第5章硅外延生長(zhǎng)

1、第五章 硅外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)概述硅襯底制備硅的氣相外延生長(zhǎng)硅外延層電阻率的控制硅外延層的缺陷硅的異質(zhì)外延125-1 外延生長(zhǎng)概述外延生長(zhǎng)：一定條件下，在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層方法。外延生長(zhǎng)用來(lái)生長(zhǎng)薄層單晶材料，即薄膜（厚度為幾微米） 。生長(zhǎng)的這層單晶層叫外延層，沿著原來(lái)的結(jié)晶方向生長(zhǎng)，是襯底晶格的延伸。合乎要求：導(dǎo)電類(lèi)型、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)、完整性等。外延生長(zhǎng)的分類(lèi)1、根據(jù)襯底和外延層材料是否相同同質(zhì)外延異質(zhì)外延2、根據(jù)外延層在器件制作過(guò)程中的作用正外延反外延3、根據(jù)生長(zhǎng)方法的不同直接外延間接外延4、根據(jù)在生長(zhǎng)過(guò)程中向襯底輸送原子的方法不同真空外延氣相

2、外延液相外延5、根據(jù)生長(zhǎng)過(guò)程中相變過(guò)程不同氣相外延液相外延固相外延34外延生長(zhǎng)的特點(diǎn)：（1）低（高）阻襯底上外延生長(zhǎng)高（低）阻外延層；（2）P（N）型襯底上外延生長(zhǎng)N（P）型外延層；（3）與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長(zhǎng)；（4）外延生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要改變摻雜的種類(lèi)及濃度；（5）生長(zhǎng)異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層；（6）實(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸厚度的控制；（7）生長(zhǎng)不能拉制單晶的材料；5外延層應(yīng)滿(mǎn)足的條件：（1）表面平整、光亮，沒(méi)有表面缺陷；（2）晶體完整性好，位錯(cuò)和層錯(cuò)密度低；（3）外延層的本底雜質(zhì)濃度低，補(bǔ)償少。（4）異質(zhì)外延，外延層與襯底的組分間應(yīng)突變，并盡量降低 外延層和襯

3、底間組分互擴(kuò)散；（5）摻雜濃度控制嚴(yán)格，分布均勻，要求均勻的電阻率；（6）外延層的厚度符合要求，均勻性、重復(fù)性好；（7）襯底埋層圖形因外延工藝發(fā)生畸變較小。（8）外延片直徑盡可能大。（9）化合物半導(dǎo)體外延層和異質(zhì)結(jié)外延熱穩(wěn)定性要好。65-2 硅襯底制備75-3 硅的氣相外延生長(zhǎng)8 5-3-1 硅外延生長(zhǎng)用的原料氣相硅外延生長(zhǎng)：高溫下?lián)]發(fā)性強(qiáng)的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)（氫還原）或熱解（熱分解），生成的硅原子淀積在硅襯底上長(zhǎng)成外延層。常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。9SiHCl3和SiCl4常溫下是液體，外延生長(zhǎng)溫度高。但生長(zhǎng)速度快，易純制，使用安全，是較通用的硅源。

4、SiH2Cl2常溫下是氣體，使用方便并且反應(yīng)溫度低。SiH4是氣體，外延特點(diǎn)：反應(yīng)溫度低、無(wú)腐蝕性氣體、可得到雜質(zhì)分布陡峭的外延層。缺點(diǎn): 要求生長(zhǎng)系統(tǒng)具有良好的氣密性，漏氣會(huì)產(chǎn)生大量的外延缺陷；SiH4在高溫和高濃度下易發(fā)生氣相分解，生成粉末狀硅使外延無(wú)法進(jìn)行。10 硅襯底的處理：襯底經(jīng)切、磨、拋等工藝仔細(xì)加工而成；外延前要嚴(yán)格的清洗、烘干； 為提高外延層的完整性，生長(zhǎng)前在反應(yīng)室中進(jìn)行原位化學(xué)腐蝕拋光，以獲得潔凈的硅表面；常用的化學(xué)腐蝕劑為干燥的HCl或HBr（硅烷用SF6）。 控制外延層的電特性，通常使用液相或氣相摻雜法。N型摻雜劑：PCl3、PH3和AsCl3；P型摻雜劑：BCl3、BB

