1.4 集成電路技術(shù)的發(fā)展和硅材料的關(guān)系

集成電路的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求不斷地提高集成電路管芯的性能價(jià)格比指標(biāo)，其主要途徑之一就是在保障硅單晶綜合質(zhì)量參數(shù)的前提下，向增大晶圓片直徑和縮小器件圖形特征尺寸的方向發(fā)展。自 20 世紀(jì) 90 年代末期至今的近 10 年期間，集成電路的器件圖形特征尺寸由0.35 μm降至0.13μm，而硅晶體晶圓直徑卻增加了近一倍。集成電路不僅對(duì)硅圓片的幾何尺寸和表面加工質(zhì)量提出了要求，而且也對(duì)單晶硅的內(nèi)在質(zhì)量提出了要求。高密度集成電路要求嚴(yán)格控制單晶硅中雜質(zhì)和缺陷的濃度與分布，以及雜質(zhì)和缺陷在隨后的熱加工過程中的動(dòng)力學(xué)行為。

下面具體討論當(dāng)前硅集成電路工藝技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)及其與硅單晶材料的關(guān)系。

1．集成電路的特征尺寸逐漸縮小，芯片的面積逐漸增大

為了追求芯片的高集成度、高性能和低成本，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)還在繼續(xù)。這將對(duì)作為集成電路制造基礎(chǔ)的硅單晶材料的制備工業(yè)產(chǎn)生以下影響。

（1）晶體微缺陷對(duì)芯片的影響增大

微缺陷是泛指單晶體中線度為微米級(jí)的各種微小的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，如氧化層錯(cuò)、外延層錯(cuò)、雜質(zhì)沉積團(tuán)、失配位錯(cuò)等。當(dāng)管芯面積增大時(shí)，器件圖形與微缺陷相交的機(jī)會(huì)將增加。根據(jù)二項(xiàng)式分布法計(jì)算管芯含有缺陷的概率，可以寫出管芯合格率的泊松分布表達(dá)式，如下：

式中，Y為管芯合格率，即管芯不含缺陷的概率；D0為硅片缺陷面密度的平均值；A為芯片面積。

式（1-1）表示隨著芯片面積的增大將導(dǎo)致芯片的合格率急劇下降。當(dāng)然也應(yīng)指出，該式?jīng)]有考慮硅片中缺陷的分布因素，根據(jù)該式計(jì)算的合格率比實(shí)際合格率要高。但是對(duì)于特征尺寸較小的電路來說，由于芯片上器件圖形的線條寬度與微缺陷的線度相近，所以與微缺陷相遇后受到的影響也較大，因此超大規(guī)模集成電路對(duì)于控制襯底材料中微缺陷的要求是很嚴(yán)格的。

（2）器件參數(shù)與單晶硅中雜質(zhì)分布、缺陷密度、分布特點(diǎn)、電活性等參量的關(guān)系

器件的特征尺寸逐步縮小，而襯底材料中的缺陷密度和電活性并不能按比例縮小。為了減小PN結(jié)寄生電容和MOS器件閾值電壓的襯底偏置效應(yīng)，集成電路大都將傾向于使用較高電阻率的襯底材料。為此，將更加重視單晶硅電阻率的提高和雜質(zhì)分布的均勻性。對(duì)于各種可能引起電阻率微小變化的因素，如由于雜質(zhì)分凝而引起的局部雜質(zhì)變化、氧空位施主作用等都應(yīng)當(dāng)受到嚴(yán)格控制。

2．降低生產(chǎn)成本，提高硅晶圓片的直徑

目前，國(guó)外集成電路產(chǎn)業(yè)普遍采用直徑為100～150mm的硅圓片，并且正在積極開發(fā)圓片直徑為200～250mm的集成電路工藝流水線。在我國(guó)，75mm硅圓片的線性集成電路也已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段。

大直徑單晶的生長(zhǎng)及其加工存在以下問題。

（1）硅材料電性能參數(shù)的徑向均勻性問題

在大直徑單晶生長(zhǎng)過程中，結(jié)晶前沿受熔硅波動(dòng)的影響較難保持穩(wěn)定。局部生長(zhǎng)速度的瞬態(tài)起伏所引起的雜質(zhì)分凝效應(yīng)將使雜質(zhì)濃度呈現(xiàn)條紋狀的波動(dòng)分布，從而使硅片電阻率分布出現(xiàn)相應(yīng)的變化。圖1-16所示為半導(dǎo)體硅材料中磷和硼雜質(zhì)的濃度分布與電阻率之間的關(guān)系。

（2）硅片平整度問題

大直徑硅片在應(yīng)力作用下容易翹曲。翹曲的程度可以用翹度來表示。硅片上某點(diǎn)的翹度為該點(diǎn)偏離平衡點(diǎn)位置的距離，可以利用材料力學(xué)的相關(guān)理論來分析、計(jì)算硅片上某點(diǎn)的翹度。顯然，硅圓片直徑增大的趨勢(shì)和特征尺寸縮小的趨勢(shì)是平行的。在這種形勢(shì)下材料加工技術(shù)面臨的任務(wù)是在增大硅圓片直徑的同時(shí)保證更好的參數(shù)均勻性和更好的表面平整度。對(duì)于 VLSI 來說，由于離子注入工藝的應(yīng)用，器件制造中的摻雜過程已經(jīng)可以精確控制（濃度偏差可以控制在5%范圍以內(nèi)）。在這種情況下，必須對(duì)原始硅片中雜質(zhì)濃度分布的均勻性提出相應(yīng)的要求，才能保證器件參數(shù)的可控制性和良好的重復(fù)性。同時(shí)，為了保證光刻圖形的質(zhì)量，在整個(gè)硅圓片的光刻過程中，曝光表面都應(yīng)當(dāng)在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，因此要求硅圓片的表面平整度與電路設(shè)計(jì)規(guī)則相匹配也是十分重要的。

