最新シリコンデバイスと結晶技術
技術者・研究者向けの書籍紹介
最新シリコンデバイスと結晶技術 -先端LSIが要求するウエーハ技術の現状-
発刊日 2005年12月
体 裁 A4判、300頁
ご案内
各デバイスメーカは本格的な300mm量産時代を迎えています。次世代65nmの開発も国際的競争が厳しくなっており, 各社は以前にも増して効率的な開発体制の構築を強いられております。リアライズAT社では1996年に「シリコンの科学」を発刊し, 当時のシリコン結晶およびウェーハをとりまく全容についてまとめました。しかし, その後シリコンに対する様々な新しい試みがなされているにもかかわらず, シリコン関連のエンジニアに向けた書籍は発刊されておりません。その背景には, 知財意識の高まりとともに企業からの情報開示が減少していることも一つの要因といえます。
一方, 先端分野では45nmおよび450mmが議論され始めるなどLSIをとりまく開発環境はますます厳しくなっていることに伴い, 多くの研究者, 技術者はシリコン結晶の一層の高性能化を必須と考えております。そのような中, ｢シリコンの科学｣後の新しい取り組みについてまとめることは, 結晶技術のさらなる進展を考える上でも, また, ますます困難を極める今後のLSI実現に向けても意義のあることと考えました。
本書籍では, シリコンウェーハを作る側と使う側の両面からとらえた書籍を目論んでおります。ニーズ, シーズの両面から問題点を検討することが, 今後の開発に向けて非常に重要なアプローチであると考えております。そうすることで, 本書がシリコンウェーハを製造する側やデバイスメーカのエンジニアはもちろんのこと, 装置メーカのプロセス開発者の方々にもご覧いただける内容になったと確信しております。
本書籍がLSIをとりまく現状の問題点をBreak Throughするための一助となり, 今後の産業発展に寄与できればと考えております。
書籍の内容
第1章 はじめに
第2章 デバイスから見た結晶ニーズ
第1節 デバイス動向と結晶ニーズ
1. 序 論 -デバイスの変遷-
2. デバイス特性とウェーハ技術［各種デバイスからウェーハへの要求／先端Flashメモリからウェーハへの要求／先端SoCデバイスからウェーハへの要求／先端DRAMからウェーハへの要求］
3. デバイスプロセスとウェーハ技術［先端デバイスプロセスとウェーハの最適化／先端リソグラフィから見たウェーハ形状の最適化／CMPプロセスから見たウェーハ形状の最適化／RTP適用に 向けたウェーハ強度への要求／大口径化に対するウェーハ技術の課題］
4. 総 括
第2節 スリップ, 強度
1. 序 論
2. 結晶強度に関する注意事項
3. 300mmウェーハの強度とスリップの一例
4. 析出物と機械的強度
5. ウェーハに生じる熱応力
6. ウェーハに生じる曲げ応力
7. まとめ
第3節 ナノトポグラフィー, 平坦度, エッジ・ロールオフ
1. 序 論
2. ナノトポグラフィー［STI工程とナノトポグラフィー／ナノトポグラフィーがSTI-CMPに与えるインパクト／セリア・スラリーとSTI-CMP／ナノトポグラフィー制御の目安］
3. 平坦度［序 論／平坦度のメトリクスと要求される平坦度／平坦度とその課題］
4. エッジ・ロールオフ［序 論／CMPへの影響 -計算方法-／CMPへの影響 -計算結果-／まとめ］
第4節 結晶欠陥とリーク電流
1. リーク電流の許容値
2. 許容リーク電流と微小欠陥
第5節 トランジスタ特性の応力・歪み依存性
1. Si結晶電気伝導特性の応力・歪み依存性［応力による不純物準位のシフトと縮退準位の分離／準位変動に起因した電子物性変化／電子物性変化のSi結晶方位依存性］
2. トランジスタ構造における応力・歪み発生メカニズム［素子間分離酸化誘起応力／トランジスタ電極, 絶縁薄膜における真性応力／配線（コンタクト）薄膜における化学反応誘起応力］
3. 応力・歪みに起因したトランジスタ特性変化［バイポーラトランジスタ特性変動事例／MOSトランジスタ特性変動事例］
4. 歪み制御高速トランジスタ［エピタキシャル（SiGe）基板による歪み制御トランジスタ／異方性薄膜応力負荷による高速CMOSトランジスタ／歪み制御トランジスタの力学的信頼性課題］
第6節 スケーリングの限界と先端機能性ウェーハへの期待
1. スケーリングによるLSI性能向上の限界と代替技術
2. 易動度増幅技術［SOI／歪みシリコン／面方位制御／その他］
3. 先端機能性ウェーハへの期待
第7節 ゲッタリング技術
1. はじめに