5、r3和B2H6等。11 5-2-2 硅外延生長(zhǎng)設(shè)備 設(shè)備組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)及控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備和反應(yīng)室。系統(tǒng)分水平式和立式兩種。立式外延爐，外延生長(zhǎng)時(shí)基座不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，外延層均勻性好，生產(chǎn)量大。加熱方式: 高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。12水平式反應(yīng)器13立式反應(yīng)器14 5-3-3 硅外延生長(zhǎng)基本工藝 單晶定向后，用內(nèi)（外）圓/線(xiàn)切割機(jī)切成厚度為400550 m的薄片； 磨片機(jī)上用金剛砂磨平（倒角）后，再用SiO2膠體溶液拋光成鏡面，制成襯底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封閉反應(yīng)室通高純H2排除反應(yīng)室中的空氣； 啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，調(diào)整溫度到所需溫度。 反應(yīng)所需的氫氣經(jīng)凈化器提純, 一路通

6、反應(yīng)室，另一路通硅源容器, 攜帶硅源入反應(yīng)室。15 生長(zhǎng)前用干燥的HCl或Br（HBr）在高溫下對(duì)襯底進(jìn)行氣相拋光處理； 調(diào)整反應(yīng)室溫度至生長(zhǎng)溫度，按需要通入硅源和氫氣進(jìn)行硅外延生長(zhǎng)； 按實(shí)驗(yàn)求得的生長(zhǎng)速率和所需要的外延層厚度來(lái)確定生長(zhǎng)時(shí)間； 生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)，停止通硅源，但繼續(xù)通氫氣并降溫至室溫，取出外延片進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。16 5-2-4 硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素以SiCl4源介紹其生長(zhǎng)原理及影響因素。SiCl4氫還原的基本反應(yīng)方程 SiCl4+2H2 Si+4HCl17181.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)率的影響隨著濃度增加隨著濃度增加,生長(zhǎng)速率先增大后減小生長(zhǎng)速率先增大后減小.192.溫度對(duì)生長(zhǎng)速

7、率的影響溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升較高溫度區(qū),生長(zhǎng)速率隨溫度變化較平緩.203.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響l反應(yīng)物濃度和生長(zhǎng)溫度一定時(shí)，水平式反應(yīng)器中的生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正比。l立式反應(yīng)器，流速較低時(shí)生長(zhǎng)速度與總氫氣流速平方根成比例；流速超過(guò)一定值后，生長(zhǎng)速率達(dá)到穩(wěn)定的極限值而不再增加。214.襯底晶向的影響常壓外延生長(zhǎng)條件下（SiCl4+H2源，生長(zhǎng)溫度T=1280，SiCl4濃度0.1%）注意：偏離111晶向不同角度的襯底相應(yīng)有一個(gè)最大允許生長(zhǎng)速率（臨界生長(zhǎng)速度），超過(guò)此速率生長(zhǎng)外延層時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺陷。22 5-2-5 硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型主要有

8、兩種：i)氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)；ii）氣相均質(zhì)反應(yīng)。復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型：（1）反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運(yùn)；（2）反應(yīng)物穿過(guò)邊界層向襯底表面遷移；（3）反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上；23（4）襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（5）副產(chǎn)物氣體從表面脫附并穿過(guò)邊界層向氣流中擴(kuò)散。（6）氣體副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物，離開(kāi)反應(yīng)區(qū)被排出系統(tǒng)。過(guò)程依序進(jìn)行，總的生長(zhǎng)速率由其中最慢的一步?jīng)Q定。決定速率的步驟稱(chēng)速率控制步驟速率控制步驟。24 低溫時(shí)，固-氣表面上的反應(yīng)最慢 決定整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程的速度。過(guò)程稱(chēng)表面反應(yīng)控制過(guò)程或動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程。 正常條件下，表面反應(yīng)很快，主氣流中的反應(yīng)物以擴(kuò)散方式輸運(yùn)到表面的過(guò)程最慢，過(guò)程稱(chēng)質(zhì)

9、量輸運(yùn)控制過(guò)程。25均質(zhì)反應(yīng)模型：外延生長(zhǎng)反應(yīng)是在襯底表面幾微米的空間中發(fā)生；反應(yīng)生成的原子或原子團(tuán)再轉(zhuǎn)移到襯底表面上完成晶體生長(zhǎng)；反應(yīng)濃度很大，溫度較高時(shí)可能在氣相中成核并長(zhǎng)大；例，高濃度SiH4高溫?zé)岱纸?。結(jié)論結(jié)論：復(fù)相反應(yīng)和均質(zhì)反應(yīng)， 都認(rèn)為反應(yīng)物或反應(yīng)生成物要通過(guò)體系中的邊界層達(dá)到襯底表面。265-2-6 邊界層及其特性邊界層（附面層或停滯層、滯流層） ：接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個(gè)流體速度受干擾而變化的薄層。薄層厚度（ ）：貼近平板至流速為0.99 0的厚度。27邊界層厚度與流體流速、流體的粘滯系數(shù)、流體密度和在平板的位置x有關(guān)。 A：常數(shù)；Re：雷諾數(shù)，無(wú)量綱，表示流體慣性力與粘滯

