硅的异质外延

1、5-5 硅的异质外延Heteroepitaxy,在蓝宝石（AI2O3） 、尖晶石(MgO. AI2O3)衬底上外延生长硅 SOS :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。 SOI: Silicon on Insulator Semiconductor On insulator 其他硅基材料GeSi/Si,近年来， 以笔记本电脑、蜂窝电话、微型通信 设备等为代表的便携式系统发展迅猛。 它们一般都由高度集成的电子器件组成，且多使用干电池或太阳能电池作为电源。因此对于制造电子器件的材料和性能的要求也越来越高，不仅要能够实现高度

2、集成，而且要满足高速、低压、低功耗的要求。体硅CMOS技术在这些方面都明显不能满足要求。,SOI技术的诞生背景,SOI材料可实现完全的介质隔离与有PN结隔离的体硅相比，具有高速率、低功耗、集成度高、耐高温等特点,SOI材料的应用领域,便携式系统 高温系统 能克服常规的体硅电路高温下出现的功耗剧增，漏电，电磁干扰增加，可靠性下降。并可以讲话系统设计。 航空航天等抗辐射系统 在瞬时辐照下所产生的少数载流子的数目比体Si器件少三个数量级,衬底的选择,需要考虑的因素： 1.考虑外延层和衬底材料之间的相容性。包括晶体结构，熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。 2.考虑衬底对外延层的沾污问题。 目前最适合硅外延的

3、异质衬底是蓝宝石和尖晶石。当前工业生产上广泛使用蓝宝石做衬底。,SOS 技术,蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但可以减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。,SOS外延生长,衬底表面的反应：AL2O3+2HCl+H2=2ALCl+3H2O 2H2+Al2O3=Al2O +2H2O 5Si2Al2O3=AL2O 5SiO +2Al 带来的问题：自掺杂效应(引入O和Al) 衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷，甚至局部长成多晶 SiCl4对衬底的腐蚀大于S

4、iH4,所以SOS外延生长，采用SiH4热分解法更有利。,在衬底尚未被Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行,为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用 双速率生长和两步外延等外延生长方法。,双速率生长：先用高的生长速率(12um/min),迅速将衬底表面覆盖(生长100200nm)。然后再以低的生长速率(约0.3um/min)长到所需求的厚度。,两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。,SOS 技术的缺点及需要解决的问题,缺点：1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为

5、六角晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺陷减小。2）成本高，一般作低功耗器件，,需要解决的问题: 提高SOS外延层的晶体完整性,降低自掺杂,使其性能接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性,SOI技术,SOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧化硅）上，通过特殊工艺，再附着非常薄的一层硅，在这层SOI层之上再制造电子器件。 此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快，提高数字电路的开关 速度。SOI与传统的半导体生产工艺（一般称为bulk CMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。,SOI的结构特点是在有源层和衬底层之间插入埋氧层来隔断二者的

6、电连接。 SOI和体硅在电路结构上的主要差别在于：硅基器件或电路制作在外延层上，器件和衬底直接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离通过反偏PN结完成，而SOI电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电气连接被完全消除。,SOI技术的挑战,1、SOI材料是SOI技术的基础 SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术发展的主要障碍之一 这个障碍目前正被逐渐清除 SOI材料制备,目前最常用的方法： SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN,SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合与背面腐蚀BE（Back Et

7、ching）技术 SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离 Smart Cut智能切割 ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延层转移,1. SDB然后在膜上淀积多晶或非晶硅,再通过激光束熔化、电子束熔化、区域熔融或光照熔融等手段使淀积的多晶或非晶硅发生局部熔融,移动熔区,熔区前沿的多晶或非晶硅不断熔化,后沿则发生再结晶。如此,当熔区从一侧扫描到另一侧后,即在SiO2上结晶出一层硅膜。这种工艺存在硅的质量转移及熔硅缩球等缺点,难以得到厚度小于0.3m的再结晶薄膜,而且易于引入氧、碳等杂质。,硅片键合减薄,硅片键合减薄法的主要工艺过程是:(1)将两个硅抛光片(其中一个表面有热氧化层)贴合,在室温下通过表面分子或原子间的作用力直接连在一起,然后键合的硅片在干氧气氛中热处理,键合变得很牢固;(2)减薄器件有源区硅层到微米甚至亚微米厚,这样就得到了所需的SOI材料,注氧隔离技术,其工艺主要包括：（1)氧离子注入,在硅表层下产生一个高浓度的注氧层;(2)高温退火,注入的氧与硅反应,在高浓度注氧层附近形成隐埋二氧化硅层,并消除离子注入引入的损伤。形成氧化物埋层的临界剂量大约为1.41018cm-2,典型的注入剂量约为