沒(méi)有任何雜質(zhì)原子和結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，在這種完美的半導(dǎo)體中，電子要么存在于導(dǎo)帶中,要么存在于價(jià)帶中，不可能存在于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間,因?yàn)槟鞘墙麕?。但?dāng)半導(dǎo)體中存在雜質(zhì)原子或結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，晶格勢(shì)場(chǎng)的嚴(yán)格周期性被打破,因此,禁帶中間有可能形成一些能級(jí)。這種雜質(zhì)或缺陷可能是半導(dǎo)體制造工藝中無(wú)意引人的，也可能是為制造器件而有意引人的,特別是雜質(zhì)。本節(jié)將討論半導(dǎo)體工業(yè)中大量使用的雜質(zhì)的物理性質(zhì),尤其是對(duì)半導(dǎo)體能帶和電學(xué)性質(zhì)的影響，介紹半導(dǎo)體中各種維度缺陷的產(chǎn)生及其影響。

2.4.1 雜質(zhì)類(lèi)型

根據(jù)雜質(zhì)在半導(dǎo)體晶格中占據(jù)的位置,可將雜質(zhì)分為替位雜質(zhì)和間隙雜質(zhì)。當(dāng)雜質(zhì)原子取代半導(dǎo)體原有晶格中的原子時(shí)，這種雜質(zhì)稱(chēng)為替位雜質(zhì);當(dāng)雜質(zhì)原子處于晶格的間隙位置時(shí),則稱(chēng)為間隙雜質(zhì)。根據(jù)雜質(zhì)向半導(dǎo)體提供或從半導(dǎo)體接受電子，雜質(zhì)又可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置，又可分為淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)。在半導(dǎo)體器件制造中最有用的是替位雜質(zhì),而且是淺能級(jí)雜質(zhì)。下面以硅為例,討論元素周期表中II族和V族原子的雜質(zhì)能級(jí)及其對(duì)半導(dǎo)體的影響。2.4.2 施主和受主的雜質(zhì)能級(jí)及電離能V族原子(如磷)常以替位方式存在于硅晶體品格中,形成如圖2.7所示的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。磷原子的外層5個(gè)價(jià)電子中,4個(gè)價(jià)電子與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵,多余1個(gè)電子。這個(gè)未與硅成鍵的電子仍然受到磷離子的庫(kù)侖束縛作用,但束縛力與成鍵電子相比,要弱得多,其能態(tài)位置只略低于導(dǎo)帶底,很容易受熱激發(fā),釋放到導(dǎo)帶,成為導(dǎo)電電子。因此,磷等V族原子被稱(chēng)為硅半導(dǎo)體的施主雜質(zhì),其能級(jí)位置如圖2.8中的施主能級(jí)所示。施主能級(jí)與導(dǎo)帶底之間的能量差值稱(chēng)為施主雜質(zhì)電離能,可用類(lèi)氫模型13.6(m/mo)/e,2進(jìn)行估算，一般在幾十毫電子伏特量級(jí)，遠(yuǎn)小于禁帶寬度,因而這種雜質(zhì)又稱(chēng)為淺能級(jí)雜質(zhì)。淺能級(jí)雜質(zhì)電離能與室溫電子熱運(yùn)動(dòng)能量kT相當(dāng)，因此，室溫下這種淺能級(jí)雜質(zhì)的電離率很高。

若在硅中摻入族原子(如硼),則其與相鄰硅原子形成4個(gè)共價(jià)鍵時(shí)缺少1個(gè)電子,也就是說(shuō),它可以從硅晶體中接受1個(gè)電子,所以,硼原子稱(chēng)為受主雜質(zhì)。類(lèi)似地,其能級(jí)位于價(jià)帶頂以上，與價(jià)帶頂相差一個(gè)空穴的束縛能,即電離能，如圖2.8所示。

若在硅中摻入族原子(如硼),則其與相鄰硅原子形成4個(gè)共價(jià)鍵時(shí)缺少1個(gè)電子,也就是說(shuō),它可以從硅晶體中接受1個(gè)電子,所以,硼原子稱(chēng)為受主雜質(zhì)。類(lèi)似地,其能級(jí)位于價(jià)帶頂以上，與價(jià)帶頂相差一個(gè)空穴的束縛能,即電離能，如圖2.8所示。