10、力大小之比； 由Re值的大小可判斷系統(tǒng)中流體的狀態(tài)。Re大于一定值時(shí)流體為湍流湍流，小于某一值時(shí)為層流層流，介于兩值之間時(shí)則湍流和層流兩種狀態(tài)共存。Re/xA)x(00AxxvAx28擴(kuò)散層（質(zhì)量邊界層或附面層）：具有反應(yīng)物濃度梯度的薄層。3r033pxPr)(/)(xDxc ：普蘭特?cái)?shù)，無(wú)量綱數(shù)。D：反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)。DPr流體Pr 1， c（x）；氣體， Pr=0.60.8, (x)c。29發(fā)熱的平板上方, 氣體中存在著一個(gè)溫度變化的薄層，叫溫度邊界層(附面層)。305-3 硅外延層電阻率的控制不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求不同。 5-3-1 外延層中的雜質(zhì)及摻雜一、外延層中雜質(zhì)來(lái)源外延層中

11、總的載流子濃度N總可表示為N總=N襯底N氣N鄰片N擴(kuò)散N基座N系統(tǒng)正負(fù)號(hào)由雜質(zhì)類(lèi)型決定，與襯底中雜質(zhì)同類(lèi)型取正號(hào)，與襯底中雜質(zhì)反型取負(fù)號(hào)。31雜質(zhì)不是來(lái)源于襯底片稱(chēng)為外摻雜外摻雜。如：如： N氣、N基座、N系統(tǒng)雜質(zhì)來(lái)源于襯底片，稱(chēng)為自摻雜自摻雜。如：如： N擴(kuò)散、N襯底、N鄰片結(jié)論：盡管外延層中的雜質(zhì)來(lái)源于各方面，但決定外延層電阻率的主要原因還是人為控制的摻雜劑的多少；即N氣起主導(dǎo)作用。32二、外延生長(zhǎng)的摻雜N型摻雜劑：PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3；P型摻雜劑：BCl3、BBr3、B2H6。 SiCl4為源，鹵化物作摻雜劑，使用兩個(gè)SiCl4揮發(fā)器。調(diào)節(jié)揮發(fā)器的氫氣流量和溫度，控

12、制外延片的電阻率。AsH3、B2H6等氫化物摻雜劑，純H2將它們稀釋后裝鋼瓶，控制它和通過(guò)SiCl4揮發(fā)器的H2流量調(diào)整外延層的電阻率。 SiH4為源, 摻雜劑使用AsH3、B2H6。高阻P型外延層，常用低阻P型襯底自摻雜效應(yīng)實(shí)現(xiàn)摻雜。335-3-2 外延中雜質(zhì)的再分布 希望外延層和襯底界面處的摻雜濃度很陡； 襯底中的雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入外延層，致使外延層和襯底之間界面處的雜質(zhì)濃度梯度變平。N1（x，t）：重?fù)诫s襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)濃度分布；N2（x，t）：外部摻入的雜質(zhì)濃度分布曲線(xiàn)。總的雜質(zhì)濃度 N（x，t）=N1（x，t）N2（x，t）34注意：外延層的實(shí)注意：外延層的實(shí)際界面際界面外延層中雜質(zhì)分

13、布是外延層中雜質(zhì)分布是兩者的總和兩者的總和 Dt2xexpN21xNSUb1襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)分布襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)分布 Dt2xexpN21xNf2外部摻入的雜質(zhì)濃度分布外部摻入的雜質(zhì)濃度分布355-3-3 外延層生長(zhǎng)中的自摻雜自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層。自摻雜造成的影響： 外延層電阻率的控制受到干擾； 襯底外延層界面處雜質(zhì)分布變緩； 器件特性偏離，可靠性降低； 妨礙雙極型集成電路提高速度和微波器件提高頻率。36抑制自摻雜的方法：1.盡量減少雜質(zhì)由襯底逸出。（1）使用蒸發(fā)速度較小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)。（2）外延生長(zhǎng)前高溫加熱襯底。（3）背面封閉技術(shù)。（4）采用低溫外

