1.3 半导体单晶制备过程中的晶体缺陷[4][5]

通常，用来制造集成电路的衬底材料主要有3种类型：一是元素半导体，如锗和硅；二是化合物半导体材料，如砷化镓材料；三是绝缘体类，如蓝宝石和尖晶石。由于它们的结构、组成和作用各有不同的特点，故各自体内的杂质、缺陷对器件性能的影响也不尽相同。以硅单晶为衬底时，硅体内的杂质和硅晶体缺陷对其后在衬底上生长的外延层质量有很大影响。图1-5所示为晶体生长过程中受到来自于垂直方向的非正常应力时，生成位错的二维平面示意图。同时，在制作器件之前，不仅要确定衬底材料的导电类型、电阻率、缺陷密度（主要是位错密度）和少数载流子寿命等几个常规参数，而且要注意到材料中的重金属杂质、微缺陷的多少，电阻率的均匀性（实质上是杂质浓度的均匀性），以及杂质补偿度（同时含有两种导电类型杂质的相对比例）等。所有这些，对器件(特别是大规模集成电路)的性能都有着重要的影响。

在硅单晶制备和器件制造的过程中，必然会使硅单晶中一些原子的排列发生错乱，统称为晶体缺陷。以单晶硅材料为例：单晶缺陷主要来自由于晶体生长条件的不良影响所造成的位错缺陷、微缺陷、晶粒间界、局部多晶等。外延生长过程中形成的缺陷主要有层错。同时，也不可避免地会引进一些有害杂质，如铜、铁、钠等重金属杂质和氧、碳等杂质。硅材料中存在这些缺陷和含有这些杂质是影响器件和集成电路成品率的主要因素。图1-6描述的是位错在外来应力的作用下做定向攀移运动的二维平面示意。

图1-7和图1-8分别是硅<111>晶体刃型位错和螺型位错的显微形貌。图1-9是（100）取向的刃型位错形貌。图1-10则是多晶硅自然形貌。图1-11和图1-12分别是大景深视场下观察到的（111）螺型位错及硅（111）晶面解理蚀坑的显微形貌。

图1-13所示为小景深视场条件下拍摄到的不同走向的刃型位错蚀坑形貌。晶圆片裸露面所显露出的不同走向的刃型位错说明晶体内存在着不同走向的位错线。凡是与晶圆片裸露面相交（以不同的夹角相交）的位错线，均会留下位错蚀坑。

下面介绍硅晶体结晶过程中刃型位错及螺型位错的形成机理。首先，需要明确的是，无论是刃型位错还是螺型位错，其生成均是起因于晶体生长时硅原子生长周围的应力（如单晶生长机械装置所造成的机械应力和因加热装置造成的热应力）场“失衡”。无论是机械应力还是热应力，我们都将其抽象为单位应力。所谓单位应力，是指能使原子位移一个原子间距的应力。考虑到应力的方向性和大小，以单位波格斯矢量b来表示。

首先，讨论刃型位错的形成。以理想的、较为极端的情况为例：当单位波格斯矢量b的方向与晶体生长的方向相垂直时，原子受力位移而形成一条横贯两端的位错线。对此的形象描述可参见图1-14。当腐蚀、处理位错露头处的表面时，位错腐蚀坑即裸露在表面。腐蚀坑的形成是原子排列发生畸变的真实反映，因为理想晶体在化学腐蚀剂中是均匀腐蚀的，而原子排列畸变、位错线周围的“矢配”原子却具有比稳定格点上的原子高得多的化学活性，形成一种被称为“择优腐蚀”的腐蚀现象。由于位错蚀坑的表观形状近似刀刃，学者们便将其称为刃型位错。至于蚀坑形状的晶向特征，自然与晶体的生长取向有关。

事实上，以上所假设的理想化应力条件是几乎不存在的。换句话说，与晶体原子晶面相垂直的位错线也是几乎没有的。更多的是与晶体原子晶面有一定的夹角。这正好能够解释清楚这样一个客观的现象——例如，检测<111>取向的硅单晶晶圆片刃型位错分布，难以见到相对标准的等边三角形蚀坑。这是因为，沿<111>面切割的单晶晶圆，只有与其相垂直的位错线才会形成较理想的等边蚀坑。位错缺陷还有一个特征，它可能产生于晶体生长的任一时刻，但都会结束在晶体生长的最后时刻。

下面讨论另一种十分重要的位错形态，被学者们称为螺型位错。有了关于刃型位错的讨论，我们就很容易接受螺型位错是如何形成的了。请注意，假定波格斯矢量b的方向与晶体生长的方向相平行，原子受力是沿着晶体生长的方向上、下产生的位移。这样一来，由原始原子层到位移后的原子层，就要围绕发生原子位移的点绕一周。也就是说，此刻的原子晶面发生了由下而上（上是指晶体延续的方向）的螺旋扭曲。对此的形象描述可参见图1-15。

十分有趣的是，当腐蚀、处理螺型原子失配位错露头处的表面时，腐蚀坑呈现出螺旋向下的结构特征。故被学者们称为螺型位错，或简称为螺位错。读者可以由图1-15中由左至右、由上而下的形象描述来理解螺型位错的形成机理及腐蚀形貌的特征。

事实上，螺型位错是十分少见的。这是因为，晶体生长的过程中，很难产生与晶体生长方向相平行的干扰应力。这一点，在描述螺型位错形成机理及腐蚀形貌的图1-15中可以清楚地感受到。

图1-15（h）所示的螺型位错显微形貌实景拍摄资料是十分珍贵的。这一螺型位错显微形貌所呈现出的螺旋特征非常清晰。