，硅申氢呈高度过饱和状态，并与硅形成Si-H键
22、。在随后的热处理过程中，Si-H键断裂，氢在硅中脱溶析出，聚集成具有一定尺寸原子团，同时对周围的硅点阵产生压应力导致位错环形成并以氢原子团为中心沿GBn 266-87 方向发射棱柱状位错环。2.1 1.3 氢致缺陷的抑制单晶生长时，采用较快冷却的方法(如加大氢气流量)，抑制氢原子聚集成团，使氧原子较均匀地分布于硅晶体中。另外，可采用使硅片快速推进尚温民进行预热处理，使微小氢原手回溶解并扩散出硅片表面。经此种工艺处理后的硅片，在随后的器件工艺中不再产生可观察到的氧玫缺陷。3 硅片加工缺陷3. 1 刀痕刀展是硅片切割加工时在硅片表面遗留下的切割痕迹。严重的刀痕形成一系列凹凸相间圃弧形沟槽，困弧的半
23、径与切割刀具半径相同见图255-257)。切片机有较大的机械振动，刀片安装不、严艳，刀口处金刚石涂层及进刀速度不均匀都会使硅片上留F明显琅迹。3.2崩边和缺口崩边是不贯穿硅片前、背表面的局部边缘破损(见图258)。缺口是贯穿硅片前、背表面的局部边缘础损见阁259-260)。切片机有较大的机械振动、刀具摆动或研磨时硅片承受压力不均匀以及操作不当等原因都可能造成崩边或缺口。缺口-般沿硅晶体解理面发生，并常伴有裂纹。3.3 裂纹裂纹是硅片t不贯穿整个表面的裂瘾。裂纹容易沿晶体解理面产生，故在:111面t裂纹里一字或y字形，100:面k里一字或十字形(见阁261-263)。磨片过鸭巾，硅片局部受力不均
24、匀，是远成裂纹的主要原因。3.4划道和拉丝(擦伤)划道系指在研磨和抛光工艺过程中，在硅片表面t:出现宏观无规则的浅沟(见图264)，它们是由7磨盘质量不佳戎磨料和抛光液中混有较大的硬质颗粒造成的。拉丝擦伤)是指在经过严格清洗处理的抛光面上，所见到的一些无规则轻微的划痕见图265-266)。拉丝通常是由于抛光环境不够洁净，抛光液中棍有微小颗粒造成的。3.5 塌边塌边是抛光r艺巾，在硅片边缘区域形成斜搜状加工缺陷(见图267)。它是由于抛光布太软，抛光速度过慢，抛光时间过*以及抛光前的化学腐蚀时边缘减薄量较多等因素所致。3.6 亮点亮点是指lf磨或抛光时硅片:jiJ观察到的孤立小亮点见图28)。亮
25、点的大小、数量不等。亮点是lff磨戎抛光不光份，吱阳下来的吨，嗖孤1:机械损伤点。3.7 波纹和平整度波纹是指硅片抛光表面jJ二遗留F的种宏观波纹状起伏。波纹表征抛光表面不平整，在荧光灯-F根据灯影是否、ItJ:枪奇书艳度或利用激光1:陆条纹来评价硅片表面平整程度见图269-271)。化学减薄时，腐蚀液定向流动，抛光过和tjl碌片停转等因素都可能造成波纹。3.8 桔皮在显微镜F观察到抛党表面呈现大面积类似桔皮状粗糙表面称桔皮。桔皮是由于化学减薄不均匀，抛光液pH直不合适，抛光片旋转不均匀等因素引起的。3.9 凹坑和IJ1.凹坑指硅片抛光表面上的一种凹陷，具有才立的f状。小丘系指硅片抛光表面存在
26、的不规则突起，又叫做台阶。3. 10 抛光雾硅片抛光表面七如存在高密度的凹坑、小丘和拉丝等缺陷时对强光发生漫反射而呈现出的一种GB. 1-1 宏观雾状缺陷，称做抛光雾.抛光表面氧化也呈雾状j但进一步抛光可去除见图272)。1.11 残留机械损伤残留机械损伤是经过切、庸、抛加工之后，在硅片表面残留下来的机械损伤。残留机械损伤与整个硅片加工过程有关，但主要是因抛光不充分，机械损伤层未完全去掉所致.残留机械损伤在高温氧化过程中将诱生出氧化层错等二次缺陷，通常用氧化层锚的密度来检测硅片抛光质量见图273-288) 0 1.11 囊面沾污硅片抛光后清洁处理不彻底而在抛光表面残存如水迹、溶剂等有机物质以及