14、延技術(shù)和不含有鹵原子的硅源。（5）二段外延生長(zhǎng)技術(shù)。2. 減壓生長(zhǎng)技術(shù), 使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層。37 5-3-4 外延層的夾層外延層的夾層：外延層和襯底界面附近出現(xiàn)高阻層或反型層。兩種類(lèi)型：（1）導(dǎo)電類(lèi)型混亂，擊穿圖形異常，用磨角染色法觀(guān)察，界面不清晰；（2）導(dǎo)電類(lèi)型異常，染色觀(guān)察會(huì)看到一條清晰的帶。夾層產(chǎn)生的原因：（1）P型雜質(zhì)沾污，造成N型外延層被高度補(bǔ)償；（2）襯底中基硼的含量大于31016cm-3時(shí)，外延層容易出現(xiàn)夾層。38防止夾層出現(xiàn)的方法：（1）提高重?fù)絾尉з|(zhì)量，絕不能用復(fù)拉料或反型料拉重?fù)絾尉?；?）工藝中防止引入P型雜質(zhì)，降低單晶中B的含量，（3）外延生長(zhǎng)時(shí)

15、先長(zhǎng)一層N型低阻層（如0.1cm）作為過(guò)渡層，可控制夾層。由于硅單晶質(zhì)量和外延生長(zhǎng)技術(shù)水平的提高，夾層已很少出現(xiàn)。39 5-4 硅外延層的缺陷外延片中的缺陷分兩類(lèi)：（1）表面缺陷（宏觀(guān)缺陷）。如云霧、劃道、亮點(diǎn)、塌邊、角錐、滑移線(xiàn)等。（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷（微觀(guān)缺陷）。如：層錯(cuò)、位錯(cuò)等。 5-4-1 外延片的表面缺陷1.云霧狀表面表面呈乳白色條紋，肉眼即可看到。起因：氫氣純度低，H2O過(guò)多或氣相拋光濃度過(guò)大，生長(zhǎng)溫度太低。402.角錐體（三角錐或乳突）形狀象沙丘，用肉眼可看見(jiàn)。防止角錐體產(chǎn)生采取的措施：選擇與（111）面朝110偏離34的晶向切片，提高臨界生長(zhǎng)速度；降低生長(zhǎng)速度；防止塵埃及碳化物沾

16、污，注意清潔等。41霧狀表面缺陷霧狀表面缺陷霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧42角錐體角錐體433.亮點(diǎn)外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)。 4060倍顯微鏡下呈發(fā)亮的小突起。大者為多晶點(diǎn)，可因系統(tǒng)沾污，反應(yīng)室硅粉，SiO2粒脫落，氣相拋光不當(dāng)或襯底裝入反應(yīng)室前表面有飄落的灰塵等引起。細(xì)小的亮點(diǎn)多半由襯底拋光不充分或清洗不干凈造成。444.塌邊（取向平面）外延生長(zhǎng)后片子邊緣部分比中間部分低，形成一圈或一部分寬12mm左右的斜平面，是無(wú)缺陷的完整的（111）面。形成塌邊的原因：襯底加工時(shí)造成片邊磨損而偏離襯底片晶向。如傾斜面為（111）面，在外延時(shí)它會(huì)擴(kuò)展而長(zhǎng)成（

17、111）取向小平面。455.劃痕一般由機(jī)械損傷引起，用鉻酸腐蝕液腐蝕時(shí)會(huì)在其兩旁出現(xiàn)成行排列的層錯(cuò)。6.星形線(xiàn)（滑移線(xiàn)）外延層表面出現(xiàn)平行的或順110方向伸展的線(xiàn)條，高低不平肉眼可見(jiàn)。鉻酸腐蝕液腐蝕后在線(xiàn)的一側(cè)出現(xiàn)位錯(cuò)排。起因：與硅片在加熱過(guò)程中受到的熱應(yīng)力有關(guān)，采用襯底邊緣倒角的辦法來(lái)消除。46 劃痕：由機(jī)械損傷引起劃痕：由機(jī)械損傷引起 星形線(xiàn)（滑移線(xiàn)）：星形線(xiàn)（滑移線(xiàn)）：47 5-4-2 外延層的內(nèi)部缺陷1.層錯(cuò)硅外延生長(zhǎng)時(shí)，外延層常常含有大量的層錯(cuò)。外延層層錯(cuò)形貌分為單線(xiàn)、開(kāi)口、正三角形、套疊三角形和其他組態(tài)。48 大多數(shù)層錯(cuò)核產(chǎn)生在襯底-外延層交界處； 沿（111）面?zhèn)鞑?，并隨外延層的

