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RLB100159
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-
販売価格(税込):
55,000
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■体裁:A4版/約300頁
■発刊:2005/12/29
■ISBNコード:4-89808-067-7
【著者】
福田 哲生/富士通
松川 和人/ルネサステクノロジ
三浦 英生/東北大学
小椋 厚志/明治大学
津屋 英樹/テクノス
佐藤 俊哉/富士通
渡辺 正晴/ニューフレアテクノロジー
原田 博文/シルトロニック・ジャパン
林 健郎/東芝セラミックス
泉妻 宏治/東芝セラミックス
末岡 浩治/岡山県立大学
中居 克彦/シルトロニック・ジャパン
佐藤 信彦/キヤノン
吉見 信/Soitec Asia
柿崎 恵男/キヤノン
松村 篤樹/シルトロニック・ジャパン
高田 清司/元 スーパーシリコン研究所
今井 正人/理化学研究所/コマツ電子金属
林 信行/スーパーシリコン研究所
柿本 浩一/九州大学
小林 徳弘/エム・エフエスアイ
鹿島一日兒/東芝セラミックス
守矢 一男/三井金属鉱業
中嶋 健次/豊田中央研究所
磯貝 宏道/東芝セラミックス
戸田 昭夫/日本電気
※所属、肩書き等は本書発刊当時のものです。
【序文】
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。
【目次】
第1章 はじめに
1.はじめに
【福田 哲生】
第2章 デバイスから見た結晶ニーズ
1.デバイス動向と結晶ニーズ
1.序論
2.デバイス特性とウェーハ技術
2.1 各種デバイスから見たウェーハへの要求
2.2 先端Flashメモリからのウェーハへの要求
2.3 先端SoCデバイスからウェーハへの要求
2.4 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
3.1 先端デバイスプロセスとウェーハの最適化
3.2 先端リソグラフィから見たウェーハ形状の最適化
3.2.1 フラットネスへの要求
3.3 CMPプロセスから見たウェーハ形状の最適化
3.3.1 エッジロールオフが与えるCMPへの影響
3.3.2 ウェーハフラットネスとCMP
3.4 RTP(Rapid Thermal Process)適用に向けたウェーハ強度への影響
4.デバイスと結晶欠陥抑制技術
5.総括
【松川 和人】
2.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
【福田 哲生】
3.ナノトポグラフィ, 平坦度, エッジ・ロールオフ
1.序論
2.ナノトポグラフィ
2.1 STI工程とナノトポグラフィ
2.2 ナノトポグラフィがSTI-CMPに与えるインパクト
2.3 セリア・スラリとSTI-CMP
2.4 ナノトポグラフィ制御の目安
3.平坦度
3.1 序論
3.2 平坦度のメトリクスと要求される平坦度
3.3 平坦度とその課題
4.エッジ・ロールオフ
4.1 序論
4.2 CMPへの影響
4.3 CMPへの影響
5.まとめ
【福田 哲生】
4.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
3.まとめ
【福田 哲生】
5.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
1.1 応力による不純物準位のシフトと縮退準位の分離
1.2 準位変動に起因した電子物性変化
1.3 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
2.1 素子間分離酸化誘起応力
2.2 トランジスタ電極, 絶縁薄膜における真性応力
2.3 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
3.1 バイポーラトランジスタ特性変動事例
3.2 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
4.1 エピタキシャル(SiGe)基板による歪み制御トランジスタ
4.2 薄膜応力負荷による高速CMOSトランジスタ
4.3 歪み制御トランジスタの力学的信頼性課題
5.おわりに
【三浦 英生】
6.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.移動度増幅技術
2.1 SOI
2.2 歪みシリコン
2.2.1 プロセス導入歪み
2.2.2 基板歪み
2.3 面方位制御
2.4 その他
3.先端機能性ウェーハへの期待
【小椋 厚志】
7.ゲッタリング技術
1.はじめに
2.歴史的展開
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
3.1 重金属不純物の挙動
3.2 デバイス特性への影響
4.ゲッタリングのメカニズム
4.1 緩和誘起ゲッタリング
4.2 偏析誘起ゲッタリング
4.3 注入誘起ゲッタリング
5.IG技術のデバイス応用
5.1 IG技術の展開
5.2 DZIGウェーハ
5.3 H2アニールウェーハ
5.4 ウェーハ強度の制御
5.5 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
6.1 新しい金属材料への対応
6.2 プロセス低温化への対応
6.3 ゲッタリング能力の強化
6.4 析出シミュレーションとゲッタリング予測
6.5 ゲッタリングの数値シミュレーション
6.6 SOIのゲッタリング
7.おわりに
【津屋 英樹】
8.シリコンウェーハ表面完全性への要求と各種汚染のデバイスへの影響
1.結晶技術レビュー
1.1 無欠陥へと向かう結晶技術
1.2 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
2.1 シリコンウェーハ表面の完全性とは?