27、外界引人的各种沾污如尘埃、指印等称为表面沾污见图289-294)0 4 硅外延缺陷.1 外延位铺外延位错是外延工艺中产生的位错，它是外延层中常见的一种缺陷.1.1 外延位锚的自蚀形态及分布应用化学腐蚀方法，在显微镜下观察到的外延位错蚀坑形状及分布与原生硅单晶位错类似。a. 在显微镜下整个外延层上常常观察到位锚蚀坑里较为均匀分布，并常伴有外延层错见图295-297)。It. 滑移线是外延层表面上，沿滑移方向延伸的直线，它多为贯穿整个表面的直线见图298) 0滑移线是由位锚源在应力作用下产生大量位错并不断沿方向滑移出硅片表面而形成的。在显微镜下，它的微观结构是由许多台阶组成的滑移带.外延片上的位锚
28、排是位错蚀坑的某一边沿方向排列在一条直线的一种位错分布组态(见图299)-o它是因为由同一位错源产生的位错滑移运动受阻，位错堆识而成。c. 外延片上的星形结构是由大量位错排组成的一种位错宏观分布，多数是由于衬底的残留机械损伤和较大的热应力引起的.1.2 外延位错产生原因外延位错一般是由于衬底内位错向外延层延伸，或由衬底表面机械损伤等硅片加工缺陷，在热应力的作用下产生大量滑移位错。另外，因外延层与衬底界面处的晶格失配，也可产生失配位错。.1.1外延位铺拥制方法选用无位错硅单晶制备衬底，提高衬底加工质量，避免一切可能的加工缺陷，合理控制外延生长的升降温速率，减小衬底径向温度梯度等，都可减少或抑制外
29、延位错的产生。.2 外延层铺外延工艺中产生的层错称为外延层错。外延层错是本征层错，柏格斯矢量为专。外延层错是外延层中主要缺陷之一。.2.1 外延层锚的形态经择优化学腐蚀后，在显微镜下可观察到各种形态的外延层错。在(111)外延片L外延层错里正三角形、V字形、一字形或多边形的扁蚀槽见图300-304)。而在(100)外延片上，外延层错为正方形、L字形、一字形或多边形的腐蚀槽见图305-30的。如用干涉相衬显微镜，不需化学腐蚀，可直接着到外延层错。.2.2外延愚铺产生原因外延层锚多成核于衬底表面.衬底中的各种晶体缺陷，衬底表面机械损伤以及外来沾污等都可能成为外延层锚成核中心见图307句311)0此
30、外，当外延生长温度偏低，生长速率过快或温度起伏较大而产生热应力等因素都将促使外延层锚密度的增加。外延层错随着外延层的生长而长大。7 GBn 288-87 4.2.3 减少和消除外延层锚的方法消除外延层错最根本的方法是提高衬底表面的抛光质量，减少残存的机械损伤和避免外来沾污。在工艺上，外延生长前对衬底表面进行HCl或HBr气相腐蚀抛光，i是减少外延层错的有娘方法。另外，提高反应剂和氢气的纯度以及反应系统的洁净度，都有助于减少外延层错。4.3 棱锥棱锥又有、角锥，为外延层表面的一种突起物。在(11)面外延层上，一个棱锥一般由三个孪晶四面体组成，并常与一个外延层错相联系，两者相对转过60。角(见图3
