纳米集成电路用大直径硅与硅基材料的研究进展

钟锐涛

摘  要：长期以来，半导体硅材料对信息产业发展起到了决定性的作用。当前纳米集成电路发展起来，使用硅基材料，器件功耗有所降低，运行速度提升，各种负面影响减少。文章着重于探讨纳米集成电路用大直径硅与硅基材料的研究进展。

关键词：纳米集成电路;大直径硅;硅基材料;研究进展

中图分类号：TN40          文献标志码：A         文章编号：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

纳米集成电路用大直径硅与硅基材料是当前的重点研究课题，其进一步研究，对硅基材料的研发起到了一定的促进作用，一旦进入到产业化环节，就会满足市场的需求。各种硅材料都有优良的性能，而且兼容性很好。对于大直径硅片的工艺技术中所存在的问题以及制备硅基材料所采用的方法都已经成为研究热点，为纳米集成电路的研发提供条件[1]。

1 300毫米半导体硅片的研究现状

从当前300毫米半导体硅片的研究情况来看，主要为大直径硅片的局限性、合理设计热场、无位错单晶、拉晶处理、线切割、清洗技术以及半导体硅片的国产化。具体见下面的介绍。

300毫米硅片在0.13微米以下使用，纳米线宽集成电路中应用更加广泛，但是很难控制固液界面的形状和温度梯度。大直径硅片经过热加工之后很容易变形，所以存在严重的热应力问题。在半导体技术路线图中就已经对硅片的性质产生影响，其中含有氧和金属杂质，这是其所存在的缺陷。局部平坦度不够，表面比较粗糙，从硅片表面来看，几乎看不到，局部几何尺寸会存在偏差，但是局限在纳米级，在加工器件的时候，起初会一定的吸杂能力。

在300毫米单晶硅熔体生长的时候，就难以控制热对流了，这就需要对热场合理设计，还需要使用有效的热辐射防护系统。磁场中电子器件需要应用防护系统，避免使用中受到磁场的干扰。西门子Kayex公司设计有单晶设备中的充电单元，可以获得连续拉晶的效果，从而降低了电耗和煤气消耗，提高了坩埚的产量，延长了坩埚的使用寿命。晶体悬浮系统的技术上也是有一定要求的，低热冲击、抗热驱动、重量传递过程要保持稳定，没有污染、不会产生振动[2]。

在300毫米硅单晶的生长中，晶体重量大大增加，此时需要高度重视晶种强度和颈缩过程。研究了籽晶轴承极限加热场的温度分布情况可以明确，籽晶夹紧方式的影响是比较大的，同时也会受到重熔量的影响。为了解决这方面的问题，可以制备无位错单晶，主要采用较粗的晶种和鼓包诱导晶体技术;双夹紧技术的应用中，当颈缩的时候，直径大幅度减小，当达到6毫米的時候没有出现断裂的问题，晶种寿命得以延长。对300毫米硅单晶生长过程进行数值模拟，分别通过热场、浓度场和速度场，采用点缺陷动力学模拟的方法，其是建立在热场和液体流动的基础上展开模拟的。除了扩散和对流外，点缺陷还可以与氧结合，形成的状态是非常复杂的，这是很难模拟的。目前，运用缺陷动力学模型可以对点缺陷的三维分布进行解释，主要采用定量分析的方法，还可以对二次缺陷进行分析，了解其形成的过程[3]。

由于晶体直径有所增加，晶体和坩埚所旋转的速度不能太快，熔体流动的复杂性明显增加，如此无法有效控制氧的纵向和径向分布的情况，无法保证其均匀性。为了解决这个问题，可以使用cusp磁场进行拉晶处理。同时，将具有调节作用的热场设计出来是非常必要的，采用合适的生长工艺可以处理这方面的问题。

在集成电路技术中会存在重金属杂质污染的问题，硅片直径越来越大，金属污染程度就会更加严重。利用缺陷工程来将金属杂质消除，可以使得硅片表面避免被污染。硅片热处理技术应用中，主要是对cops缺陷予以消除。在300毫米硅片几个结果高温热处理的时候，会有滑移的现象产生，或者出现翘曲的现象。因此，研究的重点是改进硅片的加载支撑装置，对于热处理炉重新设计。对于300毫米硅片，吸收能力最为重要。在这个过程中，金属杂质被氧沉淀及其衍生缺陷吸附在硅片上，以确保基板表面是一个清洁的区域。通过控制晶体生长的工艺参数，获得的氧浓度分布更为符合预期效果，按照特殊的热处理工艺技术要求，就会有氧沉淀分布。但是，在晶体生长过程中，氧浓度的分布很难控制，而且得到的氧浓度会有所变化，氧沉淀量都不是恒定的。氧沉淀直接决定了少数载流子寿命的衰减程度。