2. 歴史的展開［エクストリンシックゲッタリング／イントリンシックゲッタリング］
3. 重金属不純物による欠陥の発生とデバイス特性への影響［重金属不純物の挙動／デバイス特性への影響］
4. ゲッタリングのメカニズム［緩和誘起ゲッタリング／偏析誘起ゲッタリング／注入誘起ゲッタリング］
5. IG技術のデバイス応用［IG技術の展開／DZIGウェーハ／ウェーハ強度の制御／エピタキシャルウェーハでのIG効果］
6. ゲッタリング技術の最前線［新しい金属材料への対応／プロセス低温化への対応／ゲッタリング能力の強化／析出シミュレーションとゲッタリング予測／ゲッタリングの数値モデル／SOIのゲッタリング］
第8節 シリコンウェーハ表面完全性への要求とデバイスへの影響
1. 結晶技術レビュー［無欠陥へと向かう結晶技術／デバイス動向とウェーハ特性への要求］
2. シリコンウェーハ表面完全性への要求［シリコンウェーハ表面の完全性とは？／パーティクルおよび結晶欠陥／金属汚染／化学汚染］
3. 今後の各種汚染管理技術の重要度とあるべき姿
第9節 次世代大口径とFI-450mmプロセスの可能性
1. Techonology Decision to Minimaize 450mm Wafer Transition Risk
2. ITRS2004
3. SEMIシリコンウェーハ委員会資料
4. その他の情報
第3章 結晶技術
第1節 結晶技術総論
1. はじめに
2. CZ単結晶成長技術［CZ単結晶成長技術の進展／300mm単結晶成長技術の課題］
3. ウェーハ加工技術［新しい加工プロセスの導入／デバイスプロセスに適合したウェーハ平坦化の要求］
4. エピタキシャル成長技術［エピタキシャル成長技術とデバイス応用／p/p＋ウェーハのオートドーピング／
エピウェーハに特有な欠陥］
5. Grown-in欠陥［Grown-in欠陥の実体／形成メカニズム／Grown-in欠陥の制御］
6. 多様化するシリコンウェーハ［アニールウェーハ／ポリッシュウェーハ／エピウェーハ］
7. SOI技術［SOIウェーハ／パターン状SOIウェーハ／SiGe/SOIウェーハ］
8. シリコン結晶技術の挑戦
9. おわりに
第2節 結晶成長-300mmCZ結晶育成欠陥の特長
1. はじめに［結晶欠陥（COP, FPD, SEPD, LPD, LLSs, LSTD, GOP, BMD）の分類／格子間型欠陥と原子空孔型欠陥／本節の全体像］
2. 300mm結晶の冷却速度［結晶育成炉内の熱バランス／Stefan条件／HZの違いによる炉内の温度分布／結晶径の違いによる炉内の温度分布］
3. 結晶育成中の点欠陥挙動［育成中の点欠陥の平衡濃度／オフライン・シミュレーション／アップヒル拡散／V/G／欠陥密度とサイズ／Grown-in欠陥のマクロ分布とミクロ分布］
4. 結晶育成中の酸素析出挙動［酸素の過飽和度／均一核形成／残留点欠陥の影響］
5. 300mmの各種ウェーハと育成条件［鏡面ウェーハ, アニ?ル・ウェーハ, エピ・ウェーハ, SOI］
6. 結 言［ITRS-450mm／メルト制御-MCZ］
第3節 ウェーハ加工
1. ウェーハ加工に求められる特性とロードマップ［ロードマップとウェーハ特性／バイスプロセスの高集積化・微細化に伴うウェーハ加工の問題点］
2. 基本的なシリコン加工プロセス［スライス加工／ベベル加工／ラップ加工／エッチング加工／鏡面研磨／研削技術］
3. 次世代のシリコン加工技術［65nm世代以降に求められるウェーハ特性／次世代加工技術の展望］
4. 基板洗浄［次世代半導体デバイス用シリコン基板ウェーハに要求される特性／シリコン基板ウェーハ加工における次世代洗浄プロセスの役割／次世代洗浄方式との概要と課題／45nmデザインルール対応の洗浄プロセス開発／結 論］
第4節 点欠陥制御による高品質シリコン結晶の開発
1. 点欠陥制御による高品質シリコン結晶の開発［結晶育成中の点欠陥挙動／空洞欠陥の形成機構と抑制技術／酸素析出の加速技術／計算機シミュレーションによる点欠陥と空洞欠陥挙動の予測］
2. 点欠陥の理論的研究とシリコン結晶の高品質化への応用［原子空孔と格子間シリコン原子／点欠陥と不純物の相互作用］
第5節 エピタキシャル・アニールウェーハ
1. 背 景［シリコン結晶中の結晶欠陥制御の必要性／窒素添加による結晶欠陥制御の概要と製品への応用］
2. 窒素添加シリコン結晶の結晶欠陥［窒素添加がGrown-in欠陥に及ぼす影響／窒素添加が酸素析出挙動に及ぼす影響］