18、長(zhǎng)厚而增大。如（111）面外延層錯(cuò)的邊長(zhǎng)為 l，由幾何學(xué)關(guān)系，可求出外延層的厚lld816. 03249消除層錯(cuò)的辦法：（1）仔細(xì)制備襯底，無(wú)滑痕、亮點(diǎn)、表面清潔光亮，反應(yīng)系統(tǒng)要嚴(yán)格清洗，密封不漏氣。（2）外延前用HCl，Br2等進(jìn)行氣相拋光，除去襯底表面殘留的損傷層。（3）襯底外延前熱處理。外延前1210，H2氣氛處理15min，可使層錯(cuò)密度由105cm-2下降到102cm-2。外延后，450處理，層錯(cuò)開(kāi)始消除；600以上處理幾分鐘可以消除70%90%的層錯(cuò)。502.位錯(cuò) 處理好的襯底上用正常方法生長(zhǎng)的外延層中，位錯(cuò)密度大致與襯底的位錯(cuò)密度相近或稍少一些。 基座上溫度分布不好，片子直徑又大，

19、片子內(nèi)將形成一個(gè)溫度梯度，產(chǎn)生的位錯(cuò)密度為 rTbaDNa：熱膨脹系數(shù)，b：Si的特征柏氏矢量。 51 摻雜或異質(zhì)外延時(shí)引入位錯(cuò)。異類(lèi)原子間原子半徑的差異或兩種材料晶格參數(shù)差異引入內(nèi)應(yīng)力。如：Si中B、P等原子共價(jià)半徑比Si小，它們占據(jù)Si位置時(shí)，Si的點(diǎn)陣會(huì)收縮；Al、Sb、Sn的共價(jià)半徑比Si大，它們代替Si后會(huì)使硅點(diǎn)陣擴(kuò)張。摻B的硅襯底上生長(zhǎng)摻P的硅外延層時(shí)，晶格點(diǎn)陣的失配會(huì)使外延片呈現(xiàn)彎曲。當(dāng)彎曲程度超過(guò)彈性范圍，為緩和內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)的位錯(cuò)，稱(chēng)失配位錯(cuò)失配位錯(cuò)。52 采用應(yīng)力補(bǔ)償法消除位錯(cuò)，即在外延或擴(kuò)散時(shí)，同時(shí)引入兩種雜質(zhì)。如P和Sn，它們因半徑不同而產(chǎn)生的應(yīng)變正好相反。雙雜質(zhì)技術(shù)：使用

20、雙摻雜源，濃度合適時(shí)，片子基本上不彎曲，消除失配位錯(cuò)的產(chǎn)生。53 5-4-3 微缺陷微缺陷：硅外延層經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后呈現(xiàn)淺三角坑或丘狀物的缺陷，宏觀(guān)看是一種“霧狀”或“漬狀”。起因：多種雜質(zhì)沾污引起，F(xiàn)e、Ni等影響最大。Fe的濃度達(dá)到1015cm-3時(shí)，明顯地產(chǎn)生這種云霧狀缺陷。消除方法：工藝中注意基座及工具的清潔處理，應(yīng)用“吸雜技術(shù)”。54“吸雜技術(shù)”：將襯底背面打毛或用離子注入造成損傷，或生長(zhǎng)Si3N4、高缺陷密度的單晶層，多晶層等。高缺陷層中的位錯(cuò)與雜質(zhì)作用形成柯垂耳氣團(tuán)，吸收有害雜質(zhì)。55 5-5 硅的異質(zhì)外延除了在硅襯底上進(jìn)行硅的同質(zhì)外延外，發(fā)展了在藍(lán)寶石、尖晶石襯底上進(jìn)行硅的“

21、SOS”外延生長(zhǎng)和在絕緣襯底上進(jìn)行硅的“SOI”異質(zhì)外延技術(shù)。5-5-1 SOS（Silicon On Sapphire or Spinel）技術(shù) 1.襯底材料的選擇 外延層與襯底材料之間的相容性。晶體結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、蒸氣壓、熱膨脹系數(shù)等對(duì)外延層的質(zhì)量影響很大；56 硅外延的異質(zhì)襯底最合適材料是藍(lán)寶石和尖晶石。尖晶石上Si外延層的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴(lài)于襯底組分，組分因制備方法和工藝條件不同而異。藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率高，制備工藝成熟，工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用藍(lán)寶石做硅外延襯底。572.SOS外延生長(zhǎng)SOS外延生長(zhǎng)時(shí)，自摻雜效應(yīng)比較嚴(yán)重。外延生長(zhǎng)時(shí)，襯底表面的反應(yīng)： Al2O3（s）+2HCl（g）+2H2（g）=2Al

