納米集成電路用大直徑硅與硅基材料的研究進(jìn)展

鐘銳濤

摘? 要：長期以來，半導(dǎo)體硅材料對信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了決定性的作用。當(dāng)前納米集成電路發(fā)展起來，使用硅基材料，器件功耗有所降低，運(yùn)行速度提升，各種負(fù)面影響減少。文章著重于探討納米集成電路用大直徑硅與硅基材料的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：納米集成電路;大直徑硅;硅基材料;研究進(jìn)展

中圖分類號：TN40? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0068-02

Abstract： For a long time， semiconductor silicon materials have played a decisive role in the development of information industry. At present， with the development of nano-integrated circuits and the use of silicon-based materials， the power consumption of devices has been reduced， the running speed has been increased， and various negative effects have been reduced. This thesis focuses on the research progress of large diameter silicon and silicon-based materials for nano-integrated circuits.

Keywords： nano-integrated circuits; large diameter silicon; silicon-based materials; research progress

引言

納米集成電路用大直徑硅與硅基材料是當(dāng)前的重點(diǎn)研究課題，其進(jìn)一步研究，對硅基材料的研發(fā)起到了一定的促進(jìn)作用，一旦進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化環(huán)節(jié)，就會滿足市場的需求。各種硅材料都有優(yōu)良的性能，而且兼容性很好。對于大直徑硅片的工藝技術(shù)中所存在的問題以及制備硅基材料所采用的方法都已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，為納米集成電路的研發(fā)提供條件[1]。

1 300毫米半導(dǎo)體硅片的研究現(xiàn)狀

從當(dāng)前300毫米半導(dǎo)體硅片的研究情況來看，主要為大直徑硅片的局限性、合理設(shè)計(jì)熱場、無位錯單晶、拉晶處理、線切割、清洗技術(shù)以及半導(dǎo)體硅片的國產(chǎn)化。具體見下面的介紹。

300毫米硅片在0.13微米以下使用，納米線寬集成電路中應(yīng)用更加廣泛，但是很難控制固液界面的形狀和溫度梯度。大直徑硅片經(jīng)過熱加工之后很容易變形，所以存在嚴(yán)重的熱應(yīng)力問題。在半導(dǎo)體技術(shù)路線圖中就已經(jīng)對硅片的性質(zhì)產(chǎn)生影響，其中含有氧和金屬雜質(zhì)，這是其所存在的缺陷。局部平坦度不夠，表面比較粗糙，從硅片表面來看，幾乎看不到，局部幾何尺寸會存在偏差，但是局限在納米級，在加工器件的時候，起初會一定的吸雜能力。

在300毫米單晶硅熔體生長的時候，就難以控制熱對流了，這就需要對熱場合理設(shè)計(jì)，還需要使用有效的熱輻射防護(hù)系統(tǒng)。磁場中電子器件需要應(yīng)用防護(hù)系統(tǒng)，避免使用中受到磁場的干擾。西門子Kayex公司設(shè)計(jì)有單晶設(shè)備中的充電單元，可以獲得連續(xù)拉晶的效果，從而降低了電耗和煤氣消耗，提高了坩堝的產(chǎn)量，延長了坩堝的使用壽命。晶體懸浮系統(tǒng)的技術(shù)上也是有一定要求的，低熱沖擊、抗熱驅(qū)動、重量傳遞過程要保持穩(wěn)定，沒有污染、不會產(chǎn)生振動[2]。

在300毫米硅單晶的生長中，晶體重量大大增加，此時需要高度重視晶種強(qiáng)度和頸縮過程。研究了籽晶軸承極限加熱場的溫度分布情況可以明確，籽晶夾緊方式的影響是比較大的，同時也會受到重熔量的影響。為了解決這方面的問題，可以制備無位錯單晶，主要采用較粗的晶種和鼓包誘導(dǎo)晶體技術(shù);雙夾緊技術(shù)的應(yīng)用中，當(dāng)頸縮的時候，直徑大幅度減小，當(dāng)達(dá)到6毫米的時候沒有出現(xiàn)斷裂的問題，晶種壽命得以延長。對300毫米硅單晶生長過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別通過熱場、濃度場和速度場，采用點(diǎn)缺陷動力學(xué)模擬的方法，其是建立在熱場和液體流動的基礎(chǔ)上展開模擬的。除了擴(kuò)散和對流外，點(diǎn)缺陷還可以與氧結(jié)合，形成的狀態(tài)是非常復(fù)雜的，這是很難模擬的。目前，運(yùn)用缺陷動力學(xué)模型可以對點(diǎn)缺陷的三維分布進(jìn)行解釋，主要采用定量分析的方法，還可以對二次缺陷進(jìn)行分析，了解其形成的過程[3]。