2.2 パーティクルおよび結晶欠陥
2.2.1 デバイス製造でのパーティクル発生源と付着の影響
2.2.2 デバイス製造でのパーティクル測定からのフィードバック事例
2.2.3 CZ(CZochralski)ウェーハの欠陥のデバイス製造への影響
2.2.4 アニールウェーハ欠陥のデバイスへの影響
2.2.5 エピウェーハ欠陥のデバイスへの影響
2.2.6 パーティクル測定技術の課題と要望
(1)鏡面モニタウェーハ測定装置
(2)パターン付き検査装置
2.3 金属汚染
2.3.1 汚染金属はどこから入るか
2.3.2 シリコンウェーハからの金属汚染とデバイスへの影響
2.3.3 デバイス製造での金属汚染とデバイスへの影響
2.3.4 次世代ウェーハでは, よりゲッタリング技術が必要!
2.3.5 金属汚染測定技術の課題と要望
2.4 化学汚染
2.4.1 汚染化学物質はどこから入るか
2.4.2 有機物汚染のデバイスへの影響
2.4.3 無機物汚染のデバイスへの影響
2.4.4 化学汚染測定技術の課題と要望
3.今後の各種汚染管理技術のあるべき姿と測定技術の重要性
【佐藤 俊哉】
9.次世代大口径とFI-450mmプロセスの可能性
1.はじめに
2.450mmウェーハ大口径化のリスクを最小にするための技術上の決断(日本語訳版)
2.1 はじめに
2.2 タイミングが全て
2.3 チップサイズと生産量がもっと多くの生産ラインを促進する
2.4 工場の特徴と選べる技術
2.4.1 ウェーハ特性を決めることは工場設計に決定的となる
2.4.2 450 mmでは枚葉プロセスが必要
2.4.3 融通の利くロットサイズとウェーハキャリアサイズが必要
2.4.4 オン
2.4.5 ヴィークルによる搬送はスループットのニーズを満足できない
2.4.6 その他の工場要求
2.5 リスク削減戦略
2.5.1 450 mm標準は前提条件
2.5.2 引き続き業界コンソーシアムが必要
2.6 まとめ
3.ISMI経済性モデルおよびウェーハコストシミュレーション
4.まとめ
【渡辺 正晴】
第3章 結晶技術
1.結晶技術総論
1.はじめに
2.CZ単結晶成長技術
2.1 CZ単結晶成長技術の進展
2.2 300mm単結晶成長技術の課題
3.ウェーハ加工技術
3.1 新しい加工プロセスの導入
3.2 デバイスプロセスに適合したウェーハ平坦度の要求
4.エピタキシャル成長技術
4.1 エピタキシャル成長技術とデバイス応用
4.2 p/p+ウェーハのオートドーピング防止
4.3 エピタキシャルウェーハに特有な欠陥
5.Grown-in欠陥
5.1 Grown-in欠陥の実体
5.2 Grown-in欠陥の形成メカニズム
5.3 Grown-in欠陥の制御
6.多様化するシリコンウェーハ
6.1 アニールウェーハ
6.2 ポリッシュウェーハ
6.3 エピタキシャルウェーハ
7.SOI技術
7.1 SOIウェーハ
7.2 パターン状SOIウェーハ
7.3 SiGe/SOIウェーハ
8.シリコン結晶技術の挑戦
9.おわりに
【津屋 英樹】
2.結晶成長-CZ, 特に300mm育成欠陥の特徴(形成メカニズム)
1.はじめに
1.1 格子間型欠陥と原子空孔型欠陥
1.2 COP, FPD, SEPD, LPD, LLS, LSTDの実体
1.3 BMDの定義
2.300mm結晶の育成速度
2.1 結晶育成炉内の熱バランス
2.2 Stefan条件
2.3 Heat Shieldの違いによる炉内の温度分布
2.4 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
3.1 育成中の点欠陥の平衡濃度と拡散係数
3.2 アップヒル拡散とV/G(=育成速度/温度勾配)の意味
3.3 オフライン・シミュレーション(点欠陥の凝集温度を支配する因子)
3.4 欠陥密度とサイズの育成速度依存性
3.5 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