2.4.3 半導(dǎo)體導(dǎo)電類(lèi)型

在本征半導(dǎo)體中,電子與空穴的數(shù)量完全相同。摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體,其電子的數(shù)量多于空穴的數(shù)量,因此稱(chēng)其為n型半導(dǎo)體,n代表負(fù)極性電荷導(dǎo)電粒子(即電子)。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其空穴的數(shù)量多于電子的數(shù)量,因此稱(chēng)其為p型半導(dǎo)體,p代表正極性電荷導(dǎo)電粒子(即空穴)。在n型半導(dǎo)體中，電子稱(chēng)為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)多子)，空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)少子);在p型半導(dǎo)體中,則正好相反。通常半導(dǎo)體器件是由n型層和p型層半導(dǎo)體組合而成的。根據(jù)某種器件性能要求,有些器件中也會(huì)加入本征導(dǎo)電層,本征半導(dǎo)體常稱(chēng)為i型。在化合物半導(dǎo)體中，也可以通過(guò)摻入某種雜質(zhì),以獲得所需導(dǎo)電類(lèi)型。另外,如果兩種原子的化學(xué)計(jì)量比偏離正常值,也會(huì)影響材料導(dǎo)電類(lèi)型與電導(dǎo)率。例如,砷化鎵中砷取代鎵位，它傾向于釋放電子,起施主作用;鎵取代砷位,則傾向于接受電子，起受主作用。

2.4.4半導(dǎo)體中的缺陷

廣義上，凡是與理想晶體周期性結(jié)構(gòu)發(fā)生的偏離都可稱(chēng)為缺陷。根據(jù)缺陷的維度，可分為點(diǎn)缺陷(零維)、線(xiàn)缺陷(一維)、面缺陷(二維)和體缺陷(三維)。前面所說(shuō)的施主和受主雜質(zhì)就是一種點(diǎn)缺陷,它們屬非本征點(diǎn)缺陷,因?yàn)樗鼈兪桥c半導(dǎo)體母體不同的原子,破壞了原有的周期性晶格勢(shì)場(chǎng)，對(duì)半導(dǎo)體的電學(xué)特性有很大影響。在半導(dǎo)體器件和集成電路制造中，往往通過(guò)引人雜質(zhì)來(lái)達(dá)到調(diào)控器件特性的目的。除此之外,在半導(dǎo)體工藝中還會(huì)形成一些缺陷,在許多情況下,它們對(duì)器件性能會(huì)造成不利影響。下面將根據(jù)缺陷的維度,對(duì)它們分別進(jìn)行討論。

零維點(diǎn)缺陷除雜質(zhì)外,還有空位和間隙原子。在T>0K時(shí)，原子會(huì)在晶格平衡位置上作熱振動(dòng),盡管熱振動(dòng)平均能量比晶格束縛能小得多,但根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理,總是存在一定的幾率使原子掙脫品格束縛?？紤]到晶格原子密度的巨大數(shù)目,在熱平衡時(shí)總會(huì)產(chǎn)生一定濃度的空位,這些掙脫格點(diǎn)的原子就成為間歐原子,如圖2.9所示[.4。這種空位和間原子是本征缺陷,它們的濃度強(qiáng)烈地依賴(lài)于晶格溫度,所以,這種點(diǎn)缺陷又稱(chēng)為熱缺陷。熱缺陷主要有以下3種存在形式。

第一種稱(chēng)弗侖克耳缺陷,是指當(dāng)原子熱振動(dòng)脫離格點(diǎn),同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空位和一個(gè)間原子,如圖2.9Ca)所示。第二種稱(chēng)肖特基缺陷,是指當(dāng)原子脫離格點(diǎn)留下一個(gè)空位后,間隙原子從內(nèi)部跑到表面格點(diǎn),即晶體中只看到一個(gè)空位而看不到間原子,如圖2.9(b)所示。間隙原子的遷移并非是從內(nèi)部深處直接跑到表面,實(shí)際上是在表面附近的晶格原子先脫離格點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)空位,而內(nèi)部深處的間隙原子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)該空位,與之復(fù)合成為一個(gè)晶格原子。熱缺陷的第三種存在形式是間隙原子缺陷,與肖特基缺陷正好相反,它是空位跑到表面消失,內(nèi)部只看到間隙原子。而間隙原子缺陷除了真正造成一個(gè)間隙原子外,還可以是兩個(gè)原子共享一個(gè)格點(diǎn),如圖2.9(c)所示。

