SOI材料片缺陷研究

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）技術憑借其全介質隔離結構，能有效抵抗瞬態輻射和單粒子輻射，因而是制造抗輻射集成電路的首選技術。

基于SOI材料的電路具有高速、低壓、低功耗、耐高溫等優點，因此SOI技術在亞微米VLSI中有較大的應用前景，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，缺陷的引入會導致后續電路加工過程中出現許多未知的隱患，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材料具有三層結構：頂部硅層，絕緣層和硅襯底。SOI材料片的缺陷按照SOI結構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粒可控，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，促進其導電性，這種促進甚至會掩蓋摻雜的效果[2]。

標準的SOI材料片有兩個Si/SiO2界面：上界面和下界面。Si/SiO2界面缺陷主要表現在Si/SiO2界面粗糙不平整、存在界面態缺陷中心、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再聚，但是增加速率大于再聚速率時，就會在下界面產生較大應力，當應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]。金屬雜質的存在會引起PN結漏電流增加，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，因此在鍵合后這些雜質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域被顆粒阻擋，該區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，因此內部缺陷較少，主要是鍵合的下界面可能引入的雜質缺陷。

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，光學檢測是必不可缺的手段。由于SOI材料片的特殊性，光學檢測會遇到復雜的光學干涉、反射和折射。光學檢測完全依靠SOI材料片頂層Si/BOX/襯底的界面形態。

圖4 光在Bulk和SOI圓片中路線示意圖

美國Ibis提供的標準SOI技術文獻中目前提及的缺陷分析儀為KLA公司生產的KLA Tencor 64XX系列以及KLA 213X系列，其中設定模式為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、界面態狀況和BOX氧化層的表征進行評估。SOI材料特性的表征技術大致可分為三大類：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，且可在數秒內完成檢測，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。對于雜質含量的檢測，目前常用的為二次離子質譜（SIMS）技術。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、快速的優點，可廣泛應用于SOI材料片頂層硅結晶度和缺陷的監測，特別適用于工藝生產過程中的監測。該方法的原理為：利用半導體表面晶格損傷的失序引起光學常數的減少，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隨著表面損傷而減少，因而可以利用光反射技術來確定表面的損傷狀況[6]。少數載流子（少子）壽命是與器件特性緊密相關的，因而可以利用器件特性的測量求得少數載流子壽命。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。二極管反向電流法適用于厚硅膜的少子壽命測量，類Zerbest技術適用于薄硅膜的少子壽命測量。

SOI界面態狀況評估目前采用較為傳統的C-V法，利用該技術測量整個SOI結果的電容，得到一個復雜的C-V曲線。

表1 SOI材料特性的一些表征技術

圖6 SOI結構頂部金屬電極與襯底之間的C-V準靜態測量

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。對于這種復雜的結構，通過計算機模擬計算，將模擬結果與測試結果對比，從而可以估算出Si/SiO2界面處的電荷[7]。

4 結束語

由于SOI材料的特殊性，其在集成電路中的戰略意義極其重大。目前世界各大半導體制造商均已經涉足SOI材料的研發，有的采用自主模式，有的與材料廠商共同開發。近年來上海新敖科技依托上海微系統信息研究所已經生產出我國自主的SIMOX SOI 100mm～150mm材料片，各項指標已經符合美國Ibis標準，這為我國SOI集成電路的發展提供了廣闊前景。但是我國的SOI技術起步較晚，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技術及其應用[M].北京：科學出版社，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.