孫建潔，吳建偉，陳海峰

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）技術(shù)憑借其全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)，能有效抵抗瞬態(tài)輻射和單粒子輻射，因而是制造抗輻射集成電路的首選技術(shù)。

基于SOI材料的電路具有高速、低壓、低功耗、耐高溫等優(yōu)點，因此SOI技術(shù)在亞微米VLSI中有較大的應(yīng)用前景，被國際上公認為“21世紀的硅集成電路”[1]。

SOI材料片的主流制備技術(shù)分為兩種，一種是采用SIMOX（注氧隔離方法）形成的SOI圓片，另一種是采用Bonded Smart-Cut（鍵合后智能剝離）方法制備的UNIBOND SOI圓片。兩種圓片一種采用氧離子注入結(jié)合高溫退火形成絕緣氧化埋層，另一種的絕緣埋層則是通過熱氧化方法產(chǎn)生，并且鍵合前在器件層通過注入氫離子來完成起泡和剝離。

SOI材料片由體硅片加工而成，在加工過程中不可避免的會引入缺陷，缺陷的引入會導(dǎo)致后續(xù)電路加工過程中出現(xiàn)許多未知的隱患，本文主要介紹各種缺陷的形成及特征，以及對其檢測的手段。

圖1 SOI與常規(guī)MOS集成電路性能比較

圖2 兩種SOI材料片制備工藝流程圖

2 缺陷定義及影響

SOI材料具有三層結(jié)構(gòu)：頂部硅層，絕緣層和硅襯底。SOI材料片的缺陷按照SOI結(jié)構(gòu)的不同界面分為表面頂層Si缺陷、Si/SiO2界面缺陷和BOX中缺陷。

圖3 SOI圓片中主要缺陷示意圖

其他缺陷還包括硅剝落（Silicon peelings）、硅侵蝕（Silicon pitting）、坑洞（Craters）、層錯/位錯（dislocations /stacking faults）、殘余應(yīng)力（residual stresses）、邊緣翹曲（wafer edge lifting）、COP-related defects等。

表面頂層Si界面缺陷主要表現(xiàn)在表面粗糙不平整，清洗腐蝕后缺陷。不管是SIMOX或是Bonded Smart-Cut SOI材料片均存在上述缺陷。頂層Si表面粗糙很大程度上是由于Si/SiO2界面的不平整造成的。為了保證材料片的制備過程中表面顆?？煽?，通常清洗步驟是不可或缺的，清洗中引入的表面缺陷通常是由腐蝕造成的硅侵蝕。此外，由于SIMOX是由氧注入工藝形成的BOX氧化層，表面硅還存在由氧離子注入帶入的晶格損傷，隨著頂層硅厚度的降低，SOI層電性能影響不斷增大。2006年“Nature”上有文章稱當(dāng)頂層硅厚度減薄至10nm后，由于表面缺陷能級與SOI/BOX界面能級互相影響，會改變頂層硅的費米能級，促進其導(dǎo)電性，這種促進甚至?xí)谏w摻雜的效果[2]。

標(biāo)準(zhǔn)的SOI材料片有兩個Si/SiO2界面：上界面和下界面。Si/SiO2界面缺陷主要表現(xiàn)在Si/SiO2界面粗糙不平整、存在界面態(tài)缺陷中心、位錯/層錯、微空隙缺陷、外部引入顆粒缺陷。對于SIMOX的SOI材料來說，由于高能氧離子注入造成的下界面自由隙硅原子增加，雖然自由隙硅原子會在體內(nèi)再聚，但是增加速率大于再聚速率時，就會在下界面產(chǎn)生較大應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力過大后就會通過形成位錯等缺陷釋放，從而在下界面處形成復(fù)雜的損傷層。這些損傷層會進一步變成各種金屬吸收的缺陷中心[3]。金屬雜質(zhì)的存在會引起PN結(jié)漏電流增加，并降低SIMOX MOSFET的抗輻照能力。對于Bonded Smart-Cut的SOI材料片來說，由于下界面是由兩片圓片鍵合而成，不可避免的會在鍵合過程中對下界面產(chǎn)生微空隙缺陷。由于兩個鍵合表面不可能去除所有的外部沾污雜質(zhì)，因此在鍵合后這些雜質(zhì)也將被引入到下界面處。

BOX層缺陷主要是硅島缺陷、針孔缺陷及雜質(zhì)缺陷。前兩種是SIMOX的SOI材料片最為常見的缺陷。由于SIMOX是由高能氧注入退火后形成的，如果在注入過程中氧離子的實際要求劑量偏低，就會在BOX中形成硅島；如果在注入過程中部分區(qū)域被顆粒阻擋，該區(qū)域無法被注入到氧離子，因此也就無法形成BOX，這就是BOX中針孔缺陷形成的原因。對于Bonded Smart-Cut的SOI材料片，BOX是由熱氧氧化生成，因此內(nèi)部缺陷較少，主要是鍵合的下界面可能引入的雜質(zhì)缺陷。

3 缺陷檢測

SOI缺陷的檢測可以分為兩大類：可直接測試的表面及內(nèi)部缺陷；間接的材料性能特征檢測。

同體硅材料片的表面缺陷檢測一樣，光學(xué)檢測是必不可缺的手段。由于SOI材料片的特殊性，光學(xué)檢測會遇到復(fù)雜的光學(xué)干涉、反射和折射。光學(xué)檢測完全依靠SOI材料片頂層Si/BOX/襯底的界面形態(tài)。