對(duì)于化合物半導(dǎo)體，它有兩種晶格原子，而每種格點(diǎn)的空位缺陷濃度也不盡相同,如砷化鎵中Ga和As的空位濃度分別是

另外,由于Gn和As的飽和蒸汽壓不同,在GaAs中,還有可能由于Ga/s化學(xué)計(jì)量比應(yīng)當(dāng)指出.上述熱缺陷的物理圖像是簡(jiǎn)化了的,實(shí)際情況更為復(fù)雜。當(dāng)一個(gè)空位缺陷偏離1而引起的一些點(diǎn)缺陷,如As位被Ga取代。產(chǎn)生時(shí),所發(fā)生最簡(jiǎn)單的情況是4個(gè)鍵同時(shí)斷裂,這使得4個(gè)最近鄰原子都呈現(xiàn)電中性,但也造成了4個(gè)不飽和電子殼層,這種空位缺陷稱(chēng)為中性空位,用V表示。另一種可能的情況是,空位產(chǎn)生時(shí)可以留下一個(gè)電子,該電子可與鄰近某一個(gè)原子的價(jià)電子成鍵，使之帶個(gè)單位的負(fù)電荷,這種空位缺陷稱(chēng)為一1價(jià)空位,用V表示。同樣,空位缺陷還可以有-2、-3、-4、+1、+2、+3、+4價(jià)空位,盡管三價(jià)和四價(jià)離化的空位在實(shí)踐中并不重要。由于這些帶電空位與中性空位的激活能明顯不同,本征點(diǎn)缺陷濃度的精確模型實(shí)際上是很復(fù)雜的。

一維線(xiàn)缺陷通常就是指位錯(cuò)。位錯(cuò)的產(chǎn)生是應(yīng)力作用的結(jié)果。當(dāng)晶體受到應(yīng)力較小時(shí),晶體會(huì)產(chǎn)生彈性形變;當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值時(shí),則晶體會(huì)發(fā)生塑性形變,此時(shí)晶體的一些晶面會(huì)發(fā)生相對(duì)位移,這種位移稱(chēng)為滑移。晶體中已滑移和未滑移區(qū)域的交界線(xiàn)稱(chēng)為位錯(cuò)線(xiàn),在滑移方向上的位移稱(chēng)為滑移矢量,又稱(chēng)為伯格斯矢量。根據(jù)位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量夾角，可將位錯(cuò)分為刃位錯(cuò)(又稱(chēng)棱位錯(cuò))和螺位錯(cuò)。

圖2.10展示了刃位錯(cuò)的形成及特點(diǎn)[3]。設(shè)想把一塊晶體在ABEF晶面的上半部分沿6方向施加足夠大推力向右推移,使得原本與AB重合的A'B'沿b方向滑移了一個(gè)原子間距,進(jìn)而使上半部分晶面逐個(gè)向右滑移一個(gè)原子間距,直至結(jié)束于EFGH面。晶面滑移的微觀示意圖如圖2.10(b)所示，相當(dāng)于在EF處產(chǎn)生了半個(gè)額外晶面,EF為位錯(cuò)線(xiàn),b為滑移矢量。這半個(gè)額外晶面就像一把刀切進(jìn)晶體，其端面就像刀刃，所以,這種位錯(cuò)稱(chēng)為刃位錯(cuò)，一般用符號(hào)""表示。需要指出的是,刃位錯(cuò)并不要求滑移矢量一定與位錯(cuò)線(xiàn)呈90角。如在硅和鍺中,(111)面是常見(jiàn)的滑移面，位錯(cuò)線(xiàn)在(111)面內(nèi)的[101],滑移方向是[110],兩者的夾角為60,故稱(chēng)60棱位錯(cuò)[3]。

螺位錯(cuò)是滑移矢量與位錯(cuò)線(xiàn)平行的位錯(cuò),如圖2.11所示(G。如圖2.11(a)所示,設(shè)想ABCD晶面上半部的右半部分沿AD施加一個(gè)足夠大的推力,使其發(fā)生滑移,滑移的微觀示意圖和剖面圖分別如圖2.11(b)和(c)所示。這種位錯(cuò)的位錯(cuò)線(xiàn)和滑移矢量都是沿AD方向,即相互平行。如果設(shè)想繞者位錯(cuò)線(xiàn)AD,沿"東-南-西-北"路徑從一個(gè)格點(diǎn)到另一個(gè)格點(diǎn)一步步地移動(dòng),則會(huì)發(fā)現(xiàn)這種移動(dòng)的軌跡就是一種螺旋上升的折線(xiàn),故這種位錯(cuò)稱(chēng)為螺位錯(cuò)。

