半导体硅及硅基材料研究中的几个问题

作者简介 : 屠海令 , 男 , 中国工程院院士 , 北京有色金属研究总院院长 , 教授 , 博士生导师
2
上 海 金 属
第 30 卷
高 , 缩颈过程易产生位错并迅速延伸 ; 点缺陷影 响明显 , 消除点缺陷及其扩展缺陷更加困难 ; 晶 体生长研究成本大幅增加 , 这意味着必须加强计 算机数值模拟工作 , 减少实验次数 。
氧沉淀一直是令人瞩目的研究课题 。氧沉淀 有益于金属杂质的内吸除 ( IG) [15] , IG 可延长少 子寿命并提高器件成品率 。硅中氧与点缺陷的相 互作用对材料质量和集成电路性能有着重要影 响 。在大直径硅单晶中氧和空位的浓度较高 , 间 隙氧产生压应力场 , 空位产生张应力场 ; 异质成 核的势垒比均质成核要小得多[16] , 而单晶冷却 时主要的缺陷成核物是补偿晶格应力的空位2氧 复合体 。
铜在硅中有较高的溶解度和扩散系数 , 可在 较低的温度下快速扩散 , 多年来一直是半导体材 料与器件制备工艺中极力避免的金属杂质 。1998 年 9 月 IBM 成功推出 400MHz Power PCTM 740Π750 电路 , 推动了铜互连技术的快速发展 。但铜基底 层沉积 , 铜填入及化学机械抛光等关键技术均有 待进一步完善 , 降低这些工艺过程中的铜污染仍
第5期
屠海令 : 半导体硅及硅基材料研究中的几个问题
3
为当前的重要研究课题 。 掺入某些稀土金属可改善硅的光电特性 。上
世纪 80 年代中期 , 掺铒硅在光激发或电注入条 件下 , 在 1154μm 处 观 察 到 了 发 光 现 象[12] 。尔 后 , 麻省理工学院 Kimerling 研究组与贝尔实验 室合作研制出波长 1154μm 的掺铒硅发光二极管 , 并深入开展了掺稀土杂质硅材料光电子学方面的 基础研究[13] 。有关半导体材料稀土掺杂的理论 及应用 , 请参阅文献[14] 。
磁场对大直径单晶生长及晶体中缺陷和杂质 的数量和均匀性具有明显作用 , cusp 磁场作用优 于水平和垂直磁场 。磁场的作用常被描述为可增 强硅熔体的动态粘度 , 即所谓的磁粘性 。但近来 的研究证实 , 其主要作用是降低垂直于磁力线的 剪切率 。
上世纪 90 年代后期日本成立了超级硅研究 所 (简称 SSI) , 实行了 5 年计划 ; 研究内容包括 直径 400mm 的单晶制备 、晶片加工和外延生长
图 2 部份三维数值模拟硅单晶生长的网格结构
3 杂质行为与材料性能 硅中金属特别是过渡金属杂质具有很高的电
活性 。铁 、铜 、镍 、锌 、铬等是半导体硅材料中 危害较大的金属元素 。对于直径 300mm 的硅片 , 要求上述每种元素的表面含量少于 1010 cm- 2 。此 类检测技术有气相分解 (VPD) 、ICP 质谱与全反 射 X 射 线 荧 光 谱 ( TXRF) 。Shimura[9] 等 研 究 了 钠 、镍 、铜 、钨 、金 、铬 、钴 、铝 、铁对硅中少 数载流子寿命 (少子寿命) 的影响 。为避免不可 控的漏电流弱化电路性能 , 少子寿命扫描测量越 来越派上用场 。硅中少子寿命主要取决于外来杂 质和起陷阱作用的晶体缺陷 , 近年来 , 表面光电 压法 (SPV) 测量少子寿命取得了较大进展 。此 外 , 硅体内的间隙铁原子与 FeB 复合体对表面复 合速度和复合寿命的影响已成为大规模集成电路 和硅材料电学性能研究中的重要课题[10] 。晶体 加工的工艺参数与 p 型硅片中铁浓度及其二维分 布与硅中少子扩散长度有密切关系[11] 。
【Key Words】 Large Diameter Silicon Crystals , Silicon Based Materials , Defects , Impurities
1 前言 半导体硅作为信息产业的基础材料已有半个
世纪的历史 。近年来 , 微Π纳电子 、光电子技术 的发展不断对半导体硅材料提出新的需求 。2007 年国际半导体技术路线图 ( ITRS) 列出了一系列 更严格的材料标准 。大直径硅单晶和硅基材料的 均匀性 、完整性及表面质量将成为决定新一代器 件性能 、成品率和可靠性的重要因素 。
【关键词】 大直径硅单晶 硅基材料 缺陷 杂质
