1、半導(dǎo)體晶體缺陷創(chuàng)建時(shí)間:2008-08-02半導(dǎo)體晶體缺陷(crystal defect of semiconductor半導(dǎo)體晶體中偏離完整結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為晶體缺陷。按其延展的尺度可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷,這4類缺陷都屬于結(jié)構(gòu)缺陷。根據(jù)缺陷產(chǎn)生的原因可分為原生缺陷和二次缺陷。從化學(xué)的觀點(diǎn)看,晶體中的雜質(zhì)也是缺陷,雜質(zhì)還可與上述結(jié)構(gòu)缺陷相互作用形成復(fù)雜的缺陷。一般情況下,晶體缺陷是指結(jié)構(gòu)缺陷。點(diǎn)缺陷(零維缺陷主要是空位、間隙原子、反位缺陷和點(diǎn)缺陷復(fù)合缺陷。空位格點(diǎn)上的原子離開平衡位置,在晶格中形成的空格點(diǎn)稱為空位。離位原子如轉(zhuǎn)移到晶體表面,在晶格內(nèi)部所形成的空位,稱肖特基空位;原子轉(zhuǎn)

2、移到晶格的間隙位置所形成的空位稱弗蘭克爾空位。間隙原子位于格點(diǎn)之間間隙位置的原子。當(dāng)其為晶體基質(zhì)原子時(shí)稱為自間隙原子,化合物半導(dǎo)體MX晶體中的白間隙原子有Mi、Xi兩種。反位缺陷化合物半導(dǎo)體晶體MX中,X占M位,或M占X位所形成的缺陷,記作MX ,XM。點(diǎn)缺陷的復(fù)合各種點(diǎn)缺陷常可形成更復(fù)雜的缺陷,空位或間隙原子常可聚集成團(tuán),這些團(tuán)又可崩塌成位錯(cuò)環(huán)等。例如硅單晶中有:雙空位、F中心(空位-束縛電子復(fù)合體,E中心(空位-P原子對,SiO2團(tuán)(空位-氧復(fù)合體,霧缺陷(點(diǎn)缺陷-金屬雜質(zhì)復(fù)合體。硅單晶中主要點(diǎn)缺陷有空位、自間隙原子、間隙氧、替位碳、替位硼、替位銅,間隙銅等。化合物如GaAs單晶中點(diǎn)缺陷有

3、鎵空位(vGa 、砷空位(VAs、間隙鎵(Gai,間隙砷(ASi、鎵占砷位(AsGa、砷占鎵位(GaAs等,這些缺陷與缺陷、缺陷與雜質(zhì)之間發(fā)生相互作用可形成各種復(fù)合體。GaAs中的深能級。砷占鎵位一鎵空位復(fù)合體(AsGa vGa、鎵占砷位一鎵空位復(fù)合體(GaAsvGa在GaAs中形成所謂A能級(0.40eV和B能級(0.71eV分別稱作HB2、HB5,它們與EL2是三個(gè)GaAs中較重要的深能級,這些深能級與某類缺陷或缺陷之間反應(yīng)產(chǎn)物有關(guān),EL2是反位缺陷AsGa或其復(fù)合體AsGavGaVAs所形成,為非摻雜半絕緣GaAs單晶和GaAs VPE材料中的一個(gè)主要深能級,能級位置是導(dǎo)帶下0.82eV

4、(也可能由一族深能級所構(gòu)成,其濃度為1016cm-3數(shù)量級,與材料的化學(xué)配比和摻雜濃度有關(guān)。線缺陷(一維缺陷半導(dǎo)體晶體中的線缺陷主要是位錯(cuò)。晶體生長過程中由于熱應(yīng)力(或其他外力作用,使晶體中某一部分(沿滑移面發(fā)生滑移,已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線叫位錯(cuò)線,簡稱為位錯(cuò)。以位錯(cuò)線與其柏格斯矢量的相對取向來區(qū)分位錯(cuò)的類型,兩者相互垂直叫刃型位錯(cuò),兩者平行的叫螺型位錯(cuò),否則叫混合位錯(cuò)。混合位錯(cuò)中較常見的有60位錯(cuò),30位錯(cuò)。滑移了一個(gè)原子間距所形成的位錯(cuò)又叫全位錯(cuò),否則叫不全位錯(cuò)。由于形成直線位錯(cuò)所需能量較高,因此晶體中的位錯(cuò)大都是位錯(cuò)環(huán);位錯(cuò)環(huán)又分棱柱位錯(cuò)環(huán)和切變位錯(cuò)環(huán)兩種。位錯(cuò)的一般特性:(1位錯(cuò)雖

5、被視為線缺陷,但并非幾何學(xué)意義上的線,而是有一定寬度的管道。(2位錯(cuò)管道內(nèi)及其附近形成一個(gè)應(yīng)力場。位錯(cuò)管道內(nèi)原子的平均能量比其他區(qū)域大得多,故位錯(cuò)不是平衡缺陷。(3位錯(cuò)在晶體中可形成一封閉環(huán)形,或終止于晶體表面,或終止于晶粒間界上,但不能終止于晶體內(nèi)部。面缺陷(二維缺陷 包括小角晶界、堆垛層錯(cuò)、孿晶。小角晶界晶體中存在的具有一定結(jié)晶學(xué)取向差異的微小區(qū)域,如這些區(qū)域的直徑很小,約為5005000個(gè)晶胞大小,且取向差異小于10°,則謂之小角晶界;等距刃型位錯(cuò)陣列可構(gòu)成小角晶界。堆垛層錯(cuò)原子層的正常堆積次序發(fā)生錯(cuò)亂所產(chǎn)生的缺陷。這種錯(cuò)亂如屬被抽出一層原子則叫本征層錯(cuò),如屬額外插入一原子層叫

