CN101882573A - 一种在硅片上引入位错的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在硅片上引入位错的方法，采用足以破坏硅晶格的能量束对硅片表面进行辐照，在辐照的区域引入密度可控的位错，位错的密度受能量束的能量强度控制，能量越大，引入的位错密度越大，位错的位置既可在硅片表面也可位于硅片内部，能量束可采用电子束、离子束、电磁波束、α射线束、中子束或光子束等。本发明实现了在硅片上可控的引入位错，操作简便，与现有集成电路工艺良好兼容，对硅片无破坏性、无沾污，可控性强，重复性高，有利于大规模工业生产。

Description

一种在硅片上引入位错的方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种在硅片上引入位错的方法。
背景技术
随着以集成电路为代表的微电子工业按照摩尔定律继续朝着芯片尺寸更小、处理速度更快、成本更低的方向发展，器件集成度越来越高，相应的金属互连结构的复杂程度和长度都达到了惊人的水平。随之带来的层间干扰、能量耗散、信号延迟等问题越来越严重。并且特征尺寸的进一步缩小，导致平面CMOS的寄生电阻和电容将超过其本身的沟道电阻和电容。全球光通讯的飞速发展，使得短距离信号传输所使用的金属互连成为信号传输“瓶颈”。同时，集成电路的发展不仅体现在器件集成度的提高，而且反映在应用范围的扩大，在探测、力学、流体等方面的拓展应用，特别是在光学方面的应用。
所有这些问题和挑战都需要硅基的光电集成系统的出现。在硅基上实现光电单片集成，使其能够为微电子器件提供大带宽的光互连，同时为光电子器件提供低廉的制造成本，这使得硅基光电子成为国际上半导体领域研究的热点之一。由于硅基集成电路工艺有无可比拟的成本优势、庞大的产业规模和高技术集中等优点，基于硅材料的发光器件可以获得最大的产业优势。
但由于硅为间接带隙半导体材料，其发光效率较低。因此缺少与集成电路制造工艺兼容的硅基光源一直是制约硅基光电子发展的首要问题。人们通过不同途径，如提高带间发光效率与电荷载流子量子限制效应，基于硅中发光杂质的发光等方法进行着不懈研究。其中硅中缺陷发光，尤其是基于硅中位错在红外波段的发光，成为实现硅基光源的重要路径之一。
位错是硅材料中最为常见的准一维线缺陷，人们对其展开了持久深入的研究。上世纪七八十年代，硅中位错在红外波段具有四个光致荧光特征峰(D1峰至D4峰)的发现，引起学者广泛关注与持续研究；九十年代人们成功获得硅中位错的室温电致发光，使得位错D1特征峰(1.5μm附近)成为硅基光电子中发光源的重要竞争者；直到本世纪初，位错增强硅带间发光一直是硅基发光的一个重要研究方向；同时，基于位错的快速场效应晶体管等在生物分子的操控工具等方面也具有重要的应用前景。
目前，硅中引入位错的方法主要有：1)塑性变形，其是当前较为常见的方法，引入位错密度较高，但其有破坏性，位错位置与密度不可控制；2)氧沉淀引入，该方法需要较长时间热处理，引入位错较为困难且位错位置不可控制；3)离子注入(Ion Implantation)，该方法所需设备较为昂贵，且对形成位错的后续热护理条件要求较为苛刻；4)硅片键合(WaferBonding)，该方法生产成本高，位错密度难以控制，重复性较低；5)SiGe错配，该方法所需设备极为昂贵，并且引入了异种材料，降低材料纯度，并且位错密度不可控制；6)激光照射，本方法引入的位错只存在激光照射表面，无法在材料内部生成。同时方法1)、2)、4)均不与当前集成电路工艺相兼容，存在难以大规模应用的瓶颈问题。
因此当前需要一种成本低廉、位错密度与位置可控且与集成电路工艺相兼容在硅片引入位错的方法。
发明内容
