（材料物理与化学专业论文）episoi硅片制备及表征.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ，绝缘层上硅) 硅片用于制造集成电路具有高速、 低功耗、集成度高等优势。s i m o x ( s e p a r a t eb yi m p l a n to x y g e n ，注氧隔离) 技术可以制备高质量的s o i 硅片。但是，利用这种技术制备的s o i 硅片顶层硅 厚度较薄( 一般在5 0 - 3 0 0 n m ) ，一定程度上限制了s o i 硅片的应用。将外延工 艺与s i m o x 技术相结合，制备所谓的e p i s o i 硅片( e p i t a x i a ls i l i c o no ni n s u l a t o r w a f e r ，s o i 外延片) ，可以很好的解决上述闯题。 本论文以s o i 硅片为衬底，通过a p c v d ( a m b i e n tp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，常压化学气相沉积) 技术生长了5 0 岬厚的单晶硅外延层。通过择 优腐蚀技术研究了外延层中的缺陷，以及后续高温热处理对外延层缺陷的影响。 此外，还研究了高温热处理过程时s o i 衬底埋氧层中氧的扩散。本论文得到了 以下主要结果： 1 ) 利用择优腐蚀技术对e p i s o i 硅片外延层中缺陷的显示结果表明，外延 层中的缺陷为位错，它们的形态为单根穿通位错( p u n c ht h r o u g hd i s l o c a t i o n s ) 和位错对( d i s l o c a t i o np a i r s ) 。这些位错的来源主要是s o i 顶层硅中原生的位错 及位错对。 2 ) e p i s o i 外延层中的位错密度受s o i 衬底影响较大。实验发现，在顶层 硅厚度分别为1 5 0n l n 及2 0 0n n l 的两种s o i 衬底上生长的外延层，其位错密度 相差一个数量级。顶层硅厚度越大，外延层中位错密度越小。在s o i 制备过程 中，顶层硅中会产生大量的应力，这些应力会促进位错的形成，当顶层硅厚度 较厚时，可以抑制这种位错促进作用。 3 ) 后续高温热处理过程，可以降低外延层中的位错密度。将e p i s o i 硅片 经过不同温度( 9 0 0 - 1 2 0 0 ) 的热处理后择优腐蚀，发现位错密度有不同程度 的降低。初步认为，高温热处理过程中，外延层中的位错会发生运动，在硅片 边缘及外延层与衬底界面处湮灭，同时伯氏矢量相反的位错相遇时会发生湮灭。 4 ) e p i s o i 硅片经过高温热处理后，s o i 衬底埋氧层中的氧会发生外扩散。 9 0 0 - 1 1 0 0 温度范围内，氧的外扩散随温度升高而增强；当温度超过1 1 0 0 时， 外扩散程度减弱，这是由于较高温度下，富硅的埋氧层将成为氧的吸杂源，使 外延层中部分氧发生内扩散。 浙江大学硕士学位论文 关键词：绝缘层上硅，注氧隔离，外延，缺陷，扩展电阻 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s 0 1 ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) u s e df o ri n t e g r a t e dc i r c u i to c ) m a n u f a c t u r i n gh a s t w oa d v a n t a g e so fi n c r e a s i n gs p e e da n dr e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o n s i m o x ( s e p a r a t eb yi m p l a n to x y g e n ) c a nb eu s e dt 0f a b r i c a t eh i g h - q u a l i t ys 0 1w a f e r s h o w e v e r , t h et o p - s i l i c o nl a y e ro fs i m o x s 0 1w a f e r si sv e r yt h i n ( t y p i c a l l y5 0 0 - 3 0 0 r i m ) ，w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a t i o no fs u c hs 0 1w a f e r st oac e r t a i nd e g r e e f o r t u n a t e l y , t h i si s s u ec a nb ec i r c u m v e n t e db yt h ec o m b i n a t i o no f e p i t a x ya n ds i m o x p r o c e s s e s ， w h i c hl e a d st os o - c a l l e de p i s 0 1w a f e r s i nt h