晶體中的位錯(cuò)是存在應(yīng)力的標(biāo)志。如在刃位錯(cuò)產(chǎn)生前,所有共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)處于一種平衡狀態(tài),但當(dāng)額外的半晶面原子插人后,這些原子(尤其是靠近位錯(cuò)線(xiàn))與相鄰晶面原子之間的鍵長(zhǎng)被壓縮了，而未被插人的半晶面(尤其是靠近位錯(cuò)線(xiàn))的相鄰晶面的鍵長(zhǎng)則被拉伸了。位錯(cuò)經(jīng)常是由點(diǎn)缺陷團(tuán)聚形成的[5。晶體中每個(gè)點(diǎn)缺陷對(duì)應(yīng)著一個(gè)與缺陷表面積相關(guān)的能量，當(dāng)點(diǎn)缺陷團(tuán)聚形成額外的半晶面(即形成位錯(cuò))時(shí),缺陷總表面積減少,因此,表面能傾向于降低，即當(dāng)晶體中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)著的點(diǎn)缺陷團(tuán)聚成位錯(cuò)時(shí),將釋放部分能量,更趨穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，位錯(cuò)是可以運(yùn)動(dòng)的。攀移和滑移是位錯(cuò)的兩種主要運(yùn)動(dòng)機(jī)制,如圖2.12所示。若將圖2.12(b)作為一個(gè)刃位錯(cuò)的初始狀態(tài)，當(dāng)該位錯(cuò)俘獲一些間隙原子后，位錯(cuò)線(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)了兩個(gè)原子間距,如圖2.12(a)所示。而當(dāng)該晶體上半部受到向右切應(yīng)力作用時(shí),則位錯(cuò)線(xiàn)相鄰的晶面會(huì)斷裂成兩個(gè)半晶面，下半晶面與原先額外位錯(cuò)面合成一個(gè)新的完整晶面,而上半晶面成為一個(gè)新的位錯(cuò)晶面,如圖2.12(c)所示，即位錯(cuò)向右發(fā)生了滑移。

位錯(cuò)線(xiàn)既可以終止于晶體表面,也可以在晶體內(nèi)部形成一個(gè)封閉的圓環(huán),即位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)環(huán)往往又與更高維的缺陷(如面缺陷)有關(guān)。

位錯(cuò)產(chǎn)生的根本原因是應(yīng)力。在實(shí)際半導(dǎo)體工藝中,應(yīng)力來(lái)源較多,最主要有高溫工藝中的溫度不均勻。在拉單晶過(guò)程中，晶體中心區(qū)和外圍區(qū)存在較高溫度梯度(即溫度不均勻)。幸運(yùn)的是這種溫差導(dǎo)致的位錯(cuò)可通過(guò)拉晶初期將其引至邊界而避免。現(xiàn)代集成電路工藝所用的始硅片一般都能達(dá)到無(wú)位錯(cuò)單品水平。但后續(xù)集成電路工藝仍有可能產(chǎn)生較大成方而導(dǎo)致位情的產(chǎn)生。例如,快速熱退火也是一種常見(jiàn)的溫度不均勻產(chǎn)生的誘因。S1N是一種具有較高張應(yīng)力的材料,LOCOS工藝中為了避免SiN,薄膜高應(yīng)力的影響,通常需要預(yù)先生長(zhǎng)一層薄SiO2膜。對(duì)于高濃度摻雜,即使是替位雜質(zhì),它與周?chē)阁w原子大小不同,也會(huì)形成內(nèi)部應(yīng)力,使化學(xué)鍵斷裂所需的能量降低,更易產(chǎn)生空位。在一些含有原子轟擊的工藝中,常會(huì)造成一些物理?yè)p傷,產(chǎn)生空位和間原子，一旦產(chǎn)生高濃度點(diǎn)缺陷,也會(huì)團(tuán)聚形成位錯(cuò)或其他更高維的缺陷。

