先进半导体硅材料：优化纳米集成电路性能的重要基础.pdfVIP

电子发烧友 电子技术论坛 先进半导体硅材料：优化纳米集成电路性能的重要基础 屠海令 （北京有色金属研究总院北京 100088 ） 摘要：本文阐述了用于纳米集成电路的大直径硅材料中传热、传质过程，硅中 金属杂质元素行为以及点缺陷及其衍生缺陷的产生和运动规律，表面形态与表面质 量控制等研究热点；介绍了绝缘体上硅（SOI）、锗硅和应变硅等硅基材料的特性及 技术发展趋势；展望了硅及硅基材料未来在纳米电子学和光子学领域的发展前景。 半导体工业的飞速发展是人类历史上的一个奇迹。半导体产品不断更新，持续 降价，推动着全球科技进步，改变着人们的生活方式。而支持这一切的基础是半导 体硅材料。 半导体硅作为现代电子工业的基础材料已有半个世纪的历史，尽管集成电路密 度遵循“摩尔定律”不断提高，设计线宽急剧减小，硅材料总能适应器件发展，满 足其越来越苛刻的要求。2005 年世界半导体硅材料产量和销售收入已分别达到 66.45 亿平方英寸和 79 亿美元 (见表 1)。可以预料，半导体材料将为信息产业在 21 世纪 持续发展奠定更加坚实的基础 （见图1）。 表 1. 世界半导体硅材料产量和销售额 2002 2003 2004 2005 销售额（亿美元） 55 58 73 79 产量（亿平方英寸） 46.81 51.49 62.63 66.45 其中：抛光片 35.21 38.21 46.57 49.76 外延片 9.43 11.11 13.63 14.44 非抛光片 2.17 2.26 2.42 2.25 当前对于微/纳米集成电路所需的 200mm (8 英寸) 、300mm (12 英寸) 乃至更大 直径的 450mm 硅片来说，其晶体生长工艺、金属污染和缺陷控制、表面形态与质量 等都面临着新的挑战。硅材料的标准、加工技术、检测方法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，硅基材料的研究与开发日臻成熟，锗硅及绝 缘体上硅(SOI)等硅基材料已在器件与电路的制备方面取得了引人注目的进展。 1 电子发烧友 电子技术论坛 单位：亿美元 2020 年 图 1. 2020 年世界半导体市场预测 1.大直径硅单晶生长的传热与传质 进入超大规模集成电路时代以来，大直径硅单晶一直是热门的研发课题，图 2 所示为晶体生长中[2]传质、传热及缺陷形成的过程。目前国际上主流工业产品仍为直 径 200mm 硅片。2004 年 300mm 硅片已经占总消耗量的 10%以上，我国也于 1997 年拉制出 300mm 硅单晶。SEMI 虽已制定了直径 300mm 硅片的标准，但生长 300mm 或更大直径的硅单晶仍面临诸多问题：坩埚中热对流随熔体量增大愈加强烈，Gr 迅 速增大，导致湍流出现，会影响大直径单晶的完整性和均匀性；传统的细颈不能支 撑几百公斤重的晶棒，同时细颈部位温度增高，缩颈过程易产生位错，并迅速延伸； 点缺陷影响明显，消除氧化层错更加困难；每次拉晶成本大大增加，这意味着必须 [3] [4] 加强计算机模拟工作，减少实验次数。Dupret 等人 和 Seidl 等人 报告了生长大直 径单晶熔体动力学数学模型，Chandrasekhar