6、非本征層錯(cuò)。硅單晶中的層錯(cuò)有外延層錯(cuò)和熱氧化層錯(cuò)(OSF兩類。外延層錯(cuò)既有本征層錯(cuò)也有非本征層錯(cuò);熱氧化層錯(cuò)分為面層錯(cuò)(OSFs,成核于表面和體層錯(cuò)(OSF,成核于體內(nèi)B兩種,熱氧化層錯(cuò)是一種非本征層錯(cuò)。孿晶晶體兩個(gè)不同取向部分的交界面稱為孿晶界面,半導(dǎo)體晶體中的孿生面為111面,晶體生長過程中,出現(xiàn)孿晶間界的過程叫孿生。孿晶與堆垛層錯(cuò)有密切關(guān)系,例如,正常堆垛次序的顛倒就出現(xiàn)一個(gè)孿晶間界。半導(dǎo)體晶體中的孿晶都是生長過程中形成的,叫生長孿晶。體缺陷(三維缺陷 包括空洞和微沉淀,是指宏觀上與基質(zhì)晶體具有不同結(jié)構(gòu)、不同密度或不同化學(xué)成分的區(qū)域。空洞晶體中所包含的較大的空隙區(qū)。微沉淀晶體中出現(xiàn)的分離

7、相,它是由于某些雜質(zhì)超過溶解度限所形成的。硅晶體中的微沉淀主要是氧、碳的沉淀。化合物半導(dǎo)體中微沉淀則較復(fù)雜,如GaAs中除雜質(zhì)銅、鉻、硅、鋅等可形成沉淀外,砷也可在位錯(cuò)線上沉淀。微沉淀的形成可引起化學(xué)配比的偏離而產(chǎn)生次級缺陷,如某種組元的空位或間隙原子。微沉淀是非輻射復(fù)合中心,它的形成常伴隨過飽和點(diǎn)缺陷的凝聚和崩塌以及微沉淀與基質(zhì)晶體之間形成失配應(yīng)變,還可產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)和密集位錯(cuò)等缺陷,故對材料性能有重要影響。其他體缺陷有胞狀結(jié)構(gòu),非晶區(qū)等。微缺陷除上述四類結(jié)構(gòu)缺陷外,還有一類以擇優(yōu)化學(xué)腐蝕后表面出現(xiàn)的以高密度淺底小坑或小丘為其腐蝕特征的一類缺陷,稱為微缺陷,目前已發(fā)現(xiàn)的微缺陷有三類:(1生長微

8、缺陷;(2熱誘生微缺陷;(3霧缺陷。生長微缺陷硅中的生長微缺陷是熱點(diǎn)缺陷凝聚而形成的,由于位錯(cuò)割階處使過剩的點(diǎn)缺陷淹滅,因而生長微缺陷只出現(xiàn)在無位錯(cuò)硅中。有一種蝕坑在縱剖面上呈周期性不連續(xù)條紋狀分布,而在橫截面上呈不連續(xù)螺旋狀分布的微缺陷叫漩渦缺陷,這種缺陷的形成可能是點(diǎn)缺陷通過在分凝系數(shù)不等于1的慢擴(kuò)散雜質(zhì)(如碳上的非均勻成核過程實(shí)現(xiàn)的。GaAs中觀察到棱柱位錯(cuò)環(huán),不全位錯(cuò)環(huán)以及各種形狀的微沉淀等微缺陷,GaP中則有S坑(碟坑和C坑(云狀坑兩種生長微缺陷。熱誘生微缺陷硅單晶在高溫?zé)崽幚砗?其中氧的沉淀物及其所造成的晶格畸變所誘生的缺陷。這種缺陷具有生長微缺陷的腐蝕特征,是高氧含量直拉硅中所特

9、有的缺陷。主要有各種沉淀物(主要是SiO2沉淀,棱柱位錯(cuò)環(huán)、層錯(cuò)等。霧缺陷是熱處理硅片或外延片擇優(yōu)腐蝕后表面出現(xiàn)的密集而均勻分布的霧狀缺陷,其基本特征是:只出現(xiàn)在片子表面12m以內(nèi),高溫處理前觀察不到,主要是500以上形成,具有較高的熱遷移率,對晶格應(yīng)力高度敏感,其形成過程是由于玷污金屬的溶解、擴(kuò)散和沉淀三個(gè)過程的結(jié)合。霧狀缺陷在其后的氧化工藝中會(huì)引起氧化層錯(cuò),利用內(nèi)、外吸除技術(shù)可有效地消除霧缺陷。關(guān)于缺陷工程的概念半導(dǎo)體技術(shù)自誕生之日起就伴隨著晶格缺陷的研究;缺陷的控制與消除研究工作導(dǎo)致了一個(gè)新型材料工程缺陷工程的誕生。其基本思想是:在深入理解缺陷的基礎(chǔ)上,既要努力減少或消除缺陷,也可正面利用缺陷去控制或抵消其他某些難以消除的有害缺陷的影響,以提高器件的成品率和可靠性。這方面,至少有三個(gè)成功的實(shí)例:GaP發(fā)光器件(LED中等電子陷阱的利用;通過深能級ELz 控制非摻雜GaAs單晶的半絕緣性能;硅中利用氧沉淀作為吸雜中心以“耗盡”有源區(qū)內(nèi)的有害金屬雜質(zhì)。有的學(xué)者提出把“缺陷”這個(gè)詞改稱為“結(jié)晶態(tài)變體”(cry