31、12-322)。棱锥一般认为是由外延层与衬底界面处各种不完整性引起的。衬底表面存在杂质沾污或反应系统漏气等导致外延各向异性生长，形成棱锥。外延生长速率过快!或衬鹿晶向偏离度很小方向偏离3 -5。等措施都可减少棱锥的产生。4.4乳突乳突为外延表面上一种尺寸较大的突起物。在乳突的顶端多为一棱锥见，圄326-321)。可见，乳突的形成是由棱锥生长引起的。乳突的产生原因和消除方最同棱锥。4.5层错阴影(月芽、鱼尾等当外延生长表面偏离(111)面较多时，在沿着外延层错一定方向的表面上，产生形如月芽、鱼尾等形状的凹沟，统称层错阴影。这种缺陷有许多变态，都是由于外延层错姑碍生长前沿二、维推进而产生的。层错阴
32、影的方向、形状与衬底取向有密切关系。掏深与外延层厚度成正比，晶向偏离角度越大，阴影越长，衬璇接近正(11)面时，阴影即会消失。1.6 多晶点多晶点是由外延层表面上形成的多晶颗粒构酷的乓:如外延缺陷见图328-330)。它是由衬底表面的杂质颗粒或外延生长时发生氧化而生成的。加强衬底洁净处理，防止氧化气氛进入反应系统，可防止多晶点产生。4.7 氧化自雾氧化白雾是指外延层表面不经化学腐蚀，直接观察到的一种自雾状宏观缺陷。在显微镜下是由高密度的棱锥、乳突、多晶点等缺陷组成的(见图331-340)。产生原因和消除方法与棱锥、乳突、多晶点等相同。4.8雾缺陷外延层表面经择优腐蚀后，有时可观察到宏观上呈云雾
33、状的缺陷，在显微镜下是由密度极高的小浅蚀坑组成，故称为雾触陷见图341-343)。一般认为雾缺陷主要是因为高温外延生长时外来金属杂质污染引起的。污染可能来自反应系统、石墨基座、反应气体和环境等。因此，消除外界杂质污染源或采用吸除技术，可以有效地减少或消除雾缺陷。4.9 取向平台取向平台为一种平台状的凸起，多发生在取向外延飞片的边缘。由于111)面腐蚀速度最慢，在化学气相腐蚀时，如果在衬底边缘处出现正(11)面，坦露区就会因腐蚀慢而成为凸起的平台，外延生长后发展成取向平台。4. 10 雪球和钉外延生长时，由于球形杂质颗粒在外延层上滚动而形成的缺陷称为雪球。它包括杂质颗粒及其滚动的痕迹(见图344
34、)0 钉是外延层表面一种浅凹陷沟。它是在外延反应下，被态杂质在表团运动留下的痕迹。雪球和钉在外延生长时很少见，只要严格工艺操作均可避免。8 GBn 266-87 4.11桔皮桔皮系指外延表面粗糙不平整的一种表面缺陷。桔皮与衬底表面的桔皮缺陷有关。4.12 麻坑外延层表面局部温度过高而形成的小凹坑称为麻坑见图345-346)。4. 13 沾污不洁净工艺操作，在外延层表面引人各种杂质沾污见图347-348)。9 GBn 2.7 附录A部分缺陷的影色照片(补充件照片见中国有色金属工业总公司标准计量所所制照片(图Al-图A94)。10 81篝优化学自蚀法81.1 方法摘要GBn 288-17 附录B硅
35、晶体缺陷的检测方法补充件硅晶体中缺陷周围存在着能量较高非均匀分布的应力场。在择优化学腐蚀液中，缺陷处的腐蚀速率不同于晶体完整部分。因此i往往形成有一定结晶对称性的腐蚀图形。腐蚀图形的形态与晶向、缺陷类型及选用的腐蚀液种类密切相关。根据金相显微镜下观察到的腐蚀图形和数量，可以判断缺陷的种类和计算其密度。这种方法直观、迅速、灵敏，并且设备简单，操作方便，在科研和生产中被广泛地果用.81.2样晶制备 样品切割与研磨方法是将待测晶体沿垂直生长轴方向切割厚度1- 2 mm的样片，然后在观察表面用粒度28-42m的金刚砂研磨，使表面平整无划痕，去除油污后，再用去离子水冲洗F净。b. 清洗后的样品，进行化学