本发明提供了一种在硅片上引入位错的方法，能够与集成电路工艺良好兼容，引入位错的密度与位置可控，成本低廉。
一种在硅片上引入位错的方法，用能量束辐照硅片表面，所述的能量束足以破坏硅晶格，则可在辐照的区域引入位错。调节能量束的束斑形状与面积来控制位错生成区域的形貌与大小。当能量束的能量较小，引入的位错集中在硅片表面，当能量束的能量较大，引入的位错进入硅片内部，甚至贯穿整个硅片。辐照在硅片上的能量束将能量传导给硅晶格，产生局部热应力，该热应力使硅晶格产生扰动，破坏硅晶格的周期对称性，从而引入位错。能量束的功率越高，能量越大，其在硅晶格里释放出的热应力就越大，对硅晶格造成的破坏越大，引入的位错密度越大。
当能量束的能量较大，能量束会进入硅片内部，能量粒子在硅晶格中运行一定距离后，由于将自身能量释放而停留在硅片内部一定区域，并在此区域带来晶格扰动或者破坏，并引入位错。这样会对能量粒子所经过的硅晶格都带来损伤，如果只需在硅片(或硅块)内部特定区域引入位错，采用单束的高能能量束辐照硅片(或硅块)会对硅片(或硅块)的表面带来较大损伤。此时，可采用多束能量较小的能量束以特定角度从硅片(或硅块)不同的表面对其辐照，调节每束能量束与其辐照表面的角度，使这几束能量束在硅片(或硅块)内部的特定区域聚焦，则由于多束能量束对该特定区域的固态热应力作用，在该特定区域引入位错。同时，由于每一束能量束的能量较低，对硅片(或硅块)的表面晶格损伤会降低，甚至无损伤。
辐照在硅片上的能量束可以选自电子束、离子束、电磁波束、α射线束、中子束或光子束等，能量束的功率不小于0.01W/mm2，其中电磁波束包括X射线束、γ射线束、微波束等，这些离子或电磁波自身具有能量，其中电磁波的能量与其振动频率成正比，离子的能量与其运动的速度呈正比，则选用频率较高的电磁波或在高压电场中对离子进行加速，使它们的能量在进入硅片之后，足以破坏硅晶格，就会在硅片中引入位错，能量越大，对硅片的破坏越大，引入位错的密度就越大。
上述方法中，在其中引入位错的材料可以是除硅之外其他具有周期性晶格的半导体材料，如锗、砷化镓、磷化铟等，由于硅材料与其他半导体材料都具有周期性的晶格，只要根据各种半导体材料的原子结合力的大小，调节能量束的能量，使之产生的热应力足以扰动或者破坏半导体材料的晶格，同样可以在除硅之外的其他半导体材料中引入位错。
由于现有集成电路工艺中最常用的能量束为电子束，为了使该方法与现有集成电路工艺良好兼容，作为优选方案，该方法采用电子束蒸发设备(Electron-beam Evaporation System)产生的电子束对硅片辐照，电子束束流为0.1mA～1A，枪高压为0.1kV～10kV，电子束束斑直径为0.1mm～100mm，电子束单位面积功率为0.01W/mm2～1000W/mm2，背底真空度为1Pa～5×10-4Pa。
当然，电子束的产生装置不限于电子束蒸发设备，还可采用电子显微镜、离子注入设备等。集成电路中对硅片进行掺杂所用的离子注入机也可用于对硅片的辐照而引入位错，集成电路工艺制造中对硅片掺杂所用的离子如硼离子、磷离子、砷离子等，可以用来对硅片进行辐照，另外硅离子束、锗离子束、氧离子束、氢离子束、氖离子束、氮离子束、碳离子束、氩离子束、锑离子束等同样可用于对硅片辐照而引入位错，这些离子在离子注入机中获得较高的能量，进入硅片之后，与电子束一样会将自身的能量转移给硅晶格，给硅晶格带来热应力，对硅晶格产生扰动或破坏，从而在硅片中引入位错。同时离子注入机可较精确的控制离子束的能量、注入剂量、注入角度、注入深度等，对硅片中所引入的位错的位置和密度更能精确的控制。
本发明的效果在于：
1)本发明实现了在硅片指定位置引入位错，能够控制位错密度和位错区域；
2)本发明与现有集成电路工艺完全兼容，具有巨大的产业优势；