4.1 酸素の過飽和度と均一核形成
4.2 残留点欠陥の影響
5.300 mmの各種ウェーハと育成条件
5.1 鏡面ウェーハ, アニールウェーハ, エピタキシャルウェーハ, SOI
6.結言
6.1 ITRS-450mm
6.2 メルト制御-MCZ
6.3 重量-カーボン部材
【原田 博文】
3.結晶加工
1.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
2.シリコン基板ウェーハ加工における洗浄プロセスの役割
3.次世代(45nmデザインルール)洗浄方式との概要と課題
3.1 洗浄方式(バッチ式洗浄と枚葉式洗浄)の特徴と課題
3.2 機能水による次世代洗浄への適用とその効果
3.3 次世代ウェーハ乾燥技術の特徴と課題
3.4 次世代洗浄による表面構造(マイクロラフネス)の制御と重要性
3.5 薬液・パーティクルモニタリングの重要性と測定方法
3.6 直径450mmウェーハ洗浄技術への提案
4.300mm基板ウェーハの製造の自動化ラインへの挑戦
【林 健郎】
4.点欠陥の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
1.1 結晶育成中の点欠陥挙動
1.1.1 点欠陥挙動の結晶成長条件依存性
1.1.2 点欠陥挙動のドーパント種類と濃度依存性
1.2 空洞欠陥の形成機構と抑制技術
1.2.1 空洞欠陥の形成機構
1.2.2 点欠陥濃度の精密制御による空洞欠陥の抑制技術開発
1.2.3 軽元素添加による空洞欠陥の抑制技術開発
1.3 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Si結晶成長における欠陥挙動の説明
2.1 点欠陥の理論的研究
2.1.1 形成エネルギと拡散障壁高さに関する理論計算
2.1.2 荷電状態のフェルミレベル依存性
2.2 結晶育成中の点欠陥挙動と空洞欠陥形成の理論的説明
2.2.1 点欠陥挙動の理論的説明
2.2.2 空洞欠陥形成の理論的説明
2.3 点欠陥と不純物の相互作用
【末岡 浩治】
5.アニールウェーハ・エピタキシャルウェーハ
1.背景
1.1 CZ-Si結晶中の結晶欠陥制御の必要性
1.2 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CZ-Si結晶の結晶欠陥
2.1 窒素添加がGrown-in欠陥に及ぼす効果
2.1.1 窒素添加による欠陥分布の変化
2.1.2 窒素添加によるボイドの密度・サイズ・形態変化
2.1.3 窒素添加によるボイド形成温度域の低温化
2.1.4 grown-in酸素析出物の形成
2.1.5 V/G・窒素濃度と結晶欠陥種類の関係
2.2 窒素添加が酸素析出挙動に及ぼす影響
2.2.1 熱処理温度, 時間の依存性
2.3 窒素+炭素同時添加の効果
2.3.1 grown-in欠陥分布の変化, OSF発生の抑制効果
2.3.2 ボイド形態に与える影響
2.3.3 析出挙動に与える影響
3.窒素添加CZ-Si結晶を用いたアニールウェーハ
3.1 窒素添加による表層無欠陥性の改善
3.2 窒素添加による酸素析出促進
4. 窒素添加, 窒素+炭素添加CZ-Si結晶を用いたエピタキシャルウェーハ
4.1 窒素添加, 炭素添加による酸素析出促進
4.2 窒素添加起因で発生するエピタキシャル層欠陥とその防止技術
4.2.1 エピタキシャル層欠陥(N-SF, E-pit)の結晶構造
4.2.2 結晶育成条件制御によるエピタキシャル層欠陥防止
4.2.3 炭素添加によるエピタキシャル層欠陥防止
5.結言
【中居 克彦】
6.SOIウェーハ
6.1 次世代SOIデバイスに対応する貼り合わせSOIウェーハ
1.ウェーハ貼り合わせ法
2.SOI膜厚の薄膜化への挑戦
3.貼り合わせSOIウェーハの特徴
4.先端デバイスに向けた貼り合わせSOIウェーハのポテンシャル
【佐藤 信彦】
6.2 Smart CutTM技術
1.はじめに
2.ウェーハ貼り合わせSOI技術の利点