i st h e s i s ，t h ee p i s o lw a f e r sw e r ep r e p a r e db ya m b i e n tp r e s s u r ec h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ( a p c v d ) p r o c e s so nt h es i m o x - s 0 1s u b s t r a t e s b ym e a n so f p r e f e r e n t i a le t c h i n g , t h ed e f e c t si nt h ea s - g r o w ne p i - s 0 1w a f e r sa n dt h ea n n e a l e d o n e sw g t ed e l i n e a t e d m o r e o v e r , t h eo u t d i f f u s i o no fo x y g e nf r o mt h eb u r i e ds i l i c o n o x i d e ( b o x ) l a y e ro fs o is u b s t r a t e sw a si n v e s t i g a t e d l i s t e db e l o wa r et h em a i n r e s u l t sa c h i e v e di nt h i st h e s i s 1 t h ed e f e c t si nt h ee p i - l a y e ro fe p i s 0 1w a f e rd e l i n e a t e db yp r e f e r e n t i a l e t c h i n gm a n i f e s tt h e m s e l v e sa sp u n c h - t h r o u g hd i s l o c a t i o n sa n dd i s l o c a t i o np a i r s ， w h i c ha r eo r i g i n a t e df r o mt h es o is u b s t r a t e s 2 t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi nt h ee p i - l a y e ro f e p i s 0 1w a f e rd e p e n d ss t r o n g l yo n t h es o ls u b s t r a t e i tw a sf o u n dt h a tt h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi ne p i - s 0 1w a f e ru s i n g t h es 0 1s u b s 仃a t ew i t ha1 5 0s i nt h i c kt o p - s i l i c o nl a y e rw a so n eo r d e ro f m a g n i t u d e h i g h e rt h a nt h a ti nt h ee p i - s o lw a f e ru s i n gt h es o i s u b s t r a t ew i t ha2 0 0 眦t h i c k t o p - s i l i c o nl a y e r 3 t h eh i g ht e m p e r a t u r ea r m e a l i n gc a nb eu s e dt or e d u c et h ed i s l o c a t i o nd e n s i t y i nt h ee p i s 0 1w a f e r i tw a se x p e r i m e n t a l l yf o u n dt h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi nt h e e p i - s o lw a f e rw a sd e c r e a s e dt od i f f e r e n td e g r e e sb yt h ea n n e a l i n ga td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e si nt h er a n g eo f9 0 0 1 2 0 0 c i ti sp r e l i m i n a r i l yb e l i e v e dt h a td u r i n gt h e h i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n g , t h ed i s l o c a t i o n sm o v et ot h ee p i - s u b s t r a t ei n t e r f a c ea n d t h ee d g eo fs i l i c o nw a f e rw h e r