22、Cl（g）+3H2O（g）低價(jià)鋁的氯化物對(duì)襯底有腐蝕，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生缺陷。58H2和淀積的硅也會(huì)腐蝕襯底，反應(yīng)為：2H2（g）+Al2O3（s）=Al2O（g）+2H2O（g）5Si（s）+2Al2O3（s）=Al2O（g）+5SiO（g）+2Al（s） 襯底表面未被Si完全覆蓋之前，腐蝕反應(yīng)都在進(jìn)行； 襯底表面被覆蓋之后，腐蝕反應(yīng)還會(huì)在襯底背面發(fā)生； 襯底表面被腐蝕，會(huì)增加外延層的缺陷，甚至局部長(zhǎng)成多晶； SiCl4對(duì)襯底腐蝕大于SiH4，采用SiH4熱分解法有利。59解決生長(zhǎng)和腐蝕矛盾的方法：雙速率生長(zhǎng)； 兩步外延。雙速率生長(zhǎng)法：先用高的生長(zhǎng)速率（12m/min），迅速將襯底表面覆蓋(10

23、0200nm)，再以低的生長(zhǎng)速率（約0.3m/min）長(zhǎng)到所需的厚度。兩步外延法：利用SiH4/H2和SiCl4/H2兩個(gè)體系的優(yōu)點(diǎn)。i)SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面；ii) SiCl4/H2體系生長(zhǎng)到所需的厚度。605-5-2 SOI5-5-2 SOI技術(shù)技術(shù) SOISOI技術(shù)是技術(shù)是IBMIBM公司公司首先開(kāi)發(fā)成功的首先開(kāi)發(fā)成功的芯片制造技術(shù)芯片制造技術(shù) 在在19981998年研制成功年研制成功， 于于20002000年正式應(yīng)用于年正式應(yīng)用于其其PowerPC RS64IVPowerPC RS64IV芯片上的芯片上的半導(dǎo)體制造技術(shù)半導(dǎo)體制造技術(shù)。 SOISOI硅絕緣技術(shù)是指在半導(dǎo)體的

24、絕緣層（如二氧化硅絕緣技術(shù)是指在半導(dǎo)體的絕緣層（如二氧化硅）上，通過(guò)特殊硅）上，通過(guò)特殊 工藝，再附著非常薄的一層硅，工藝，再附著非常薄的一層硅，在這層在這層SOISOI層之上再制造電子設(shè)備。層之上再制造電子設(shè)備。 此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提高數(shù)字電路的開(kāi)關(guān)高數(shù)字電路的開(kāi)關(guān) 速度。速度。SOISOI與與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝（一般稱(chēng)為產(chǎn)工藝（一般稱(chēng)為bulk CMOSbulk CMOS）相比）相比可使可使CPUCPU的性的性能提高性能能提高性能25%-35%25%-35%，降低功耗，降低功耗1.7-31.7-3倍倍。SOIS

25、OI：Silicon On Insulator Silicon On Insulator 絕緣體上的硅絕緣體上的硅61體硅CMOS技術(shù)62SOI(Silicon-On-Insulator: 絕緣襯底上的硅)技術(shù)63低壓低壓SOI器件器件體硅體硅SOI雙柵雙柵SOI64 SOI的的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在是在有源層和襯底層之間插入有源層和襯底層之間插入埋氧層埋氧層來(lái)隔斷二者的電連接。來(lái)隔斷二者的電連接。 SOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅硅基器件或電路制作在外延層上基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底器件和襯底直直接產(chǎn)生電連接，高低壓?jiǎn)卧g、有源層和襯接

26、產(chǎn)生電連接，高低壓?jiǎn)卧g、有源層和襯底層之間的隔離底層之間的隔離通過(guò)反偏通過(guò)反偏PN結(jié)完成結(jié)完成，而，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓?jiǎn)卧g都通過(guò)電路的有源層、襯底、高低壓?jiǎn)卧g都通過(guò)絕緣層完全隔開(kāi)，各部分的電氣連接被完全消絕緣層完全隔開(kāi)，各部分的電氣連接被完全消除。除。 65為其帶來(lái)了為其帶來(lái)了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)高、抗輻射能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。等諸多優(yōu)點(diǎn)。SOISOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和和相同條件下的相同條件下的體硅電路相比，體硅電路相比，SOI電路的速度可提高電路的速度可提高25-35%，功耗可下降，功耗可下降2/36

27、6SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)技術(shù)的挑戰(zhàn) 1、SOI材料是材料是SOI技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ) SOI技術(shù)發(fā)展有賴(lài)于技術(shù)發(fā)展有賴(lài)于SOI材料的不斷進(jìn)步，材料是材料的不斷進(jìn)步，材料是SOI技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一 這個(gè)障礙目前正被逐漸清除這個(gè)障礙目前正被逐漸清除 SOI材料制備材料制備目前最常用的方法：目前最常用的方法： SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN67 SDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合技術(shù)直接鍵合技術(shù) SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧氧注入隔離注入隔離 Smart Cut智能切割智能切割