3.Smart CutTM技術の基本プロセス
4.Smart CutTMによるSOI基板の膜厚均一性
5.Smart CutTM技術の実用化状況
6.Smart CutTM技術による種々の基板構造
7.SOI基板の需要展望
【吉見 信】
6.3 ELTRAN
1.ELTRAN方式の特徴
2.SOI膜厚の薄膜化と均一性の追求
3.BOX膜厚薄膜化への挑戦
【柿崎 恵男】
6.4 SIMOXウェーハ
1.SIMOXウェーハの特徴と品質
1.1 プロセス概要とその特徴
1.2 ドーズ量と埋め込み酸化膜品質の関係
1.3 ITOX技術による低ドーズSIMOX品質改善
1.4 埋め込み酸化膜厚調整技術の最新動向
1.5 SIMOXウェーハに存在する欠陥とその改善状況
2.ITOX技術による品質改善
2.1 ITOXプロセスによる埋め込み酸化膜品質改善
2.2 COPの影響低減, GOI特性改善
3.窒素ドープ結晶利用による品質改善
3.1 窒素ドープ結晶利用による表面ピット抑制
3.2 窒素ドープ結晶利用によるGOI特性改善
4.部分SOI構造形成
4.1 SIMOXプロセスを用いた部分SOI構造形成
4.2 SOI部/バルク部境界構造の改善状況
5.今後の展望
【松村 篤樹】
6.5 歪みSOI基板技術
1.はじめに
2.歪みSi-MOSFETの原理
3.歪みSOI基板(SGOI, sSOI)の作製プロセス
4.sSOIの特性評価結果
4.1 sSOIにおける結晶欠陥
4.2 sSOIにおけるSi膜厚の面内均一性
4.3 sSOIにおける歪みの面内均一性
5.sSOI基板によるCMOS作成例
6.今後の課題など
【吉見 信, Ian Careyfourcq, Carlos Mazur】
7.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
1.1 次世代CZ法引き上げ装置の設計コンセプト
1.1.1 シミュレーションによる検証と現象の推定
1.1.2 大型ホットゾーンの開発
1.1.3 大口径結晶(400mm径, 400kg)引き上げ装置の事例
1.2 MCZ(磁場印加方式チョクラルスキー引き上げ)法
1.2.1 実用化の横磁場, 魅力あるカスプ磁場
1.2.2 カスプ型MCZの活用事例
1.3 大型石英ルツボの設計/製作
1.3.1 耐熱・耐変形・高純度・高寿命への対応
1.3.2 五右衛門風呂サイズの大型石英ルツボ
1.4 大重量結晶引き上げ支持機構とその制御
1.4.1 丸山特許の検証事例
1.4.2 400mm径, 400kgのSi単結晶育成事例
1.4.3 400mm径単結晶の品質評価
1.5 450mm径を想定した結晶技術課題
1.5.1 シミュレーション・ソフトの改良および熱物性値の標準化
1.5.2 ダッシュ・ネッキングレスによる大重量結晶引き上げ法
2.次世代の加工技術
2.1 ウェーハ基板に求められる仕様の変遷
2.1.1 ナノメートル・レベルの超平坦化
2.1.2 狭帯化するエッジ・エクスクルージョン
2.2 研削技術で期待されるウェーハ加工の高精度化
2.2.1 加工原理を遊離砥粒から固定砥粒へ
2.2.2 両頭研削装置(Double Disk Grinding:DDG)による平坦化の事例
2.3 450 mm径を想定した加工技術課題
2.3.1 延性モード研削による省工程化への期待
2.3.2 ノッチレス・ウェーハ(正円状ウェーハ)の可能性
2.3.3 ウェット洗浄からドライ洗浄へ
2.3.4 一桁高い精度の計測技術の確保
3.次世代のエピタキシャル技術
3.1 大口径化時代のエピタキシャルウェーハの在り方
3.1.1 品質面およびコスト面からの要求
3.1.2 大口径化への課題と対応策
3.2 低温エピタキシャル装置の設計コンセプト
3.2.1 SiH4ガスによるエピタキシャル成長
3.2.2 低温SiH4プロセスと400mm径用装置の開発
3.3 SSi研究所オリジナルエピタキシャル装置での成果
3.3.1 膜厚分布改善の事例