36、抛光或机械抛光，淌除表面损伤层并获得一个半整光亮的镜面。化学抛光被配比为2BF (42 %) : HN 03 (65 %) = 1: (3 - 5) (体积比抛光时间侬具体条件而定，大约1.5-5min。抛光过程中要不停地晃动样品。选择适当的抛光接用量，整个抛光过程中温度不要太高，保持样品不暴露于空气，防止其氧化。抛光后的样品用去离f-水彻底清洗干净。c. 抛光后的样品要进行缺陷的化学腐蚀显示。但对于某些硅单晶缺陷和硅片加王缺陷，有时需经高温水汽氧化处理后，再进行化学腐蚀显示。水汽氧化温度一般选用llOOC，时间1-2h，二氧化硅层的厚度为6000- 8000 A 0 81.缺陷的化学自蚀显示
37、 根据样品的晶向和所要观测的缺陷类型，选择适当的腐蚀液，将抛光的样品浸于选定的腐蚀液中，按一定的条件温度、时间、搅拌等进行缺陷的化学腐蚀显示。腐蚀好的样品，纯严格的清洗、干燥后，在金相显微镜下观察缺陷的形态并进行计数。I. 根据样品表面积确定腐蚀液的用量，一般每平方厘米需腐蚀被约为2m1Q c. 几种需常用的腐蚀被如表B1 0 81. 杂质条纹的显示方法 根据电化学原理，在特定的溶液中，硅的电极电位除与掺杂类型有关外，还与电活性杂质的浓度有密切关系。一般来讲，在酸性溶液中，N型杂质浓度高的区域电极电位低，而P型杂质恰恰相反。如果硅样品存在杂质浓度不均匀的区域，它们在某种化学腐蚀掖中，将具有不同
38、的电极电位。电极电位低的区城构成原电池的阳极易被腐蚀，电极电位高的城则不易被腐蚀。这样，将出现各部分的不均匀腐蚀而把杂质条纹显示出来。b. 将欲显示杂质条纹的样品表面经粒度28-42m金刚砂研磨使表面平整无划痕，再化学抛光，制备一个平整、洁净、光亮的镜面。抛光后的样品置于去离子水或冰乙酸中，并尽快进行腐蚀显示。c. 杂质条纹用化学腐蚀法显示。电阻率越低的样品杂质条纹越易显示，低阻衬底硅单晶常在化学抛光处理后即可显露出杂质条纹。专门用来显示杂质条纹的腐蚀被有，HF (42%)tHN03 (65%):CH3COOH (99.7%) : (CH3CO) 20 (97%) =2:5 :12:4 体积比
39、11 GBn 288-87 表B1几种常用的腐蚀液腐蚀液配比(休积比腐蚀条件腐蚀速率应用说明HF (42%):5MCr03 室温适用于各S irtl = 1 : 1 原生缺陷10-30min约3.5m/min种缺陷二次缺陷0.5-5minHF 60ml 室温适用于及HN03 30ml 原生缺陷20-30min 等各种缺5MCr03 30ml 二次缺陷5-15min 陷效果较好W right C u( N 03) z 3 Hz 0 2 g 约1.0m/minHAc 60ml HzO 60ml HF (42%) : 室温超声搅拌，原生主要用于位Secco 0.15M KZCrZ07 位错10-45
40、min约1.5m/min错= 2: 1 (120gC r03 + 100ml 窒温主要用于微Seiter HzO):HF (42%) 微缺陷0.5 -1.0mnin 缺陷= 9: 1 20-60min HF (42 %): HNO:i 室温Dash (65 %) :HAc 位错4-16h 约0.1m/min现已不常用= 1 : 3 : 10 将抛光处理好的样品浸人腐蚀液中，使显示条纹的表面朝上，腐蚀液用量5ml/cm2。样品上方约20cm处用300W白炽灯照射，30min之后即可显示出杂质条纹。显示时光照不宜过强，当清晰地显示出条纹后即停止腐蚀，否则样片表面发灰发暗i条纹不清。除此之外，还有H