et h e ya r ea n n i h i l a t e da n d , m o r e o v e r , t h ed i s l o c a t i o n s w i 廿lo p p o s i t eb u r g e r sv e c t o r sw i l li n t e r a c ta n dt h u su l t i m a t e l yb e i n ga n n i h i i a t e d i n 浙江大学硕士学位论文 4 t h eh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n go f e p i s 0 1w a 向c a nl e a dt ot h eo u t d i f f u s i o n o f o x y g e ni nt h eb o xl a y e ro fs 0 1 s u b s t r a t e s u c ha no x y g e n - o u t d i f f u s i o nb e c o m e s e v e l s t r o n g e rw i t hi n c r e a s e dt e m p e r a t u r ei nt h e9 0 0 - 11 0 0 ( 3 ，w h i l ei ti sw e a k e n e da t h i g h e rt e m p e r a t u r e sb e c a u s et h en o n - s t o i c h i o m e t r i cb o xl a y e ra c t u a l l ya c t sa sas i n k f o rm o b i l eo x y g e na t o m s t h i ss i n km a ye r l h a n c et h ei n - d i f f u s i o no fo x y g e nt o w a r d t h eb o xl a y e rd u r i n gh i g h - t e m p e r a t u r ea n n e a l i n g k e y w o r d s ：s o i ，s i m o x ，e p i t a x y ，d e f e c t s ，s r p i v 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 随着超大规模集成电路向深亚微米方向的不断发展，以传统体硅材料为衬 底的器件制备技术受硅材料本身的影响越来越大，出现了一系列材料、器件物 理、器件结构和工艺技术等方面的新问题。同时由于器件尺寸越来越小，器件 内部及器件与器件间通过衬底的相互作用也越来越严重。为解决以上问题，出 现了一系列新材料与新结构的研发浪潮。$ 0 i 材料以其特殊的绝缘层结构。有 效地克服了体硅材料的不足，拓宽了硅材料集成电路技术的应用，正逐渐成为 制造高速、低功耗、高集成度和高可靠性的超大规模集成电路技术的首选衬底 材料。早在上世纪6 0 年代，制备s o i 材料方面的研究就已经开展了。近几年来， 随着s o i 材料制备技术不断的成熟，基于s o i 材料的器件制备工艺已经被多个 世界领先的半导体公司所采用，所生产的产品也已经进入消费者市场，并将不 断扩大其应用领域。 除了拥有i c 领域的巨大应用前景外，s o i 硅片由于其特殊的结构，广泛应 用于其他领域。在m e m s 领域，s o i 硅片的顶层硅具有单晶性质，与传统的多 晶硅层相比可以减小内应力及应力梯度对器件性能的影响，同时埋氧层可以作 为腐蚀的终止层，能够更加精确的控制器件的厚度。另外由于s i 与s i 0 2 对光 的反射系数相差较大，可作为制作平面光波导器件的衬底材料。在近红外波长 的范围内光通信领域应用广泛。然而在这些领域，要求顶层硅比较厚，一般在 微米级。利用一般的制备s o i 硅片的方法来制备如此厚度的顶层硅，既不合算 也不现实。工业上一般利用外延生长技术在s o l 硅片衬底上生长层单晶硅外 延层，来实现上述的要求，该工艺称为e p i s o i 工艺。 早在上世纪6 0 年代，人们就开始研究外延工艺，但是在s o i 硅片衬底上生 长外延的研究却只有近几年才开始研究。值得注意的是，最近的研究结果发现 在s o l 硅片上生长外延与体硅有较大区别。同时，e p i s o i 硅片外延层中的缺 陷研究还较少。因此为了进一步拓宽s o i 硅片的应用领域，加快s o i 技术的发 展，s o l 硅片上生长的外延层中缺陷的研究具有十分重要的意义。基于以上考 虑，本论文分以下几个章节展开： 第一章前言：总领全文，并简单阐述研究背景。第二章文献综述：主要从 材料制备的角度阐述s o l 硅片的研究历史，重点介绍s o i 硅片的主流生产技术 浙江大学硕士学位论文 s i m o x 技术的发展历程以及过程机理，内容涉及各参数对材料质量的影响、过 程机理、最新的研究进展以及表征手段等，介绍了s o l 硅片中氧的各种性质。 第三章实验：介绍论文中所涉及的各种设备型号及工作原理，集中介绍本实验 所用样品的制备；第四、五章为论文的主体部分：第四章主要介绍对e p i s o i 硅片上外延层中缺陷的研究方法及实验结果；第五章主要介绍热处理过程的研 究，包括不同的热处理对顶层硅电学性能的影响。