28、 ELTRAN (Epoxy Layer Transfer)外延層轉(zhuǎn)移外延層轉(zhuǎn)移68 SDB(Silicon Direct Bonding)直接鍵合技術(shù)直接鍵合技術(shù)，是采用鍵合技術(shù)形成是采用鍵合技術(shù)形成SOI結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。核心技術(shù)之一。1.SDB 將兩片硅片將兩片硅片通過(guò)通過(guò)表面的表面的SiO2層鍵合在一起層鍵合在一起,再把背再把背面用腐蝕等方法減薄來(lái)獲得面用腐蝕等方法減薄來(lái)獲得SOI結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)69 當(dāng)兩個(gè)平坦的具有當(dāng)兩個(gè)平坦的具有親水性親水性表面的硅片（如被氧化表面的硅片（如被氧化的硅片）相對(duì)放置在一起時(shí)，即使在室溫下亦回自的硅片）相對(duì)放置在一起時(shí)，即使在室溫下亦回自然的發(fā)生鍵合。

29、然的發(fā)生鍵合。親水性是指材料表面與水分子之間有較強(qiáng)的親和力親水性是指材料表面與水分子之間有較強(qiáng)的親和力. .通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤(rùn)濕通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤(rùn)濕通常認(rèn)為，鍵合是由吸附在兩個(gè)硅片表面上的通常認(rèn)為，鍵合是由吸附在兩個(gè)硅片表面上的OH-OH-在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在在室溫下室溫下實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)的鍵合鍵合通常通常不牢固不牢固，所以，所以鍵合鍵合后還要進(jìn)行退火后還要進(jìn)行退火，鍵合的強(qiáng)度隨退火溫度的，鍵合的強(qiáng)度隨退火溫度的升高而增加。升高而增加。 鍵合后采用機(jī)械研磨或化學(xué)拋光的方鍵合后采用機(jī)械研磨或化學(xué)拋光的方法，將器件層的硅片

30、減薄到預(yù)定厚度。法，將器件層的硅片減薄到預(yù)定厚度。 70n鍵合鍵合(Bonded)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：n硅膜質(zhì)量高硅膜質(zhì)量高n埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調(diào)整埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調(diào)整n適合于大功率器件及適合于大功率器件及MEMS技術(shù)技術(shù)n硅膜減薄一直是制約該技術(shù)發(fā)展的重要硅膜減薄一直是制約該技術(shù)發(fā)展的重要障礙障礙n鍵合要用兩片體硅片制成一片鍵合要用兩片體硅片制成一片SOI襯底，襯底，成本至少是體硅的兩倍成本至少是體硅的兩倍7172SDB73SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔氧注入隔離，離，是通過(guò)是通過(guò)氧離子注入到硅片氧離子注入到硅片，

31、再，再經(jīng)高溫退火經(jīng)高溫退火過(guò)程過(guò)程消消除注入缺陷而成除注入缺陷而成. .2.SIMOX 74O2O275 采用采用SIMOX技術(shù)制備的技術(shù)制備的硅膜均勻性較好，調(diào)整氧離子注硅膜均勻性較好，調(diào)整氧離子注入劑量可使厚度控制在入劑量可使厚度控制在50400nm的范圍。的范圍。但由于需要昂貴但由于需要昂貴的高能大束流離子注入機(jī)，還要經(jīng)過(guò)高溫退火過(guò)程，所以制備的高能大束流離子注入機(jī)，還要經(jīng)過(guò)高溫退火過(guò)程，所以制備成本很高，價(jià)格非常貴。成本很高，價(jià)格非常貴。 采用采用SIMOX技術(shù)制備的技術(shù)制備的頂層頂層硅膜通常較薄硅膜通常較薄，為此，人們采，為此，人們采用在用在SIMOX基片上外延的方法來(lái)獲得較厚的頂層

32、硅基片上外延的方法來(lái)獲得較厚的頂層硅，即所謂的，即所謂的ESIMOX（Epoxy SIMOX）技術(shù)）技術(shù)。但是厚外延將在硅膜中引。但是厚外延將在硅膜中引起較多的缺陷，因此起較多的缺陷，因此SIMOX技術(shù)通常用于制備薄硅膜、薄埋氧技術(shù)通常用于制備薄硅膜、薄埋氧層的層的SOI材料。材料。 7677各層性能各層性能2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代今后今后上層上層SiSi的均勻性的均勻性/ /埃埃1001002525SiOSiO2 2埋層厚度埋層厚度/um/um0.30.50.30.50.050.50.050.5SiOSiO2 2埋層的均勻性埋層的均勻性3%3%1%1%平均缺陷密度平均缺陷密度/cm/