2 硅基材料的研究进展

当前的硅基材料研究进展主要是硅基材料生长技术应用方面的研究，二氧化硅材料在技术上有所改善，eltran技术所存在的优势更加显著，中国的硅基材料在技术上有了新的进展，克隆技术的应用中所获得的成果是实现了剥离，在硅片的研究方面降低了资金投入，研究效果显著。

半导体集成电路对外延材料的需求越来越大。不仅ASIC、微处理器等逻辑电路都采用了外延片，而且DRAM也开始使用外延片，以减小线宽。选择外延片的原因之一是为了消除抛光片中原有缺陷对器件造成的影响以及对电路造成的干扰，使得成品率提高，保证其可靠性。纳米集成电路对外延片的表面粒度、表面金属含量、表面粗糙度和厚度均匀性提出了更高的要求。300毫米衬底上外延层的厚度变薄，就要面对一个重要的问题，即外延层厚度的均匀性受到影响。SiGe材料生长技术的应用可以满足各项要求，不仅成本低，而且多系统兼容，有很高的集成度，运转速度提高，效率也大大提高，满足第三代移动通信提出的宽带和低噪声的要求。

二氧化硅材料比体硅和外延硅材料的抗辐射性更强，寄生电容也有效消除，器件隔离度也大大增强，电路的功耗降低。二氧化硅材料在低压低功耗集成电路，包括微机械系统、三维电路等等都具有非常好的发展前景。IBM在二氧化硅材料上开发了微处理器芯片，性能得以提高，满足市场需求。AMD将二氧化硅tech的二氧化硅芯片充分利用起来，高端处理器芯片得以批量生产。制备二氧化硅材料有很多的方法，使得二氧化硅芯片在生产线上大量生产。目前，二氧化硅材料的研究重点主要集中在如何降低制造成本，减少二氧化硅层的缺陷，解决二氧化硅层的自热效应和制备超薄二氧化硅，这是近年来的改进工艺，将来有望实现产业化。低剂量注射后，在超过130摄氏度的高温环境光中，ArO2气氛中退火，实现氧化。日本新制铁公司对于这方面技术的研究采用了新工艺，二氧化硅顶层硅膜中的位错密度有所减少，硅膜的厚度和埋层厚度比较均匀，表面的平整度提高了，界面也得以改善。

Eltran技术的优势在于将cops问题有效解决，有助于薄膜二氧化硅器件的成品率的提高。Ohshima等人针对这方面的问题进行研究表明，基于外延的eltran 二氧化硅芯片在少数载流子寿命方面要比二氧化硅芯片更有优势，并且氧化层的完整性更好。Eltran采用单腐蚀端接技术加以验证，表明，其腐蚀性非常高，厚度是保持一致。“克隆”技术的应用可以获得剥离的效果，硅片的资金投入也有所降低。此外，氢退火技术的应用可以确保二氧化硅薄膜表面有良好的光滑度，表面微粗糙度的情况逐渐消失。由于横向拉伸应变现象的存在，应变硅会出现能带分裂的问题，电子和空穴的迁移率与普通的硅材料相比较明显提高。美国Ambe rwave公司于宣布研制成功应变硅。在应变硅上制备了MOSFE、THBT、PMOSFET，电子和空穴的迁移能力大大提高。日本日立公司展示了带有应变硅通道的MOS晶体管，n通道的电流驱动提高了70%，p通道的电流驱动提高了50%。美国英特尔公司还展示了应变硅SRAM芯片，奔腾4微处理器就采用了这个技术成果。晶体管电流或驱动电流明显增加，可以达到10%至20%，可以应用90nm技术节点。

硅基负极材料由于充放电过程中存在較大的体积效应，研究人员开始进行改性研究。当硅的尺度小到一定程度的时候，硅体积效应的影响就也会相应地减小，让硅颗粒预有足够的膨胀空间，所以硅的纳米化可以将硅基负极材料商业化予以有效解决。

3 结束语

通过上面的研究可以明确，以高质量、低成本为主要目标，向标准化设备、车间和新工艺方向发展大直径半导体硅和硅基纳米集成电路材料，这项研究开发进一步深化。纳米集成电路用硅及硅基材料的研究已经全面展开，需要有关的机构积极配合，控制好成本，产品投入市场，满足消费者需求。

参考文献：

[1]刘志鹏，刘盛意.纳米集成电路大生产中新工艺技术现状及发展趋势[J].同行，2016（12）：58-59.

[2]甘应贤.纳米集成电路多种老化效应的协同缓解技术研究[D].合肥工业大学，2016.

[3]朱恒亮，曾璇，崔涛，等.纳米集成电路互连线建模和光刻仿真中的大规模并行计算方法[J].中国科学：信息科学，2016，46（10）：1372-1372.

[4]杜子良，陈少平，王彦坤，等.硅纳米线复合Mg2Si基热电材料的制备与性能研究[J].稀有金属材料与工程，2016，45（10）：2717-2722.