第六章总结：总结全文的主 要实验结果。 2 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章文献综述 s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 中文称为绝缘层上硅，是一种具有特殊结构的 材料。通过在体硅当中添加一层绝缘层( s i 0 2 ，s i 3 n 4 等) 实现器件有源层与衬 底的全介质隔离，有效抑制了衬底的“体效应”影响【1 1 。用s 0 1 硅片制成的 s o i c m o s 器件能有效地降低衬底对器件工作区的影响，从根本上消除体硅电 路中的寄生闩锁效应，同时使芯片具有高速、低功耗、抗辐照能力高、耐高温、 软误差小等优点，性能明显优于常规的体硅电路。鉴于以上优点使s o i 技术在 深亚微米v l s i 中有极大的应用前景，被国际上公认为“2 l 世纪的硅集成电路 技术” 2 , 3 1 。 除了拥有i c 领域的巨大应用前景外，s o i 硅片由于其特殊的结构，广泛应 用于其他领域。在m e m s 领域，s o i 硅片的项层硅具有单晶性质，与传统的多 晶硅层相比可以减小内应力及应力梯度对器件性能的影响，同时埋氧层可以作 为腐蚀的终止层，能够更加精确的控制器件的厚度。另外由于s i 与s i 0 2 对光 的反射系数相差较大，可作为制作平面光波导器件的衬底材料。在近红外波长 的范围内光通信领域应用广泛。 当将s o l 硅片应用于m e m s 、光波导器件、功率型开关器件、高速双极型 电路等领域时要求顶层硅的厚度在微米量级。然而，利用现有的制备技术如 s i m o x 、s m a r t - c u t 等制备出的s o i 硅片其项层硅厚度一般在1 0 0 2 0 0 n m 之间， 要实现顶层硅厚度在微米量级可以借助于半导体工业中常用的外延工艺，即在 标准工艺制备的s o l 硅片上面外延生长一层单晶硅，以增加顶层硅的厚度，该 工艺称为e p i s o i 工艺。s o i 硅片上生长外延与体硅有较大区别，外延层的质 量与衬底质量有较大关系。同时，s o i 硅片在器件制备的工艺过程中会经历热 氧化、烘培、外延沉积等高温工艺。在这些热处理过程中，外延层中的位错层 错等缺陷的方向、分布、密度等会发生变化，厂商提供的s o i 硅片中埋氧层亦 会发生氧的外扩散。 发展s o i 技术既有社会意义，又有经济价值。s o i 硅片首先是为了满足国 浙江大学硕士学位论文 防、航天、核能利用等高新技术中具有超高速信息处理和强抗辐射能力的计算 机和电子控制系统而发展起来的，属敏感战略高技术，西方国家至今仍对我国 封锁禁运。所以为发展我国的国防高科技，必须独立自主的发展这项技术。中 国国家计委在2 0 0 0 年3 月关于组织实施新材料高技术产业化专项的公告中， 把s o i 硅片产业化作为近期工作重点之一。因此可以说，发展s o i 产业既是契 机也是挑战! 本章主要从材料制备的角度阐述s o i 硅片的研究历史，重点介绍s o i 硅片 的主流生产技术s i m o x 技术的发展历程以及过程机理，内容涉及各参数对材 料质量的影响、过程机理、最新的研究进展以及表征手段等，介绍了s o i 硅片 中氧的各种性质。并基于总结前人研究的基础上提出本论文的研究方向。 2 2 技术综述 s o l 硅片的历史可以追溯至上世纪6 0 年代。当时，由于其优越的抗辐照特 性使其能够应用在较恶劣的环境中，所以多用于军方及空间卫星。但当时材料 的制备水平很低，高质量的s 0 1 硅片制备成本较高，限制了该技术的发展。8 0 年代以后，人们发现利用s o i 硅片作为衬底可以提高i c 器件的性能。同样的逻 辑电路，在同样的工作电压下，s o i 硅片具有更快的运行速率，反之可以在保 持同样的时钟频率的条件下降低器件工作能耗。这些优点适应了微电子工业所 追求的高速度、低能耗的需求，从而促进了该材料的发展。自8 0 年代以来特别 是9 0 年代中后期，由于超大规模集成电路尺寸不断降低，在材料技术、器件理 论、器件结构及制作工艺等方面出现了一系列的新问题。为了解决这些问题， 科学家们采取了一些诸如深槽隔离、h a l o 结构、应变沟道材料、高k 栅介质 材料等一系列新技术。绝缘层上硅技术也由于其独特的结构有效克服了体硅材 料的不足，正逐渐成为制造低功耗、高速度、高集成及高可靠性超大规模集成 电路的主流技术。 与体硅相比，s o l 硅片具有以下优势：( 1 ) 速度高全耗尽s o l 器件具有 迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点使s o ic m o s 具有极高的速度特性；( 2 ) 功耗低一全耗尽s o i 器件漏电流小，静态功耗小；结电容与连线电容均很小， 动态功耗小；( 3 ) 集成密度高一- s o i 采用介质隔离，不需要制备体硅c m o s 电 4 浙江大学硕士学位论文 路的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅取决于光刻和刻蚀技术的限制；( 4 ) 成本低一s 0 i 技术除了衬底材料成本高于硅材料外，其他成本均低于体硅。