由于晶體直徑有所增加，晶體和坩堝所旋轉(zhuǎn)的速度不能太快，熔體流動的復(fù)雜性明顯增加，如此無法有效控制氧的縱向和徑向分布的情況，無法保證其均勻性。為了解決這個問題，可以使用cusp磁場進(jìn)行拉晶處理。同時，將具有調(diào)節(jié)作用的熱場設(shè)計(jì)出來是非常必要的，采用合適的生長工藝可以處理這方面的問題。

在集成電路技術(shù)中會存在重金屬雜質(zhì)污染的問題，硅片直徑越來越大，金屬污染程度就會更加嚴(yán)重。利用缺陷工程來將金屬雜質(zhì)消除，可以使得硅片表面避免被污染。硅片熱處理技術(shù)應(yīng)用中，主要是對cops缺陷予以消除。在300毫米硅片幾個結(jié)果高溫?zé)崽幚淼臅r候，會有滑移的現(xiàn)象產(chǎn)生，或者出現(xiàn)翹曲的現(xiàn)象。因此，研究的重點(diǎn)是改進(jìn)硅片的加載支撐裝置，對于熱處理爐重新設(shè)計(jì)。對于300毫米硅片，吸收能力最為重要。在這個過程中，金屬雜質(zhì)被氧沉淀及其衍生缺陷吸附在硅片上，以確?；灞砻媸且粋€清潔的區(qū)域。通過控制晶體生長的工藝參數(shù)，獲得的氧濃度分布更為符合預(yù)期效果，按照特殊的熱處理工藝技術(shù)要求，就會有氧沉淀分布。但是，在晶體生長過程中，氧濃度的分布很難控制，而且得到的氧濃度會有所變化，氧沉淀量都不是恒定的。氧沉淀直接決定了少數(shù)載流子壽命的衰減程度。

2 硅基材料的研究進(jìn)展

當(dāng)前的硅基材料研究進(jìn)展主要是硅基材料生長技術(shù)應(yīng)用方面的研究，二氧化硅材料在技術(shù)上有所改善，eltran技術(shù)所存在的優(yōu)勢更加顯著，中國的硅基材料在技術(shù)上有了新的進(jìn)展，克隆技術(shù)的應(yīng)用中所獲得的成果是實(shí)現(xiàn)了剝離，在硅片的研究方面降低了資金投入，研究效果顯著。

半導(dǎo)體集成電路對外延材料的需求越來越大。不僅ASIC、微處理器等邏輯電路都采用了外延片，而且DRAM也開始使用外延片，以減小線寬。選擇外延片的原因之一是為了消除拋光片中原有缺陷對器件造成的影響以及對電路造成的干擾，使得成品率提高，保證其可靠性。納米集成電路對外延片的表面粒度、表面金屬含量、表面粗糙度和厚度均勻性提出了更高的要求。300毫米襯底上外延層的厚度變薄，就要面對一個重要的問題，即外延層厚度的均勻性受到影響。SiGe材料生長技術(shù)的應(yīng)用可以滿足各項(xiàng)要求，不僅成本低，而且多系統(tǒng)兼容，有很高的集成度，運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高，效率也大大提高，滿足第三代移動通信提出的寬帶和低噪聲的要求。