SEVERAL ISSUES IN SEMICOND UCTOR SIL ICON AND SIL ICON BASED MATERIALS RESEARCH
Tu Hailing (National Engineering Research Center for Semiconductor Materials ,
硼 、磷 、砷是半导体硅中最常见的三种非金 属掺杂元素 , 硼 、磷分别是制备 p 型和 n 型半导 体硅材料的掺杂剂 , 而重掺砷硅片是制作高端功 率器件和集成电路的重要 n 型衬底材料 。
氧 、碳 、氢 、氮是硅中研究最多的另外四种 非金属元素 。对于氧 、碳杂质 , 通常的做法是控 制硅中氧含量 , 降低碳含量 。由于集成电路的设 计线宽不断减小 , 硅单晶中氧浓度及其轴向和径 向均匀性需要精确控制 。实验证明 , 采用 cusp 磁场可有效控制体硅中的氧 , 对改善大直径硅单 晶的均匀性具有实际意义 。
硅中氢的行为 , 特别是有关氢对缺陷和杂质 的钝化作用的研究已有较长的历史 , 上世纪 80 年代 Qin 等[17] 研究了单晶硅中氢的行为和与氢有 关的缺陷 。近年来 , 由于 SMART2CUT 的 SOI 材 料的实用化和氢高温热处理的 “高级硅片”的商 品化 , 使众多的研究工作者 , 更加关注氢注入后 硅中 缺 陷 的 行 为 以 及 相 关 的 动 力 学 特 征[18] 。 Stavola[19] 评论硅中氢可与许多缺陷作用 , 并在与 本征点缺陷作用中扮演重要角色 。氢不但可与施 主或受主杂质形成复合体 , 而且还能在硅中形成 分子 。Weber 等[20] 观察到两种氢分子状态 , 其中 一种是高度可动性分子 , 不仅在晶格间隙中存 在 , 且极易被空洞俘获 , 显示出与氢气相似的拉
对于纳米集成电路所需的直径 300mm (12 英寸) 的硅片来说 , 其几何参数 、金属污染和缺 陷密度 、表面与界面的质量等都面临着新的挑 战 。硅材料的标准 、检测技术和成本也将成为今 后研究的主要内容和推动产业发展的关键 。此 外 , SOI、Si Ge 及应变硅等硅基材料的性能研究 与技术开发日臻成熟 , 作为体硅材料的重要补充
第30卷 第 5 期 2008年9月
上 海 金 属 SHANGHAI METALS
Vol130 , No15 1
September , 2 0 0 8
半导体硅及硅基材料研究中的几个问题
屠海令
(北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心 , 北京 100088)
【摘要】 叙述了大直径硅单晶生长 , 计算机数值模拟以及绝缘体上硅 ( SOI) 、锗硅 (Si Ge) 和应变硅等硅基材料的研究进展 , 讨论了硅中缺陷演化 、杂质特性 、缺陷工程和表 面与界面质量控制 , 展望了后摩尔时代半导体硅及硅基材料的发展前景 。
三部分 。而美国半导体工业协会 ( SIA) 则提出 硅单晶直径由 300mm 直接过渡到 450mm 比较合 理 。最新的 ITRS 提议 2012 ～ 2016 年作为引入 450mm 硅材料的目标时段 。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
图 1 大直径硅单晶生长中传质 、 传热和缺陷形成过程示意图
Dupret 等[2] 和 Seidl 等[3] 报告了生长大直径单 晶熔体动力学数学模型 。计算机数值模拟在大直 径硅单晶生长和热场设计[4 ,5] 中已是不可缺少的 工具 。图 2 给出了晶体生长过程的部分三维数值 模拟网格结构 。Chandrasekhar 等[6 ,7] 报告了以新 的缩颈技术生长 300mm 无位错硅单晶 。屠海令 等[8] 针对直径 300mm 硅单晶生长过程熔体热对 流强烈的问题 , 提出优化 24″～28″热场与调整拉 速相结合的技术路线 , 抑制了坩埚中熔体热对 流 ; 通过调控纵向固液交界温度梯度与拉晶速率 之比 , 较好控制了微缺陷的尺度和密度 , 进一步 降低了大直径硅单晶的成本 。
Rozgonyi[23] 提出一个硅中缺陷演化及杂质互 作用的整体模型 (见图 3) , 并指出检测诊断技 术及确定各种硅中缺陷的关键作用 。随着集成电 路设计线宽向纳米量级发展 , 硅中点缺陷更是重 要的研究课题 。