s o l c m o s 的制造工艺比体硅至少少3 块掩模板，减少1 3 - 2 0 的工序：( 5 ) 抗辐 照特性好一全介质隔离结构，彻底消除体硅电路中的闩锁效应。且具有极小的 结面积，因此具有非常好的抗软失效，瞬时辐照和单粒子翻转能力。 正是由于绝缘层的存在，使得在s o i 硅片衬底上制备的器件与普通器件相 比具有了以上的优势，因此实现绝缘层，制备高质量的s o l 硅片就成为了科学 界所关注的焦点。通过2 0 多年的研究人们发展了多种制备方法，主要可以分为 三类： 1 1 多晶硅薄膜或无定型硅膜的单晶化，该技术通过在单晶硅衬底上生长氧 化层，并光刻事先形成单晶种子窗口。然后通过高温使沉积在氧化层上的多晶 硅或非晶硅膜在单晶种子的诱导下晶化，从而实现s o l 硅片结构。主要手段有 z m r ( z o n em e l ta n dg e c r y s t a i l i z a t i o n ，熔融再结晶) 或s p e ( s o l i dp h a s ee p i t a x i a l ， 固相外延) 等方法。 2 ) 单晶硅衬底分离，该技术通过不同方法将绝缘层植入体硅中以形成s o l 结构，主要手段有s i m o x ( s e p a r a t eb yi m p l a n to x y g e n ，注氧隔离技术) 、f i p o s ( f u l li s o l a t i o nw i t hp o r o u so x i d i z e ds i l i c o n ，多孔硅氧化隔离技术) 、b e s o i ( b o n d i n ga n de t c h i n gs o l ，硅片键和背面减薄技术) 及智能剥离技术 ( s m a r t - c u t ) 。 3 ) 硅单晶薄膜沉积，该技术通过在绝缘衬底上直接沉积单晶硅薄膜，来得 到s o l 结构。主要手段有e l o ( e p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h ，横向外延生长法) 、 异质外延法( s i l i c o n0 1 1s a p p h i r es o s 及s i l i c o no nz i r c o n i as o z 等) 。 其中，s i m o x 及s m a r t - c u t 技术由于其与i c 工艺兼容较好，工艺简单， 易于批量生产、材料质量高等优点得到广泛关注，以该两项技术为核心的s o i 硅片生产己逐渐产业化。以下将重点对上述两种制备方法作一介绍。 浙江大学硕士学位论文 2 3s i m o x 2 3 1s i m o x 历史简述 s i m o x ( s e p a r a t eb yi m p l a n to x y g e n ，注氧隔离技术) 是指通过离子注入方 式将大量的氧离子注入到体硅中一定深度处，再经过后续退火形成一定厚度的 绝缘埋层，b o x ( b u r i e do x i d e ，埋氧层) 。一般而言，将特定原子掺入目标材 料中是离子注入工艺的主要目的。该工艺主要用来进行离子的掺杂。而s i m o x 法制备s o i 硅片则是利用离子注入工艺来进行化合物的合成。早在上世纪6 0 年代中期w a t a n a b e 及t o o i1 4 等提出了利用离子注入方式向硅中注入足够剂量 的氧以在硅中形成化学剂量比的s i 0 2 但与离子注入掺杂比较而言，这里所说 的注入无论从剂量还是能量都要高很多倍。就当时的水平来说，做一次标准剂 量的注入，所需的时间为数天并且所注入的面积也非常的小1 5 l 。s i m o x 工艺中 最关键的步骤是后续高温退火。为了提高埋氧层质量，同时消除由高能注入在 顶层硅中引起的缺陷，热处理温度应该达到1 3 0 0 才能获得高质量的s o l 硅片。 就当时的条件而言还不能达到这些要求，因此制备出的材料质量较差，缺陷密 度高无法应用，所以该技术并不被人重视。直到7 0 年代末i z u m i 等在n t t 实 验室用s i m o x 方法制备出了可以达到器件制备要求的s o i 硅片，所用的注入 设备为e x t r i o n2 0 0 2 0 a 型离子注入设备t 6 1 。并在1 9 7 8 年利用该材料成功制作 出了1 9 级c m o s 环形振荡器，同时也将该材料命名为s l m o x s o i 硅片1 7 1 。这 一工作，具有里程碑式的意义，在这之后世界各大半导体公司纷纷进入s o i 硅 片领域，做了大量的科学研究，旨在提高s i m o x s o i 硅片的质量，以适应超 大规模集成电路的应用要求。在过去的2 0 年时间里，s i m o x - s o i 技术得到了 长足的发展，出现了一系列基于s i m o x 技术的新工艺。为了提高产品质量在 8 0 年代末到9 0 年代中期，人们着重研究了埋氧层在退火过程中的形成机理， 并与o s w a l d 熟化理论相结合，提出了一些模型，如图2 1 所示，较好地揭示了 氧沉淀形成，长大，联合的过程随9 ，10 1 1 , 1 2 1 。