3．集成電路的器件結(jié)構(gòu)越來越趨向硅圓片的淺表層

設(shè)計(jì) VLSI 的按比例縮小原則要求器件的縱向尺寸隨器件的特征尺寸一起縮小，因?yàn)橹挥羞@樣才能減小PN結(jié)的側(cè)壁電容，從而保證器件具有較高的工作頻率或工作速度。假設(shè)考慮對(duì)象是直徑為100mm，厚度為520μm的硅圓片。如圖1-17所示[6]，從功能上看，將它分為4層。第1層為器件結(jié)構(gòu)層，約1μm厚；第2層為功能延展層，約20μm厚；第3層為結(jié)構(gòu)支撐層，約490μm厚；第4層為硅片背面的加工損傷層，厚度因加工方法而異，通常約為數(shù)微米。在這4層中，對(duì)器件性能影響最大的是第1層，其次是第2層，作為硅晶圓片主體部分的結(jié)構(gòu)支撐層對(duì)器件性能沒有直接影響。

因此，集成電路對(duì)以上各層晶體的完整性要求也不相同。由于器件結(jié)構(gòu)趨向硅圓片淺表層，則器件性能對(duì)硅片表面的加工質(zhì)量及界面性質(zhì)更加敏感，對(duì)表面加工質(zhì)量的要求也就更加嚴(yán)格。表面加工過程中引入的損傷和粘污在以后的熱加工（如熱氧化）過程中常常轉(zhuǎn)化為氧化層錯(cuò)或其他誘生缺陷。這些缺陷主要分布在器件結(jié)構(gòu)層，因此影響較大。而結(jié)構(gòu)支撐層和硅片背面受到控制的缺陷或損傷不僅是允許的，而且還可以用于吸除器件結(jié)構(gòu)層中的有害雜質(zhì)和微缺陷。

4．現(xiàn)代集成電路應(yīng)采取盡可能低的加工溫度來完成管芯的制造[7]

隨著集成電路芯片縱向結(jié)構(gòu)尺寸的逐漸減小，雜質(zhì)的縱向濃度梯度變得更陡。為了防止因雜質(zhì)原子的擴(kuò)散引起結(jié)構(gòu)的退化，在集成電路制造過程中應(yīng)盡量降低加工溫度。另一方面，高溫會(huì)加速缺陷的產(chǎn)生和重構(gòu)，因此為了抑制硅片中工藝誘生缺陷的產(chǎn)生，也應(yīng)當(dāng)盡可能使用低溫工藝。低溫工藝還有助于防止來自于粘污源的重金屬雜質(zhì)原子向硅片內(nèi)部擴(kuò)散，有利于減小硅圓片內(nèi)部的熱應(yīng)力。一切為了控制和改善材料性質(zhì)而采取的預(yù)處理和后處理工藝（如硅單晶晶錠的熱處理工藝和硅晶圓片的雜質(zhì)吸除工藝等）都必須考慮到與器件的低溫工藝相兼容。

5．多層薄膜結(jié)構(gòu)

為了追求集成電路的高集成度和高性能，提高內(nèi)部元器件互連的靈活性，在集成電路的制造過程中，金屬和介質(zhì)薄膜淀積的層次越來越多。多層布線工藝和金屬硅化合物工藝都要采用多層薄膜結(jié)構(gòu)。處理這種多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)必須考慮以下幾個(gè)問題：

① 為防止薄膜龜裂和硅片翹曲，必須考慮不同材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配問題；

② 為保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，要防止高溫條件下層與層之間的質(zhì)量遷移，必須考慮有關(guān)材料間的相平衡特點(diǎn)；

③ 必須考慮薄膜材料與硅晶圓表面親和度的影響。

除上述熱匹配問題外，薄膜材料中的原子擴(kuò)散到硅片中可能參與微缺陷的動(dòng)力學(xué)進(jìn)程，并可能影響載流子的擴(kuò)散行為。因此在進(jìn)行芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須將它作為一個(gè)統(tǒng)一的多元系統(tǒng)來考慮。

6．單晶材料的檢測(cè)分析方法和測(cè)試工具

集成電路的以上特點(diǎn)和發(fā)展方向不但對(duì)硅單晶的制備和加工提出了具體要求，而且對(duì)單晶材料的檢測(cè)分析方法和測(cè)試工具也提出了更高的要求。

為了滿足微區(qū)定量分析的要求，迫切需要開發(fā)出具有高靈敏度及高分辨率、可與集成電路設(shè)計(jì)規(guī)則相適應(yīng)的分析儀器。目前，能譜分析和質(zhì)譜分析技術(shù)存在著靈敏度和分辨率之間的矛盾。因此，為了解釋一種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，常常要同時(shí)使用幾種方法，并將獲得的結(jié)果和數(shù)據(jù)互相對(duì)照和補(bǔ)充，以確定更為符合實(shí)際的數(shù)據(jù)。