[发明专利]一种在硅片上引入位错的方法

说明书

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。