基于这些机理，人们提出了一些改 进的工艺，如通过多重注入多步退火方法提高顶层硅质量，或者改变注入能量 剂量搭配，研究不同能量剂量条件下s o l 硅片质量情况，在s 1 m o x s o l 硅片 6 浙江大学硕士学位论文 研究方面积累了大量的宝贵经验( 1 3 ，j 4 1 5j 。 竺竺竺= ! ! ! 竺 ， o + i m p l a n t a t i o n h i g h 一姥m p 啪i 障a n n e a l i n g l 图2 1s i m o x 制备s o i 硅片退火过程形成埋氧层的机理2 l 但是，长久以来s i m o x s o i 硅片的发展一直受制于长时间注入( 标准剂 量为1 8 2 0 x 1 0 i s c n l - 2 ) 带来的成本问题，并且由于注入时间过长使其批量生产 能力难以达到要求。为了降低大剂量离子注入带来的成本及质量问题，从9 0 年 代中期开始s i m o x - s o i 硅片的研究就进入了低剂量时代。所谓低剂量是指氧 离子注入剂量远低于氧化层形成的临界剂量( 约为4 x 1 0 1 7 c m 2 ) ，注入所形成的 埋氧层厚度在5 0 2 0 0 n m i l 6 l 。与传统标准剂量圆片相比低剂量圆片具有以下优 点：提高了顶层硅的晶体质量，降低顶层硅中缺陷密度( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n 和 s t a c k i n g f a u l t s ) l l 。n ；与标准剂量相比缩短了注入时间，有利于降低成本，同时 降低设备造价，并减小金属洁污的机会【l 鄹；薄的b o x 层能有效的抑制m o s f e t ( 金属氧化物半导体场效应管) 的自热效应【1 9 l ；另外，将低剂量与低能量相结 合，可以直接生长薄的硅膜( 而不是做成厚膜再减薄) 对薄膜器件制造很有吸引 力。当c m o s 电路的线宽到亚微米数量级时，超薄s o i 圆片更加引人注意，因 为极薄且均匀的s o l 层是制备全耗尽s o i 器件的理想材料1 2 0 。 不过低剂量s 订o x 技术制备的s o i 硅片的质量却一直不甚令人满意，其 主要原因是由于注入的氧剂量较低时，只有一个很窄的注入剂量窗口才能保证 退火后形成连续的氧化硅埋层。据研究表明，标准剂量与低剂量样品的退火动 力学过程有很大的区别，注入原生片结构也有很大不同。在标准工艺条件下 ( 1 8 - 2 0 x 1 0 ”c m 。2 ，2 0 0 k e v ) ，注入过程中就可以在硅片体内形成一层连续的氧 7 浙江大学硕士学位论文 化层，在该埋层两边是严重的损伤及无序结构：然而，在低剂量低能量条件下 ( 4 x 1 0 1 7 c q l l 2 ， 1 5 x 1 0 1 7 c r n 2 ) ；2 ) 冷至室 温后，室温下继续注入少剂量氧离子( l x l 0 1 6 c m - 2 ) 使第一步的注入区域非晶 化：3 ) 与i t o x 工艺相似，在1 3 0 0 ( 2 以上氧化气氛下退火。该工艺称为 m l d s i m o x ( m o d i f i e dl o wd o s e - s i m o x ，改进型低剂量工艺) ，m l d - s i m o x 工艺有两大优势：提高内热氧化效果，可以使该方法制各的埋氧层质量与热氧 化氧化层质量相媲美。通过改变氧离子的原生注入量，可以方便的调节埋氧层 的厚度。同时，可以将得到连续埋氧层的最低注入剂量降低至2 o x l 0 1 7c m - 2 以 下，埋氧层厚度范围可在5 0 - 2 5 0n n l 内变换，通过调整退火工艺可以将顶层硅 厚度在5n l n 的精度范围内调整。 p i l l 工艺 等离子体浸没离子注入( p l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o n ，p i l l ) ，又称等 离子体源离子注入( p l a s m as o u r c ei o ni m p l a n t a t i o n ，p s i i ) ，利用该技术制成的 s o i 硅片称为s p i m o x ( s e p a r a t i o n p l a s m a i m p l a n t a t i o n o f o x y g e n ) 3 1 3 8 3 9 1 。该 技术将待注入硅片放入由电子回旋共振( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c ee c r ) 设备 9 浙江大学硕士学位论文 形成的h 2 0 或0 等离子体中，并在硅片上加脉冲或较高值的负压，硅片衬底附 近的电予在1 0 。9 s ( 电子等离子体频率的倒数) 内被排斥，从而留下密度均匀的 离子阵鞘。鞘中的正离子受负偏置的衬底吸引，于1 0 气( 离子等离子体频率的 倒数) 内加速注入衬底。图2 3 为该工艺的设备示意图。 图2 3p i i i ( p l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o n ) 工艺设备示意图册 该工艺与传统工艺相比有突出优点：1 ) 设备简单，易于运行和维护，无质 量选择及离子束扫描装置；2 ) 具有高密度离子( 1 0 1 0 1 0 1 1 c m 。