3)本发明能量利用率高，节能高效；可控性强，重复性高，成本较低，有利于大规模工业生产；
4)本发明为非破坏性，并且不引入其他材料元素，无沾污问题，无需热处理等后续处理，为研究硅中缺陷/位错的来源、形态、性质、杂质扩散、荧光机制，以及硅中各种杂质、团簇与位错的相互作用机理等提供了便利的实验条件。
附图说明
图1为单束能量束辐照目标材料的示意图；
图2为多束能量束聚焦辐照目标材料的示意图；
图3为实施例1电子束辐照硅片的立体图；
图4为图3中1a区域经电子束辐照后光学显微腐蚀形貌图；
图5为图3中1b区域光学显微腐蚀形貌图；
图6为图3中1a区域光致荧光谱；
图7为实施例2中硅片上电子束辐照区域光学显微腐蚀形貌图；
图8为实施例3中硅片上电子束辐照区域光学显微腐蚀形貌图；
图9为实施例4中硅片上电子束辐照区域光学显微腐蚀形貌图。
具体实施方式
如图1所示，一种在硅片上引入位错的方法采用能量束辐照硅片1表面，辐照区域1a的晶格受到能量束破坏，即为位错出现的区域，辐照区域1a的大小由能量束束斑直径d控制，改变能量束束斑形状，辐照区域1a的形状随之改变。未受到能量束辐照的区域1b将不会引入位错。
位错生成的密度与深度由能量束的能量强度控制。能量束强度较低时，位错主要存在于辐照区域1a表面，所引入的位错密度较低；当能量束强度较高时，位错贯穿辐照区域1a内部，位错密度较大。
对硅片辐照的能量束可以是电子束、离子束、电磁波束、α射线束、中子束或光子束等，能量束的功率不小于0.01W/mm2等。
如图2所示，本发明也可应用于只需在硅材料的体内引入位错的场合。此时可采用三束能量束e1、e2、e3同时对硅材料不同表面进行辐照(当然，所用的能量束也可为两束或大于三束)，并调节三束能量束与各自辐照表面的夹角，使这三束能量束聚焦于硅材料中特定的区域1a，在这三束能量束的共同热应力作用下，在该特定的区域1a内引入位错，而在未受能量束会聚影响的区域1b具有极少或者没有位错。
这种采用多束能量束引入位错的方法可保护硅材料表面。例如，需要在硅材料内部引入大密度的位错，若用单束能量束需要功率为300W/mm2，这样高能量的能量束会给硅材料表面带来较严重的晶格损伤。若采用三束功率均为100W/mm2的能量束，使之聚焦在需要引入位错的内部区域，同样能达到引入所需密度位错的效果。但是，由于每一束能量束的功率只有单束时的1/3，则其对硅材料表面晶格的损伤会有效降低。(此处能量束的功率数值不代表实际实验中的数据，仅为阐述该方法所用。)
实施例1：
如图3所示，本实施例在电子束蒸发设备(中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的C6型电子束蒸发器，以下实施例均采用这个设备)中采用电子束对p型<100>CZ硅片进行辐照，电子束与硅片垂直，电子束蒸发仪器中的灯丝电压为82V，灯丝电流为0.50A，背底真空度为5×10-3Pa，电子束束流为20mA，枪高压为8.5kV，束斑直径为6.0mm，电子束单位面积功率为1.5W/mm2。
辐照结束后，得到辐照区域为直径6mm的圆形区域，位错密度为5.2×106cm-2的，有位错的区域与电子束束斑直径一致，说明位错区域形状可以通过电子束束斑形状控制。
用0.15mol/L的K2Cr4O7水溶液和50％(摩尔百分比)的HF水溶液按体积比为1∶2配置成Secco腐蚀液，对辐照之后的硅片在室温下腐蚀5分钟，并拍摄其光学显微图片。图4是辐照区域的图片，可见有大量位错特征腐蚀坑。图5是未受辐照区域的图片，可见其位错密度为零，即没有在此区域引入位错。说明本发明对硅片的选择性较好，可以控制引入位错的区域。