3. 窒素添加シリコン結晶を用いたアニールウェーハ［窒素添加による表層無欠陥性の改善／窒素添加による酸素析出促進］
4. 窒素添加, 窒素＋炭素添加シリコン結晶を用いたエピタキシャルウェーハ［窒素添加, 炭素添加による酸素析出促進／窒素添加起因で発生するエピ層欠陥とその防止技術］
第6節 SOIウェーハ
1. 貼り合わせSOIウェーハ［次世代SOIデバイスに対応する貼り合わせSOIウェーハ／次世代貼り合わせSOIウェーハに求められる事項］
2. Smart Cut技術［Smart Cutの基本プロセス／Smart CutによるSOI基板の特性／Smart Cut技術の幅広い応用可能性／今後の課題］
3. ELTRAN［ELTRAN方式の特徴／SOI膜厚の薄膜化と均一性の追求／BOX膜厚薄膜化への挑戦］
4. SIMOX［SIMOXウェーハの特徴／ITOX技術／窒素ドープ結晶利用による品質改善／部分SOI構造形成／今後の展望］
5. 歪みSOIウェーハ［歪みSOI基板の原理・利点／歪みSOI基板作製のプロセスフロー／歪み分布の測定・均一性／Si膜厚の均一性／歪みSOI基板によるCMOS作成例／今後の課題］
第7節 次世代大口径ウェーハ結晶成長, 加工, エピタキシャル
1. 次世代の結晶成長技術［次世代CZ法引き上げ装置の設計コンセプト／MCZ（磁場印加方式チョクラルスキー引き上げ）法／大型石英ルツボの設計/製作／大重量結晶引き上げ支持機構とその制御／450mm径を想定した結晶技術課題］
2. 次世代の加工技術［ウェーハ基板に求められる仕様の変遷／研削技術で期待されるウェーハ加工の高精度化／450mm径を想定した加工技術課題］
3. 次世代のエピタキシャル技術［大口径化時代のエピタキシャルウェーハの在り方／低温エピタキシャル装置の設計コンセプト／SSi研究所オリジナルエピタキシャル装置での成果／450mm径を想定したエピタキシャル技術課題］
第8節 同位体Siの熱伝導率
1. はじめに
2. 熱伝導度解析の実験と計算
3. 天然Siと同位体Siの熱伝導度
4. 同位体Siの熱伝導度の温度依存性
5. Ge同位体の熱伝導度
6. 高濃度添加Siの熱伝導度とその温度依存性
7. まとめ
第9節 洗浄技術
1. 従来洗浄技術総論［高集積デバイス向け洗浄技術の課題／ウェット化学洗浄プロセス／ウェット物理洗浄プロセス／ドライ化学洗浄プロセス］
2. 高集積デバイスに対応する最新ドライ物理洗浄プロセス［極低温エアロゾル洗浄技術について／極低温エアロゾル洗浄基本性能／極低温エアロゾル洗浄適用工程／極低温エアロゾル洗浄の将来動向］
第4章 新しい評価技術
第1節 評価技術総論
1. バルクから表面, 表層解析へ
2. マクロからミクロの解析へ
3. 精密解析
4. 破壊から非破壊解析へ
第2節 結晶欠陥の評価
1. BMD, LDTD, LPDとは
2. grown-in結晶欠陥とその析出結晶欠陥
3. BMDの評価法［90°光散乱法による評価／RIEによる評価／他の評価法／BMD計測の標準化］
4. ボイド（COP）の評価法［斜め入射光散乱法による評価／RIEによる評価／他の評価法／LSTD計測の標準化の動き］
5. 総 括
第3節平坦度評価
1. ウェーハ平坦度規格［平坦度規格の概要／次世代ウェーハに求される形状精度］
2. サイトフラットネス［リソグラフィーからの要求／次世代ウェーハのフラットネス評価技術／チャックフラットネスについて］
3. ナノトポグラフィー［ナノトポグラフィーとCMPにおける圧力分布／ナノトポグラフィー評価技術］
4. エッジロールオフ［エッジロールオフとCMPにおける圧力分布／エッジロールオフ評価技術］
5. ウェーハベベル面の検査［大口径ウェーハ割れ問題とその原因／ウェーハベベル部の検査の重要性と検査方法］
6. ウェーハ表裏面の自動検査［ウェーハ表裏面の官能検査の現状と課題／ウェーハ表裏面自動検査の重要性と検査方法の開発］
第4節 先端機能性ウェーハの評価／測定技術
1. 超薄膜SOI測定の現状と課題［膜厚測定／欠陥密度測定／パーティクル測定／その他］
2. 歪みシリコン測定技術［X線回折法／電子線回折法／ラマン分光測定／多面的な測定と標準化の必要性］
第5節 局所ストレスの評価（1）
1. はじめに［微細シリコンデバイスの格子歪評価／測定原理］
2. デバイス構造における格子歪［素子分離／MOSFETチャネル／DRAM／FLASHメモリ］
3. まとめと今後の課題
第6節 局所ストレスの評価（2）
1. ラマンスペクトルの応力起因シフト
2. 顕微ラマン法によるトランジスタ構造の局所応力評価