3 ) 的等离子体， 注入柬流可高达1 0 1 6 c i 】1 1 2 s ，大大降低注入时间，并可实现均匀的大面积注入。 由以上的论述可知，要实现高质量，大批量制备s o i 硅片除了要了解其形 成机理，还要关注各种工艺参数对硅片质量的影响。 2 3 3s i m o x 工艺影响因数 s i m o x 制备的s o i 硅片质量受很多因素影响，主要有注入能量、剂量、高 温退火温度、退火气氛、注入时硅片温度等。这些影响因素分别对所制备的s o i 硅片顶层硅及埋氧层厚度有较大影响，有的则会影响顶层硅的质量，制备材料 所需要的成本，及耗费的时间都与这些工艺参数息息相关。下面将详细介绍这 些工艺参数对s o i 硅片的影响情况。 注入剂量：控制埋氧层的质量及厚度。要想在注入过程中硅中形成连续的 氧化硅埋层其注入剂量必须超过临界剂量，所谓临界剂量是指在注入离子深度 分布的峰值处能够直接形成具有化学剂量比的s i 0 2 所需要的离子注入量。临界 注入剂量与注入能量有关。平衡化学剂量比的s i 0 2 中0 的体积浓度应为 4 2 x 1 0 2 2c n i 3 ，通过m o n t e c a r l o 模拟，注入能量为2 0 0k e v 时临界注入剂量剂 量应为1 4 x 1 0 1 3c 1 2 。提高注入剂量，埋氧层增加同时顶层硅厚度减小。图2 4 1 0 ：嚣 浙江大学硕士学位论文 为注入能量6 5 k e v 时注入剂量与顶层硅及埋氧层厚度对应关系。 o x r t - p 簟- i 图2 46 5k e v 注入能量时注入剂量对顶层硅及埋氧层厚度的影响【4 2 】 大剂量注入的同时会带来，注入时间过长，顶层硅缺陷密度增加等问题。 正如前面提到的，现在技术的主流正是朝低剂量方向发展。s i m o x m l d 中顶 层硅厚度为5 5 0 1 4 5 0 a ，埋氧层厚度约为1 4 5 0 a ，并且保持较高的硅片质量【帅4 1 ， 4 2 】。 注入能量：s i m o x 工艺中氧离子注入能量在5 0 2 0 0k e v 内变化。注入能 量主要控制离子注入的投影射程r p 及分布r ，而r p 决定了埋氧层的位置，a r 则影响氧离子的分布宽度，如图2 5 所示。 注入能量越高，r 越大，顶层硅厚度越大， 同时也会导致a r 越大，氧离子的分布越 宽，所以形成连续埋氧层所需的注入剂量 也就越高。在高能注入( 如2 0 0k e v ) 时由 于氧离子与硅原子剧烈碰撞产生大量缺 陷，同时因为在高能量下氧在硅中的分布 较分散，导致形成连续的s i 0 2 埋层时所需 的注入剂量较高( 1 8 - 2 0 x1 0 1 3 c m 。2 ) ，高剂 量注入也会导致大量的注入原生缺陷。 因此未来将会采用低能量低剂量工艺 ( 1 4 x 1 0 1 7 c n l 五 1 5 0 k e v ) 。低能低剂量注 图2 5 离子注入的氧在硅中的 浓度分布示意图 入一方面可以降低注入缺陷，另一方面可以减少注入时间，降低成本。低能注 入时氧的分布宽度比高能时要窄，能形成较陡峭的s f f s i 0 2 界面。每一特定的注 柏o 喜_量i暑鼍誊| 浙江大学硕士学位论文 入能量都对应着一个临界注入剂量，只有超过该剂量情况下才能形成连续的氧 化硅埋层。当注入剂量低于该剂量时，注入分布为一歪斜高斯分布曲线，分布 曲线上半部分的氧浓度超过下半部分。有研究表明，利用多能量注入方式能够 有效降低缺陷密度 4 3 1 。如利用能量不断降低的注入条件，可以减少缺陷产生的 几率。在此过程中随着注入能量的降低，氧注入深度不断下降，则后续注入产 生的硅自间隙原子向表面扩散时不会被在此之前注入形成的氧沉淀所阻挡，降 低缺陷密度。这是因为之前注入的氧由于能量高，在较深处形成了氧沉淀。反 之，若采用能量不断上升的注入条件，缺陷密度将升高。 在低能量低剂量制备s o i 硅片过程中人们发现，连续的氧化硅埋层的获得 一方面需要通过后续的含氧气氛下退火，使气氛中的氧扩散进入埋氧层，这时 氧化层中的硅在此后续的热处理过程中被氧化：另外选择合适的能量剂量配比 也是一个关键的因素。w a n g ) 【i 柚g 4 4 1 等通过总结前人与自己的实验结果发现： 在固定退火工艺条件下，将能得到完整无硅岛b o x 层所需能量v s 剂量关系都 近似在一条直线带上，如图2 6 所示。当能量v s 剂量关系位于这条直线之外时， 都是通过特殊的退火工艺得到质量良好的埋层，如l z u m i 采用i t o x 工艺， a o g u r a 采用极其缓慢的升温速率( o 0 3 r a i n ) 等。m t a m u r a l 4 5 , 4 6 】等通过实验也 发现在一固定的注入能量条件下，只有在某一小范围的注入剂量内能够形成连 续良好的埋氧层，当剂量偏低时所形成的埋氧层不连续，剂量过高则存在硅岛。 图2 6 低能注入过程中最优能量剂量比曲线湖 退火温度：高温退火是s o i 硅片制备当中关键的一步，其主要作用是：1 ) 消除顶层硅中由于高能离子注入产生的缺陷；2 ) 促进埋氧层位置氧沉淀的形核 长大，并消除顶层硅中的氧沉淀，使其被埋氧层吸收增加埋氧层厚度。