41、F-NaNOz腐蚀液，操作也较简便。具体配比根据样品导电类型和电阻率值来确定。在回NaN02腐蚀液中需加人约HF用量的冰乙酸或乙酸哥(CH3CO)20J。电阻率导电类型(Q.cm) 200 n n NaN02用量(mgj 1000mlHF) 2 4 1o 1 -1000 P 1o 腐蚀过程中，用波长6700A的光照i时间在15-20min之内。腐蚀后用10%的KOH溶被脱膜。12 82 红外显微技术82.1 方法摘要G8n 288-87 硅对波长1.1m左右的红外光，具有最小的吸收系数，即此波长附近的红外光大部分透过硅，而金属对此波长的红外光有很强的吸收，不能透过。利用高温扩散的方法i把铜或锤
42、原子扩散到硅羁体内，使它们在缺陷处沉淀，即缀饰。经过缀饰的样品就能在红外显微镜下观察到所研究的缺陷形态。由于铜缀饰工艺操作简便，效果较好，是广泛使用的一种缀饰方法，它常常被用来观察硅单晶内位错、微缺陷等晶体缺陷的形态以及它们的空间分布情况。82.2 铜缀饰方法首先把10%左右的硝酸铜溶液滴在硅单晶表面上，用红外灯烘干，或者用真空蒸发的方法在表面上蒸发一层铜，然后在900C左右高温下进行铜扩散，恒温0.5-1h，再使样品骤然冷却到室温。冷却速度约100C/s为宜，因为降温速度过慢时，铜原子会中斤出到样品表面，这样达不到使快速降温时的铜原子自身聚集沉积在缺陷上的目的。铜缀饰可在空气、惰性气氛或真空
43、下进行。为了达到较好的观察效果，需将样品表面研磨(28-42m金刚砂和双面机械抛光。83 X射线形貌技术(XRT)83.1 方法摘要X射线透射形貌技术，是利用晶体的完整部分与不完整部分对X射线消光衬度效应的差异，观察晶体缺陷的类型、形态及其分布的方法。但由于某些缺陷的尺度较小，引起的应变场较微弱，它所形成的缺陪衬度也较弱，在普通的形雹象中不易显现。这时往往用缀饰的方法增大应力场，使形雹象具有足够强的衬度。X射线透射形貌可以观察硅单晶中的位错、层错、微缺陷及其宏观分布、杂质析出与沉淀等。83.2 X射线形貌技术特点样片厚度一般为1- 2 mm。为消除样片切割、研磨所造成的表面损伤，在观察前应将样
44、片双面抛光。X射线透射形貌可用来确定晶体中位错的类型、走向和柏格斯矢量的方向，可一次摄取大面积手片中缺陷的形貌照片，并能摄取立体雹象，为观察缺陷的空间分布提供了条件。X射线形雹法最突出的优点是非破坏的观察(除需要缀饰的以外。但由于它的分辨本领目前还不够高(约几个微米)，拍照时间较长，在实际缺陷的观测中，往往必须与其他一些方法配合，以获得更好的效果。84扫描电子显微分析(SEM)84.1 方法摘要由电子枪发射井经过聚焦的电子束在样品表面扫描，激发样品，使之产生各种物理信号如二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子、吸收电子、透射电子、感生电流、阴极荧光等，其强度随样品表面特征而变化。于是样品表
