文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了硅的晶體缺陷測量。

硅的晶體缺陷測量

半導(dǎo)體晶體在生長和加工過程中會產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷對集成電路（IC）器件的性能和合格率有著重要影響。因此，對晶體缺陷的觀察、檢測及研究至關(guān)重要。硅作為半導(dǎo)體材料的重要代表，其晶體缺陷的測量與控制尤為關(guān)鍵，現(xiàn)分述如下

點缺陷及其測量、位錯、堆垛層錯

1、點缺陷及其測量

晶體缺陷分類

硅的晶體缺陷可分為宏觀缺陷和微觀缺陷兩大類。

宏觀缺陷：包括雙晶、雜質(zhì)析出及夾雜、星形結(jié)構(gòu)、系屬結(jié)構(gòu)等。這些缺陷通常較大，易于觀察和檢測。

微觀缺陷：包括點缺陷、位錯、層錯、晶體的原生缺COP缺陷等微缺陷，以及晶格的點陣應(yīng)變、表面損傷等。這些缺陷尺寸較小，需要借助高精度儀器進行檢測。

點缺陷是局限于小區(qū)域的缺陷，其特征是不完整區(qū)域可以被去除并代之以完整的截面，不產(chǎn)生附加的晶格畸變。常見的點缺陷有空位、間隙原子、復(fù)合缺陷（絡(luò)合體）及外來原子。

空位：空位可以與雜質(zhì)原子形成絡(luò)合體，影響半導(dǎo)體的電學(xué)特性。空位還可以聚集成團，崩塌后形成位錯環(huán)。

間隙原子：間隙原子的形成能通常比空位小，可以與空位結(jié)合而相互湮滅，也可以自身聚集成團，崩塌后形成間隙性位錯環(huán)。

復(fù)合缺陷（絡(luò)合體）：復(fù)合缺陷通常是電活性的，可以影響半導(dǎo)體的載流子濃度。

外來原子：晶體中引入的非本征原子，其存在形式以間隙形式或替代形式存在。替代式雜質(zhì)是外來原子以替代晶格中原子的方式存在。測量方法通常是通過它們對半導(dǎo)體電學(xué)特性的影響進行間接檢測。此外外來原子可以影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、摻雜濃度等特性。

硅的晶體缺陷測量涉及多種方法和技術(shù)，包括電子順磁共振、光學(xué)、電學(xué)測試以及原子背散射等。這些方法的綜合應(yīng)用可以實現(xiàn)對晶體缺陷的精確測量和深入研究。通過控制晶體缺陷的產(chǎn)生和消除，可以提高硅半導(dǎo)體材料的性能和穩(wěn)定性，進而提升集成電路器件的性能和合格率。

2、位錯

位錯有兩種主要類型：刃型位錯和螺型位錯。

刃型位錯：當(dāng)晶體受到剪切應(yīng)力作用，發(fā)生相對滑移后，在滑移面的一側(cè)會出現(xiàn)多余的原子半平面，形成刃型位錯。這種位錯的特點是位錯線與滑移面垂直，且位錯線周圍晶格畸變較大。

螺型位錯：另一種滑移方式是晶體的一部分繞某一軸線旋轉(zhuǎn)一定角度后，與另一部分發(fā)生錯動。此時，錯動的分界線即為螺型位錯線。螺型位錯的特點是位錯線呈螺旋狀，且位錯線周圍的晶格畸變相對較小。

為了觀察位錯，通常采用化學(xué)腐蝕法。通過擇優(yōu)腐蝕，位錯處由于晶格畸變較大，腐蝕速度較快，從而可以在晶體表面形成可見的蝕坑或蝕線，進而用光學(xué)顯微鏡進行觀察。

3、堆垛層錯

堆垛層錯通常是由于晶體生長過程中原子層的堆垛順序發(fā)生錯誤所致。

堆垛層錯會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部改變，從而影響晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)。

與位錯類似，堆垛層錯也可以通過化學(xué)腐蝕法顯示出來。在腐蝕過程中，堆垛層錯處由于晶格結(jié)構(gòu)的改變，腐蝕速度也會發(fā)生變化，從而在晶體表面形成可見的蝕坑或蝕面。

這些蝕坑或蝕面可以用光學(xué)顯微鏡進行觀察和研究。

半導(dǎo)體晶體缺陷檢測方法

目前，半導(dǎo)體晶體缺陷的檢測方法大多數(shù)仍然采用擇優(yōu)腐蝕后再用光學(xué)顯微鏡進行觀察的金相顯微技術(shù)。除了光學(xué)顯微鏡外，還有其他比較先進的測試方法可以用于觀察和研究半導(dǎo)體內(nèi)的缺陷，如X射線形貌技術(shù)、紅外顯微鏡、透射電子顯微技術(shù)等。具體選擇取決于晶體的類型、缺陷的種類以及腐蝕條件等因素。通過合理選擇腐蝕劑和腐蝕條件，可以有效地顯示出晶體中的缺陷，為后續(xù)的分析和研究提供有力支持。