二維面缺陷有一些不同表現(xiàn)形式。最簡(jiǎn)單的例子是多晶的晶粒間界,最受器件制造者關(guān)注的面缺陷則是層錯(cuò)。圖2.13展示硅和鍺中沿[111]方向的層錯(cuò)[5]。對(duì)于金剛石結(jié)構(gòu)材料,原子沿[111]方向排列的晶面在正常情況下應(yīng)按ABCABC...順序排列。但在圖2.13中兩處虛線(xiàn)位置，這一正常順序被打破，上下兩處分別變?yōu)锳BACABCABC...和ABCBCABCABC....即分別多了一層A原子和少了一層A原子，形成了層錯(cuò)。習(xí)慣上把多出一層原子的層錯(cuò)稱(chēng)為非本征層錯(cuò),少掉一層原子的稱(chēng)為本征層錯(cuò)。在硅中大多數(shù)層錯(cuò)是非本征層錯(cuò)。層錯(cuò)與位錯(cuò)有一定的類(lèi)似,層錯(cuò)也是多了或少了一個(gè)原子層。從層錯(cuò)的幾何特性可知,層錯(cuò)常終止于晶體表面,也可終止于位錯(cuò)。當(dāng)終止于晶體表面時(shí)，其大小和密度可以通過(guò)化學(xué)顯跡的方法測(cè)量出來(lái)，因?yàn)閷?duì)于某些化學(xué)試劑,在層錯(cuò)高應(yīng)力區(qū)腐蝕速率明顯加快。層錯(cuò)與空位、間隙原子等點(diǎn)缺陷可發(fā)生互作用。對(duì)于非本征層錯(cuò),當(dāng)它吸收間隙原子時(shí),它將長(zhǎng)大;反之，當(dāng)它吸收空位時(shí),則會(huì)縮小。所以,通過(guò)測(cè)量非本征層錯(cuò)大小在某些工藝前后的變化,可以推斷出該工藝過(guò)程中究竟是產(chǎn)生間隙原子還是空位。例如,在硅的氧化實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)層錯(cuò)是長(zhǎng)大的，說(shuō)明氧化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生間隙原子，即氧化會(huì)誘導(dǎo)間隙原子注入。

三維體缺陷也有幾種不同的表現(xiàn)形式。第一種體缺陷是孔洞，當(dāng)空位濃度足夠高，在晶體某些地方空位有可能聚集在一起形成孔洞。第二種體缺陷是雜質(zhì)的成團(tuán)(clustering)或析出(precipitation)當(dāng)雜質(zhì)濃度高于固溶度時(shí),雜質(zhì)就會(huì)成團(tuán)或析出,但這種析出可以是非結(jié)晶性的析出,也可以是結(jié)晶性的析出.如圖2.14所示,每個(gè)雜質(zhì)原子仍占據(jù)了晶格格點(diǎn)。它們的形成,既可能是由于晶體中存在位錯(cuò)等缺陷吸引雜質(zhì)聚集,也有可能是由于雜質(zhì)原子隨機(jī)擴(kuò)散相遇而超過(guò)析出的臨界成核尺寸。那些成團(tuán)或析出的雜質(zhì)原子,即使占據(jù)了晶格位置,也常常是非電活性的,這就對(duì)半導(dǎo)體器件的摻雜濃度設(shè)置了一定的上限。

上面介紹的各種缺陷除了施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)是故意引人,其他一般是非故意引人,而且似乎都是有害的,其實(shí)不然。應(yīng)當(dāng)說(shuō)當(dāng)這些缺陷在有源區(qū)時(shí),它們的確會(huì)產(chǎn)生許多不利影響?？瘴?、間原子、位錯(cuò)和層錯(cuò)會(huì)引起周?chē)犯窕?引起禁帶寬度的增大或縮小。另外，這些結(jié)構(gòu)缺陷還往往會(huì)在禁帶中形成一些較深能級(jí),成為電子和空穴的有效復(fù)合中心,降低少子壽命,對(duì)雙極型器件和光電子器件產(chǎn)生不利影響,所以,一般情況下要盡量避免這些缺陷。但當(dāng)這些缺陷位于無(wú)器件區(qū)時(shí),它們不僅對(duì)器件不會(huì)造成有害影響,而且有時(shí)甚至是有益的。例如,在硅片背面引人一些應(yīng)變或損傷，或在硅片內(nèi)部深處引人氧析出(又稱(chēng)氧沉淀),這些缺陷可以將點(diǎn)缺陷和不需要的重金屬殘余雜質(zhì)俘獲并限制在非有源區(qū),這種技術(shù)稱(chēng)為吸雜。利用背面損傷的吸雜稱(chēng)為非本征吸雜,通過(guò)體內(nèi)氧析出的吸雜通常稱(chēng)為本征吸雜。因?yàn)樯L(zhǎng)單晶硅時(shí)通常會(huì)溶入較高濃度的氧,降溫后氧可能會(huì)析出，形成三維體缺陷,而這種體缺陷只要位置、尺寸適當(dāng),就可以起到有效吸雜作用。