3.3.2 成長膜の品質評価結果
3.4 450mm径を想定したエピタキシャル技術課題
3.4.1 プロセス低温化による高スループット化の期待
3.4.2 量産用エピタキシャル成長炉の開発
【高田 清司, 林 信行, 今井 正人】
8.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
【柿本 浩一】
9.次世代高集積デバイス向け洗浄技術最新動向
1.従来洗浄技術総論
1.1 高集積デバイス向け洗浄技術の課題
1.2 ウェット化学洗浄プロセス
1.2.1 RCA洗浄プロセス
1.2.2 希釈フッ酸洗浄プロセス
1.3 ウェット物理洗浄プロセス
1.4 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
2.1 極低温エアロゾル洗浄技術
2.1.1 装置概要
2.1.2 プロセス概要
2.2 極低温エアロゾル洗浄基本性能
2.2.1 パーティクル除去性能
2.2.2 チャージダメージ評価
2.2.3 Low-k材料に対する適合評価
2.3 極低温エアロゾル洗浄適用工程
2.3.1 極低温エアロゾル洗浄によって除去できる典型的な欠陥異物
2.3.2 極低温エアロゾル洗浄導入による歩留りの向上
2.4 極低温エアロゾル洗浄の将来動向
2.4.1 低ダメージプロセス開発
2.4.2 新規用途開発
【小林 徳弘】
第4章 新しい評価技術
1.評価技術総論
1.BMD, LSTD, LPD とは
2.Grown-in 結晶欠陥とその析出結晶欠陥
3.BMD 計測の標準化と表層欠陥計測の標準化の動き
【鹿島一日兒, 守矢 一男】
2.結晶欠陥の評価
1.光散乱法による評価
1.1 voidおよびBMDのレーザ検査装置
1.2 voidおよびBMDの計測
1.3 表層欠陥の評価法
1.4 90°光散乱法による評価
1.5 他の評価法
【守矢 一男】
2.ドライエッチング法による評価
2.1 検出原理
2.2 酸素析出物検出特性
2.3 BMD密度, DZ幅の評価
2.4 空洞欠陥検出
2.5 まとめ
【中嶋 健次】
3.平坦度評価・表裏面検査
1.ウェーハ平坦度規格
1.1 平坦度規格の概要
1.2 次世代ウェーハに要求される形状精度
2.サイトフラットネス
2.1 リソグラフィからの要求
2.2 次世代ウェーハのフラットネス評価技術
2.3 チャックフラットネスについて
3.ナノトポグラフィ
3.1 ナノトポグラフィとCMPにおける圧力分布
3.2 ナノトポグラフィ評価技術
4.エッジロールオフ
4.1 エッジロールオフとCMPにおける圧力分布
4.2 エッジロールオフ評価技術
5.ウェーハベベル面の検査
5.1 ウェーハ割れ問題とその原因
5.2 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
6.1 ウェーハ表裏面の官能検査の現状と課題
6.2 ウェーハ表裏面の自動検査の重要性と検査方法の開発
【磯貝 宏道, 泉妻 宏治】
4.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
1.1 膜厚測定
1.2 欠陥密度測定
1.3 パーティクル測定
1.4 その他
2.歪みシリコン測定技術
2.1 X線回折法
2.2 電子線回折法
2.3 ラマン分光測定
2.4 多面的な測定と標準化の必要性
【小椋 厚志】
5.局所ストレスの評価
5.1 収束電子回折による微細シリコンデバイスの格子歪み評価
1.はじめに
1.1 微細シリコンデバイスの格子歪み評価
1.2 測定法
2.デバイス構造における格子歪み
2.1 素子分離近傍の格子歪み
2.2 MOSFETチャネル
3.まとめと今後の課題
【戸田 昭夫】
5.2 顕微ラマン法による局所応力評価
1.ラマンスペクトルの応力起因シフ
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
3.おわりに
【三浦 英生】