运用974nm激光器对辐照区域激发，在15K时获得位错特征荧光谱D1峰(1527nm，0.812eV)、D2峰(1417nm，0.875eV)、D3峰(1327nm，0.934eV)、D4峰(1240nm，1.000eV)，图6是辐照区域的光致荧光谱。实验所得谱线与文献“N.A.Drozdov，A.A.Patrin，V.D.Tkachev，《Recombinationradiation on dislocations in silicon》，Phys.JETP Lett.1976，Vol.23，P597.”中报道的一致，证明引入的缺陷类型为位错。而对未受辐照的区域进行低温光致发光光谱测试，未能得到与位错相关的谱线，说明成功在硅片特定位置引入位错。
实施例2：
本实施例与实施例1的实验条件类似，将n型<100>CZ硅片放置于电子束蒸发仪器样品处，灯丝电压为80V，灯丝电流为0.92A，背底真空度为2×10-4Pa，电子束束流为0.9A，枪高压为2.0kV，束斑直径为4.0mm，电子束单位面积功率为458.6W/mm2。
辐照结束后，测得在辐照区域引入的位错密度为1.2×108cm-2，并拍摄了其光学显微腐蚀形貌图，如图7所示。可见，本发明可以通过调节电子束的能量强度很方便地在硅片中引入超高密度位错。
实施例3：
本实施例与实施例1的实验条件类似，将p型<100>FZ硅片放置于电子束蒸发仪器样品处，灯丝电压为80V，灯丝电流为0.60A，背底真空度为2×10-2pa，电子束束流为30mA，枪高压为10.0kV，束斑直径为1.0mm，电子束单位面积功率为382.1W/mm2。
辐照结束后，测得在辐照区域引入的位错密度为8.1×107cm-2，并拍摄了其光学显微腐蚀形貌图，如图8所示。
实施例4：
本实施例与实施例1的实验条件类似，将n型<111>CZ硅片放置于电子束蒸发仪器样品处，灯丝电压为60V，灯丝电流为0.20A，背底真空度为5×10-3Pa，电子束束流为1mA，枪高压为4.0kV，束斑直径为5.0mm，电子束单位面积功率为0.05W/mm2。
辐照结束后，测得在辐照区域引入的位错密度为9.0×103cm-2，并拍摄了其光学显微腐蚀形貌图，如图9所示。
比较以上实施例，可以看出位错的密度受电子束的能量强度(由电子束束流参数来调节)控制，电子束能量强度越高，所引入的位错密度越大。

Claims (7)

1.一种在硅片上引入位错的方法，其特征在于，包括：
用能量束辐照硅片，所述的能量束足以破坏硅晶格，在受能量束辐照的区域产生位错。
2.根据权利要求1所述的在硅片上引入位错的方法，其特征在于，所述的能量束为单束或多束。
3.根据权利要求1所述的在硅片上引入位错的方法，其特征在于，所述的能量束的功率不小于0.01W/mm2。
4.根据权利要求1所述的在硅片上引入位错的方法，其特征在于，所述的能量束包括电子束、离子束、电磁波束、α射线束、中子束或光子束。
5.根据权利要求1所述的在硅片上引入位错的方法，其特征在于，所述的离子束包括硅离子束、锗离子束、氧离子束、氢离子束、氖离子束、氮离子束、碳离子束、氩离子束、硼离子束、磷离子束、砷离子束或锑离子束。
6.根据权利要求4所述的在硅片上引入位错的方法，其特征在于，所述的能量束为电子束。
7.根据权利要求6所述的在硅片上引入位错的方法，其特征在于，所述的电子束的产生设备采用电子束蒸发设备，电子束蒸发设备的电子束束流为0.1mA～1A，枪高压为0.1kV～10kV，电子束束斑直径为0.1mm～100mm，电子束单位面积功率为0.01W/mm2～1000W/mm2，背底真空度为1Pa～5×10-4Pa。
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