45、面不同特征晶体缺陷或化学成分不同，第二相夹杂物等等)按顺序成比例地转化为视频信号，用来同步地调制阴极射线管的电子束强度，得到反应样品表面各种特征的扫描图象。84.2 扫描电子显微分析的特点扫描电镜具有介于光学显微镜和透射电镜之间的性能指标，即具有样品制备简单、放大倍数连续可调、范围大、景深长、分辨本领较高等特点。另外，带能谱仪或被谱仪的扫描电子显微镜可作为电子探针使用，在样品上进行微区化学成分分析。85 遭射电子里徽技术(TEM)81.1 方法摘要当具有一定能量的电子束照射在晶体上并穿过晶体时，电子将与晶体中的原子相互作用产生电子GB. I-1 衍射。衍射强度的分布与晶体的种类、点阵结构等因素
46、有关.当晶格中存在缺陷时，缺陷周围醋嘴变场将使电子衍射强度的分布发生变化。根据衍射强度的分布情况，可以了解晶体缺陷的类型和结构.81.1 遭射电子里徽技术的特点电子波长(10-2)远小于可见光的波长.因此，电子显微镜的分辨本领可比一般的光学显微镜高1000倍以上。TEM能观察到晶体中更加微小的区端，可以直接提供微小缺陷的结构、形态和组晴等信息，是研究了解缺陆的本质，特别是微峡陷的最有效方法。TEM设备昂贵，试样制备技术复杂，要求苛刻，对观察到的电子箭射衬度进行分析lt实验操作都涉及到较多的理论知识.因此，多用于晶体缺陷形成机制等理论研究.14 Cl 晶体结构的基本慨念Cl.1 .体Cl.1.1
47、 .体的基本特征GBn 111-17 附录C体结构的基本概念参考件组成物质的原子、分子或离子在三维空间里有规则的周期性的排列，这样的物质叫做晶体.晶体具备如下特征za. 具有规则的外观特征。晶态物质在适当条件下，能自发地生长成为一个凸多面体形的单晶体，如天然矿物、水晶、方解石等等。人工生伏的晶体，虽然生长的条件受到限制，晶体习性不能充分发挥，但晶体规则的外形仍能显露出来，例如沿方向生长的硅单晶有三条或六条对称分布的棱线，沿方向生长的硅单晶有四条对称分布的棱线。b. 在一定压力下晶体具有一定的熔点，即晶体从开始熔化直到完全熔化，温度不变.c. 具育各向异性。晶体的许多物理性质、化学性质随晶体方向
48、的不同而异。|晶体的这种性质无论是对晶体生长、硅片加工、器件生产和检测技术等方面都具有重要意义。d. 同一种品休两个对应晶面之间的夹角恒定不变。Cl.1.Z单和多矗在一个晶体中，所有组成晶体的原子、分子或离子都按一定的规则里周期性地排列，则这种晶体就叫做蛐晶体。而把由多个不同方位的单晶体构成的晶体称均多晶体。Cl.1 体的空间点阵为了研究晶体中原子、分子或离子排列的规律性，只需研究这些微粒的空间位置即可，这些微粒的重心叫做结点或格点。在空间接一定规律和周期性分布的无限多个格点的集合叫做空间点阵。空间点阵和晶体同样满足周期性和对称性的要求。特定的晶体与特定的空间点阵相对应。Cl.l.l 列在空间点阵中，通过任意两个格点可以做一条直线，每条直线上都包含无数个格点，这样的直线叫做晶列。互相平行的属列有无数条，叫做晶列组。一个晶列组可将所有格点都包括进去。Cl.I.Z .面通过不在同一晶列上的任，意三个格点可做一个平面，该平面上必然包含无数个格点，这样的平面叫做网面或晶面.互相平行的晶面叫做晶面组。同样，一个晶面组也可把空间点阵中所有格点都包括进去。由此可知，晶体可看成是由晶面堆操而成的。Cl.z.a .格在空间点阵中，用三个不共面的晶列族可将整个空间分割成无数个格子，这样构成的网格叫做晶格。Cl.a .胞整个晶体可看成是由无数个基本单元无间隙地堆砌而成，这种基本单