退火过 1 2 侣”伸 c量r鬯赠woo 浙江大学硕士学位论文 程要求温度在1 3 0 0 以上才能达到较好效果，而时间一般需要几个小时。对标 准剂量工艺退火过程的理解比较简单，由于其注入过程中就已经在硅中生成一 层连续的氧化层，所以其退火过程主要是o s w a l d 熟化过程。但对于低剂量工艺 而言，相对复杂。低剂量下注入原生片中由于投影射程附近的氧浓度达不到标 准化学剂量比s i 0 2 所需的氧浓度，因此，原注入片中不会形成连续的s i q 埋层。 在高温退火下，注入的氧分别在投影射程r p 附近和损伤区域d v 附近形成氧沉 淀。因为在r p 附近氧浓度高，易于同质形核，而在d p 附近注入损伤严重易于 异质形核，在r p 附近的氧沉淀较大而在d p 附近的氧沉淀较小。埋层形成过程 中较低温度下，首先在r p 附近形成平行于s v s i 0 2 界面的长条状的不连续多层 氧沉淀。随着温度升高，d p 附近的氧沉淀较小不稳定从而分解，氧原子通过层 状间隙一方面氧化层间的残余硅，同时促使不连续的条状氧沉淀在水平方向生 长以致连续。如果氧剂量较小，不能在条状氧沉淀水平方向连续前提供充足的 氧原子氧化层间硅，将导致埋层中硅岛的形成1 4 7 船j 。 退火气氛：惰性气氛通常加入少量氧，改善表面质量及埋氧层质量。研究 表明，退火时的保护气氛用a t + 0 5 0 2 比用纯n 2 保护要好。因为在n 2 保护情 况下，退火时往往会在顶层硅与埋氧层界面处的氧沉淀周围形成氮氧化合物， 这种化合物不仅阻止氧沉淀的分解，而且会降低界面质量。另外，在i t o x 以 及m l d 工艺中，退火过程呈现得尤其重要。这些工艺中，退火气氛中含有大 量的氧( 3 0 - - 4 i 0 0 2 ) ，退火时气氛中的氧不仅与表面的硅反应，同时会通过扩 散进入硅片体内在s 潞i 0 2 界面处聚集与硅反应，增加埋氧层质量及厚度。因此， 埋氧层有两部分构成，上半部分为退火气氛中氧扩散进入体内与硅反应生成， 下半部分为注入氧离子与硅原子反应所生成。文献中可知，内热氧化工艺过程 中增加的埋氧层厚度与表面生成的热氧化层厚度比约为1 ：1 0 【4 9 1 。 注入过程硅片温度：影响注入过程缺陷形成，低温容易导致顶层硅的非晶 化。实验表明，注入过程中基片温度对注入样品的结构影响非常大。工业中为 了防止项层硅的非晶化，基片都保持在较高温度状态，一般为6 0 0 。在早期 的离子注入设备中要实现这一条件并不是很容易，需要结合束流及能量的调节 来控制基片温度。当注入温度低于4 5 0 c 时，注入会形成损伤单晶硅非晶硅 埋氧层的多层结构，2 0 0k e v ，注入剂量为3 x 1 0 ”时，若温度为室温则顶层硅将 1 3 浙江大学硕士学位论文 会完全非晶化；4 5 0 - - 5 5 0 3 2 时，在顶部单晶硅与埋氧层间会存在一部分非晶硅网 络但是单晶硅依然占主导成分；5 5 0 c 以上时顶层硅质量比较理想，较少出现非 晶化现象，然而温度继续升高到7 0 0 以上时，据研究表明缺陷密度叉会上升。 关于s i m o x 工艺过程中缺陷产生的机理将在下面作一介绍。 2 3 4s i m o x 工艺缺陷产生机理 高能量大剂量离子注入过程会在s i m o x s o l 硅片中生成大量具有特殊结 构特性的缺陷。离子注入原生片中最主要的缺陷有表面附近的空洞( c a v i t i e s ) 及位错半环( d i s l o c a t i o nh a l fl o o p ，d h l ) ，埋氧层与衬底界面处的堆垛层错 ( s t a c k i n gf a u l t s ) 及氧沉淀( s i l i c o nd i 晒d ep r e c i p i t a t e s ) 。退火后，缺陷类型发 生了改变，主要为线性位错( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n s ) ，位于项层硅中。另外一 种缺陷为硅岛( s ii s l a n d s ) ，一般存在于埋氧层与衬底界面处。如图2 7 所示 位错环 图2 7s 1 m o x 制备的s o l 硅片中缺陷示意图 空洞( c a v i f i e s ) 氧离子注入硅中，将表面附近的硅原子带入体内，并在上表面附近产生大 量空位( v a c a n c i e s ) ，空位的聚集形成空洞。空洞尺寸随深度增加不断减小。研 究表明，空洞并非随机分布，而是沿氧注入方向呈列状分布。关于空洞的形成 机理o w h o l l a n d 提出了以下两种模型1 5 0 1 ： 经典形核过程：过饱和空位聚集以降低自由能，但同时空洞表面处的应力 抑制着这一过程的发生，有研究表明注入离子裰饰在空洞壁上，增加其稳定性。 电场效应：外来离子化杂质导致的电场感应，该电场吸引带正电的空位， 1 4 浙江大学硕士学位论文 以增强空位的聚集程度。 位锗| 层锗( d i s l o c a t i o nfs t a c k i n gf a u l t s ) 位错半环与层错是注入原生片中最主要的两类缺陷。位错半环主要在上表 面附近处产生，伯氏矢量的方向为l 2 ，垂直于位错环所在的平面。由于 空洞的位置也处于上表面附近，因此位错半环的位置与空洞相重叠 5 1 , 5 2 j 。后续 退火中位错半环会转变为位错线，从埋氧层一直连接到