二氧化硅材料比體硅和外延硅材料的抗輻射性更強(qiáng)，寄生電容也有效消除，器件隔離度也大大增強(qiáng)，電路的功耗降低。二氧化硅材料在低壓低功耗集成電路，包括微機(jī)械系統(tǒng)、三維電路等等都具有非常好的發(fā)展前景。IBM在二氧化硅材料上開發(fā)了微處理器芯片，性能得以提高，滿足市場需求。AMD將二氧化硅tech的二氧化硅芯片充分利用起來，高端處理器芯片得以批量生產(chǎn)。制備二氧化硅材料有很多的方法，使得二氧化硅芯片在生產(chǎn)線上大量生產(chǎn)。目前，二氧化硅材料的研究重點(diǎn)主要集中在如何降低制造成本，減少二氧化硅層的缺陷，解決二氧化硅層的自熱效應(yīng)和制備超薄二氧化硅，這是近年來的改進(jìn)工藝，將來有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。低劑量注射后，在超過130攝氏度的高溫環(huán)境光中，ArO2氣氛中退火，實(shí)現(xiàn)氧化。日本新制鐵公司對于這方面技術(shù)的研究采用了新工藝，二氧化硅頂層硅膜中的位錯密度有所減少，硅膜的厚度和埋層厚度比較均勻，表面的平整度提高了，界面也得以改善。

Eltran技術(shù)的優(yōu)勢在于將cops問題有效解決，有助于薄膜二氧化硅器件的成品率的提高。Ohshima等人針對這方面的問題進(jìn)行研究表明，基于外延的eltran 二氧化硅芯片在少數(shù)載流子壽命方面要比二氧化硅芯片更有優(yōu)勢，并且氧化層的完整性更好。Eltran采用單腐蝕端接技術(shù)加以驗(yàn)證，表明，其腐蝕性非常高，厚度是保持一致。“克隆”技術(shù)的應(yīng)用可以獲得剝離的效果，硅片的資金投入也有所降低。此外，氫退火技術(shù)的應(yīng)用可以確保二氧化硅薄膜表面有良好的光滑度，表面微粗糙度的情況逐漸消失。由于橫向拉伸應(yīng)變現(xiàn)象的存在，應(yīng)變硅會出現(xiàn)能帶分裂的問題，電子和空穴的遷移率與普通的硅材料相比較明顯提高。美國Ambe rwave公司于宣布研制成功應(yīng)變硅。在應(yīng)變硅上制備了MOSFE、THBT、PMOSFET，電子和空穴的遷移能力大大提高。日本日立公司展示了帶有應(yīng)變硅通道的MOS晶體管，n通道的電流驅(qū)動提高了70%，p通道的電流驅(qū)動提高了50%。美國英特爾公司還展示了應(yīng)變硅SRAM芯片，奔騰4微處理器就采用了這個技術(shù)成果。晶體管電流或驅(qū)動電流明顯增加，可以達(dá)到10%至20%，可以應(yīng)用90nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

硅基負(fù)極材料由于充放電過程中存在較大的體積效應(yīng)，研究人員開始進(jìn)行改性研究。當(dāng)硅的尺度小到一定程度的時候，硅體積效應(yīng)的影響就也會相應(yīng)地減小，讓硅顆粒預(yù)有足夠的膨脹空間，所以硅的納米化可以將硅基負(fù)極材料商業(yè)化予以有效解決。

3 結(jié)束語

通過上面的研究可以明確，以高質(zhì)量、低成本為主要目標(biāo)，向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備、車間和新工藝方向發(fā)展大直徑半導(dǎo)體硅和硅基納米集成電路材料，這項(xiàng)研究開發(fā)進(jìn)一步深化。納米集成電路用硅及硅基材料的研究已經(jīng)全面展開，需要有關(guān)的機(jī)構(gòu)積極配合，控制好成本，產(chǎn)品投入市場，滿足消費(fèi)者需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志鵬，劉盛意.納米集成電路大生產(chǎn)中新工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].同行，2016（12）：58-59.

[2]甘應(yīng)賢.納米集成電路多種老化效應(yīng)的協(xié)同緩解技術(shù)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]朱恒亮，曾璇，崔濤，等.納米集成電路互連線建模和光刻仿真中的大規(guī)模并行計(jì)算方法[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2016，46（10）：1372-1372.

[4]杜子良，陳少平，王彥坤，等.硅納米線復(fù)合Mg2Si基熱電材料的制備與性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2016，45（10）：2717-2722.