图 3 硅晶体生长和热加工过程中点缺陷的 演化及与杂质的互作用
这些点缺陷包括空位和自间隙原子 , 其类 型 、浓度与分布 , 直接与晶体生长技术和热处理 条件 有 关 。现 已 发 现 几 种 长 入 缺 陷[24～27] , 如 LSTD ( laser scattering tomography defect ) , FPD (flow pattern defect) , SEPD (Secco etch pit defect) , COP (crystal originated pit) 等均由同一种八面体 空洞构成 , 这些八面体空洞是晶体生长过程中空 位聚集的结果[28] 。实验表明 , 大直径直拉硅单 晶的生长速度 V 与固液交界面处的轴向温度梯 度 G是影响点缺陷的两个重要因素 。理论计算 也指出 : V 与点缺陷的输运相联系 , G 与点缺陷 在固液交界面的湮灭过程有关 ; 而 VΠG 比值的 大小 决 定 晶 体 中 点 缺 陷 的 类 型 和 浓 度。 Voronkov[29] 提出 VΠG 有一个经验临界值 , 大约为 113 ×10 - 3 cm- 2 m- 1 k - 1 , 大于此值 , 则单晶中点 缺陷为空位占优势 ; 小于此值 , 则单晶中点缺陷
曼谱特征 。 氮在硅 中 的 行 为 也 引 起 了 一 些 研 究 者 的 兴
趣 , 掺氮可提高硅片的机械强度从而减小热处理 导致的翘曲[21] 。Ammon 等[22] 发现氮与空位可形 成复合体 , 硅片中空洞的尺寸与氮含量有函数关 系 。也有研究者报告 , 硅中氮氧复合体可抑制热 施主和新施主的形成 。 4 晶体缺陷与缺陷工程
和发展 , 已在器件与电路应用方面取得了引人注 目的进展 。 2 大直径硅单晶生长
进入 21 世纪以来 , 大直径硅单晶一直是热 门的研发课题 , 图 1 所示为直拉硅单晶生长中[1] 传质 、传 热 及 缺 陷 形 成 的 过 程 。目 前 国 际 上 300mm 硅片已经超过总消耗量的 30 %以上 , 我 国也于 1997 年拉制出 300mm 硅单晶 。国际半导 体材料与设备协会 ( SEMI) 制定了直径 300mm 硅片的标准 , 但生长高质量 300mm 或更大直径 的硅单晶仍面临诸多方面的问题 : 如坩埚中热对 流随熔体量增大愈加强烈 , 表示热对流驱动作用 的无量纲数 Gr 迅速增大 , 导致湍流 , 严重影响 大直径单晶的完整性和均匀性 ; 传统的细颈难以 支撑几百千克重的晶棒 , 同时细颈部位温度增
General Research Institute for Nonferrous Metals)
【Abstract】 The feature size of the integrated circuits has continuously reduced and the major silicon wafer diameter shifting to 300mm. The challenge confronted by demanding higher quality and lower cost has been the most pressing issue for semiconductor silicon materials. The current paper reviews the development of the large diameter silicon crystal growth , defects , impurities in silicon , the surface and interface quality control and defect engineering. The emerging silicon based materials : silicon on insulator (SOI) , silicon germanium (Si Ge) and strained silicon have been discussed. The prosperity of bulk silicon and silicon based materials in the“More than Moore” (MtM) era has been forecasted.