圖4 光在Bulk和SOI圓片中路線示意圖

美國Ibis提供的標(biāo)準(zhǔn)SOI技術(shù)文獻中目前提及的缺陷分析儀為KLA公司生產(chǎn)的KLA Tencor 64XX系列以及KLA 213X系列，其中設(shè)定模式為SOI菜單定義，目前可偵測的缺陷最小分辨率約為0.2μm～0.25μm[4]。

圖5 KLA機臺偵測到的缺陷圖

SOI材料性能主要是對頂層硅膜、界面態(tài)狀況和BOX氧化層的表征進行評估。SOI材料特性的表征技術(shù)大致可分為三大類：第一類，測量手段先進、精確，但對材料有破壞性，如TEM。第二類，測試靈敏度稍低，但無破壞性，且可在數(shù)秒內(nèi)完成檢測，如用反射光譜法測量SOI材料頂層硅厚度。第三類，要檢測的參數(shù)不能直接測量，需要通過器件的特性獲得，如載流子壽命。以下為SOI材料的各種表征技術(shù)及其評價[5]。

頂層硅膜的表征主要是對頂層硅膜厚度均勻性、雜質(zhì)含量、晶化程度和少子壽命評估。對于頂層硅膜厚度的測量，目前常見的橢圓偏振光譜法就能夠滿足要求。對于雜質(zhì)含量的檢測，目前常用的為二次離子質(zhì)譜（SIMS）技術(shù)。由于SOI材料的制作過程中引入的一些損傷，破壞了頂層硅的晶體完整性，因而檢驗頂層硅的晶化程度非常重要。針對SOI材料的特點，主要有盧瑟福背散射譜（RBS）和紫外光（UV）反射譜兩種方法。由于紫外光（UV）反射譜法具有無損傷、簡單、快速的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于SOI材料片頂層硅結(jié)晶度和缺陷的監(jiān)測，特別適用于工藝生產(chǎn)過程中的監(jiān)測。該方法的原理為：利用半導(dǎo)體表面晶格損傷的失序引起光學(xué)常數(shù)的減少，特別是在光子能量大于能帶間隙這一范圍，在UV反射譜測量中觀察到的反射系數(shù)隨著表面損傷而減少，因而可以利用光反射技術(shù)來確定表面的損傷狀況[6]。少數(shù)載流子（少子）壽命是與器件特性緊密相關(guān)的，因而可以利用器件特性的測量求得少數(shù)載流子壽命。目前使用較多的兩種方法主要是二極管反向電流法和類Zerbest技術(shù)。二極管反向電流法適用于厚硅膜的少子壽命測量，類Zerbest技術(shù)適用于薄硅膜的少子壽命測量。

SOI界面態(tài)狀況評估目前采用較為傳統(tǒng)的C-V法，利用該技術(shù)測量整個SOI結(jié)果的電容，得到一個復(fù)雜的C-V曲線。

表1 SOI材料特性的一些表征技術(shù)

圖6 SOI結(jié)構(gòu)頂部金屬電極與襯底之間的C-V準(zhǔn)靜態(tài)測量

在這個曲線上包括有硅膜的正界面（柵氧與硅膜的界面）、背界面（硅膜與埋氧層界面）和埋氧層-硅襯底的積累、耗盡和反型狀態(tài)。對于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過計算機模擬計算，將模擬結(jié)果與測試結(jié)果對比，從而可以估算出Si/SiO2界面處的電荷[7]。

4 結(jié)束語

由于SOI材料的特殊性，其在集成電路中的戰(zhàn)略意義極其重大。目前世界各大半導(dǎo)體制造商均已經(jīng)涉足SOI材料的研發(fā)，有的采用自主模式，有的與材料廠商共同開發(fā)。近年來上海新敖科技依托上海微系統(tǒng)信息研究所已經(jīng)生產(chǎn)出我國自主的SIMOX SOI 100mm～150mm材料片，各項指標(biāo)已經(jīng)符合美國Ibis標(biāo)準(zhǔn)，這為我國SOI集成電路的發(fā)展提供了廣闊前景。但是我國的SOI技術(shù)起步較晚，因此對SOI材料的缺陷檢測及分析處于一個相對落后的階段，這需要我們在實踐中不斷地摸索前進。

[1]Silicon-on-insulation: materials aspects and application[J].Solid-State Electr,2000,44:775.

[2]Zhang Pengpeng,Tevaarwerk Emma，Park Byoungnam,et al.Nature,2006,439（9）:703.

[3]Skorupa W,Kreissig U,Hensel E,et al.Electron Lett,1984,20:426.

[4]Ibis Presentation on SOI Technology[S].

[5]黃如，張國艷，李映雪，張興.SOI CMOS技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[6]P.T Zanzucchi and M.T.Surface damage and the option reflectance of single-crystal silicon[J].Duffy Applied Optics,1978 ,17(21):3 477.

[7]D.Flandre and F.Van De Wiele.A new analytical model for two-terminal MOS capacitor on SOI substrate[J].IEEE Electron Devices Letter ,1988,9(6):296.