33、cm-2-210105 510104 410103 310102 2樣品表面的粒子數(shù)樣品表面的粒子數(shù)注入后注入后/cm/cm-2-2( (粒子大小粒子大小) )0.750.750.0160.016退火后退火后/cm/cm-2-2( (粒子大小粒子大小) )0.0160.0160.0160.016SIMOXSIMOX材料現(xiàn)在的水平和今后的需要材料現(xiàn)在的水平和今后的需要78nSIMOXSIMOX材料：材料：n最新趨勢(shì)是采用最新趨勢(shì)是采用較小的氧注入劑量較小的氧注入劑量n顯著改善頂部硅層的質(zhì)量顯著改善頂部硅層的質(zhì)量n降低降低SIMOXSIMOX材料的成本材料的成本n低注入劑量低注入劑量( 4( 4

34、10101717/cm/cm2 2) )的埋氧厚度?。旱穆裱鹾穸缺。?0080010001000n退 火 溫 度 高 于退 火 溫 度 高 于 1 3 0 0 1 3 0 0 ， 制 備 大 面 積， 制 備 大 面 積( ( 300mm)SIMOX300mm)SIMOX材料困難材料困難79 Smart CutSmart Cut智能切割智能切割兼具有兼具有SDBSDB和和SIMOXSIMOX的特點(diǎn)，的特點(diǎn)，工藝流程包括工藝流程包括熱氧化、注氫、熱氧化、注氫、低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光等。這種等。這種方法制得的方法制得的硅片頂部硅膜的均勻性相當(dāng)好，硅片頂部硅膜的

35、均勻性相當(dāng)好，單片厚度偏差和片間偏差可控制在單片厚度偏差和片間偏差可控制在10nm10nm以?xún)?nèi)，以?xún)?nèi)，另外另外生產(chǎn)成本也可降低生產(chǎn)成本也可降低，因?yàn)椴恍枰嘿F的，因?yàn)椴恍枰嘿F的專(zhuān)用大束流離子注入機(jī)和長(zhǎng)時(shí)間的高溫退火，專(zhuān)用大束流離子注入機(jī)和長(zhǎng)時(shí)間的高溫退火，所以這是一種極有前途的所以這是一種極有前途的SOISOI制備技術(shù)。特制備技術(shù)。特別別適用于制備薄硅膜、厚埋氧層材料。適用于制備薄硅膜、厚埋氧層材料。 3.Smart Cut8081nSmart-Cut技術(shù)是一種智能剝離技術(shù)n將離子注入技術(shù)和硅片鍵合技術(shù)結(jié)合在將離子注入技術(shù)和硅片鍵合技術(shù)結(jié)合在一起一起n解決了鍵合解決了鍵合SOI中硅膜減薄問(wèn)題

36、，可以中硅膜減薄問(wèn)題，可以獲得均勻性很好的頂層硅膜獲得均勻性很好的頂層硅膜n硅膜質(zhì)量接近體硅。硅膜質(zhì)量接近體硅。n剝離后的硅片可以作為下次鍵合的襯底，剝離后的硅片可以作為下次鍵合的襯底，降低成本降低成本82H2H283Smart Cut84Smart Cut85Smart Cut86 ELTRANELTRAN技術(shù)技術(shù)(Epoxy Layer TransferEpoxy Layer Transfer)外外延層轉(zhuǎn)移延層轉(zhuǎn)移，獨(dú)特之處在于獨(dú)特之處在于在多孔硅表面上在多孔硅表面上可可生長(zhǎng)平整的外延層生長(zhǎng)平整的外延層，并能以合理的速率，并能以合理的速率將多將多孔硅區(qū)域徹底刻蝕掉孔硅區(qū)域徹底刻蝕掉 ，該技術(shù)保留了外延層，該技術(shù)保留了外延層所具有的原子平整性，在晶體形成過(guò)程中也所具有的原子平整性，在晶體形成過(guò)程中也不產(chǎn)生顆粒堆積或凹坑，因此具有比其它不產(chǎn)生顆粒堆積或凹坑，因此具有比其它SOISOI技術(shù)更為優(yōu)越的性能。技術(shù)更為優(yōu)越的性能。 4.ELTRAN8788ELTRAN89ELTRAN9091以上以上4 4種制備種制備SOISOI材料的方法各有所長(zhǎng)，用戶(hù)可以根據(jù)不同的材材料的方法各有所長(zhǎng)，用戶(hù)可以根據(jù)不同的材料要求，選擇不同的制備方法。料要求，選擇不同的制備方法。SDBSDB法法通常用于制取通常用于制取厚