最後更新:2026年10月8日半導體材料矽晶圓製造(長晶・切片・研磨)中國大陸:点缺陷(空位・间隙原子)

點缺陷(空位・間隙原子)是什麼

Point Defect

點缺陷是晶體中原子1個位置上產生的紊亂,包括晶格點空出的空位、擠進空隙的間隙原子、由其他原子佔據的取代型雜質等。與其他缺陷不同之處在於,即使在熱平衡下也會隨溫度呈指數增加。由於它居中促成矽中摻雜物的擴散,當離子佈植或氧化使點缺陷過剩時,硼的擴散會大幅加速。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

點缺陷是晶體中原子1個(或極少數)位置上產生的紊亂。代表性的有:原本應有原子的晶格點空出的空位(vacancy)、多餘原子擠進晶格點之間空隙的間隙原子(interstitial),以及不同種類原子佔據晶格點的取代型雜質。

點缺陷與差排等其他晶體缺陷的不同之處在於,即使在熱平衡狀態下也必定以一定比例存在。若形成1個點缺陷所需的能量(形成能)為 E_f,其濃度與 exp(−E_f/kT) 成正比,隨溫度急遽增加。在矽熔點附近被吸收的空位或間隙矽,在晶體冷卻過程中未完全消失而成為過飽和,就是 COP 等長晶時導入缺陷的成因。

點缺陷在半導體製造中之所以重要,是因為它居中促成摻雜物的擴散。矽中的硼或磷主要與間隙矽成對移動,銻則主要經由空位移動。因此當氧化或離子佈植使間隙矽過剩時,硼的擴散會暫時大幅加速。這種暫態增強擴散是製作淺接面的一大障礙。

離子佈植也是大量產生點缺陷的製程。高速離子將矽原子從晶格點撞出,接連產生空位與間隙原子的對(Frenkel 對)。佈植劑量大時晶體會被破壞而非晶化,在熱處理再結晶時,殘留在非晶層邊緣的間隙原子會形成差排環(EOR 缺陷)。佈植後的退火,是在活化摻雜物的同時,修復這些損傷的製程。

點缺陷會在能隙中形成能階,成為載子捕獲或再結合的中心。特別是鐵、銅、鎳等金屬雜質會形成深能階,大幅縮短少數載子的生命期,因此要求以極低濃度管理。在化合物半導體中,原子的缺失或互換(反位缺陷)左右電性,GaAs 的半絕緣性就是與稱為 EL2 的深能階點缺陷有關而實現的。

點缺陷(空位・間隙原子)的常見問題

空位與間隙原子有什麼不同?
空位是原子從原本應有原子的晶格點脫出所留下的「洞」,間隙原子則是多餘擠進晶格點之間空隙的原子。矽中兩者同時存在,彼此相遇就會再結合而消失。哪一方較多,會改變長晶時產生的缺陷種類與摻雜物的擴散速度。
點缺陷與摻雜物的擴散有什麼關係?
摻雜物原子單獨幾乎無法移動,要與點缺陷結合才能在晶體中移動。矽中的硼與磷主要與間隙矽結合擴散,銻則主要與空位結合擴散。因此當氧化或離子佈植使間隙矽增加時,硼與磷的擴散會變快,銻的擴散則會變慢。
離子佈植產生的點缺陷會怎樣?
佈植剛完成時存在大量空位與間隙原子,但其中多數會在熱處理中彼此再結合而消失。殘留的過剩間隙原子會聚集成棒狀缺陷或差排環,再施加熱處理後便逐漸消除。這個過程中摻雜物的擴散會暫時加速,因此製作淺接面時會採用短時間熱處理。

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