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晶体缺陷有害杂质对半导体器件的影响

以及解决方案

1引言:90年代大规模集成电路的发展依然遵循摩尔定理,每3年器件的尺

寸缩小1/3,芯片的面积约增加1.5倍,芯片中的晶体管数增加4倍,特大规模集

成电路领域。随着集成电路的飞速发展对硅片质量提出了更高的要求。归纳起

来就是要求硅片的晶格缺陷更少以及对器件有害的杂质含量更低。研究表明,缺

陷的尺寸在特征线宽的1/3以上时,就成为致命的缺陷会导致器件失效。由于集

成电路内各元件及连线相当微细，因此制造过程中，如果遭到尘粒、金属的污

染，很容易造成晶片内电路功能的损坏，形成短路或断路等，导致集成电路的

失效以及影响几何特征的形成。因此在制作过程中除了要排除外界的污染源外，

集成电路制造步骤如高温扩散、离子植入前等均需要进行湿法清洗或干法清洗

工作。干、湿法清洗工作是在不破坏晶圆表面特性及电特性的前提下，有效地

使用化学溶液或气体清除残留在晶圆上之微尘、金属离子及有机物之杂质。本

文介绍了硅中的晶体缺陷(硅缺陷)、有害杂质、以及其对器件的影响，之后着

重的介绍了消除晶体缺陷和有害杂质的方法及湿清洗和快速热退火处理。

2晶体缺陷

半导体晶体中偏离完整结构的区域称为晶体缺陷。按其延展的尺度可分为

点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，这4类缺陷都属于结构缺陷。根据缺陷产

生的原因可分为原生缺陷和二次缺陷。从化学的观点看，晶体中的杂质也是缺

陷，杂质还可与上述结构缺陷相互作用形成复杂的缺陷。一般情况下，晶体缺

陷是指结构缺陷。

2.1点缺陷(零维缺陷)

主要是空位、间隙原子、反位缺陷和点缺陷复合缺陷。

2.1.1空位格点上的原子离开平衡位置，在晶格中形成的空格点称为空位。

离位原子如转移到晶体表面，在晶格内部所形成的空位，称肖特基空位;原子转

移到晶格的间隙位置所形成的空位称弗兰克尔空位。

2.1.2间隙原子位于格点之间间隙位置的原子。当其为晶体基质原子时称

为自间隙原子，化合物半导体MX晶体中的白间隙原子有Mi、Xi两种。

2.1.3反位缺陷化合物半导体晶体MX中，X占M位，或M占X位所形成的

缺陷，记作MX，XM。

2.1.4点缺陷的复合各种点缺陷常可形成更复杂的缺陷，空位或间隙原子

常可聚集成团，这些团又可崩塌成位错环等。例如硅单晶中有:双空位、F中心

(空位-束缚电子复合体)，E中心(空位-P原子对)，SiO2团(空位-氧复合体)，

雾缺陷(点缺陷-金属杂质复合体)。

2.2线缺陷(一维缺陷)

半导体晶体中的线缺陷主要是位错。晶体生长过程中由于热应力(或其他外

力)作用，使晶体中某一部分(沿滑移面)发生滑移，已滑移区与未滑移区的分界

线叫位错线，简称为位错。以位错线与其柏格斯矢量的相对取向来区分位错的

类型，两者相互垂直叫刃型位错，两者平行的叫螺型位错，否则叫混合位错。

混合位错中较常见的有60℃位错，30℃位错。滑移了一个原子间距所形成的位

错又叫全位错，否则叫不全位错。

由于形成直线位错所需能量较高，因此晶体中的位错大都是位错环;位错环

又分棱柱位错环和切变位错环两种。

位错的一般特性:(1)位错虽被视为线缺陷，但并非几何学意义上的线，而

是有一定宽度的管道。(2)位错管道内及其附近形成一个应力场。位错管道内原

子的平均能量比其他区域大得多，故位错不是平衡缺陷。(3)位错在晶体中可形

成一封闭环形，或终止于晶体表面，或终止于晶粒间界上，但不能终止于晶体

内部。

2.3面缺陷(二维缺陷)

包括小角晶界、堆垛层错、孪晶。

2.3.1小角晶界晶体中存在的具有一定结晶学取向差异的微小区域，如这

些区域的直径很小，约为500~5000个晶胞大小，且取向差异小于10°，则谓

之小角晶界;等距刃型位错阵列可构成小角晶界。

2.3.2堆垛层错原子层的正常堆积次序发生错乱所产生的缺陷。这种错乱

如属被抽出一层原子则叫本征层错，如属额外插入一原子层叫非本征层错。硅

单晶中的层错有外延层错和热氧化层错(OSF)两类。外延层错既有本征层错也有

非本征层错;热氧化层错分为面层错(OSFS，成核于表面)和体层错(OSFB，成核

于体内)两种，热氧化层错是一种非本征层错。

2.3.3孪晶晶体两个不同取向部分的交界面称为孪晶界面，半导体晶体中

的孪生面为{111)面，晶体生长过程中，出现孪晶间界的过程叫孪生。孪晶与堆

垛层错有