5-5硅的异质外延

5-5硅的异质外延Heteroepitaxy在蓝宝石（α－AI2O3）、尖晶石(MgO.AI2O3)衬底上外延生长硅SOS:SilicononSapphireSilicononSpinel在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。SOI:SilicononInsulatorSemiconductorOninsulator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P—N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↑+3H2O2H2+Al2O3=Al2O↑+2H2O5Si＋2Al2O3=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SiH4,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(1～2um/min),迅速将衬底表面覆盖(生长100～200nm)。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bulkCMOS）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：SDBSIMOXSmart-CutELTRANSDB(SiliconDirectBonding)直接键合与背面腐蚀BE（BackEtching）技术SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔离SmartCut智能切割ELTRAN(EpitaxyLayerTransfer)外延层转移1.SDB&BE将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构该技术是利用范德华力，将两片经抛光、氧化和亲水处理后的硅片，在超净环境中进行高温键合．形成S0I结构．随后将S0I片的一面进行化学腐蚀、电化学腐蚀、化学机械抛光等处理进行减薄当两个平坦的具有亲水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦会自然的发生键合。在室温下实现的键合通常不牢固，所以键合后还要进行退火，键合的强度随退火温度的升高而增加。键合后采用机械研磨或化学抛光的方法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。SDB&BE技术优点：硅膜质量高埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整适合于大功率器件及MEMS技术缺点：硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍键合要用两片体硅片制成一片SOI衬底，成本至少是体硅的两倍SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔离:是通过氧离子注入到硅片，再经高温退火过程消除注入缺陷而成.包括注入O+,N+或Co+至单晶硅中合成SiO2,Si3N4或CoSi2埋层,目前情况下，SiO2埋层的合成已是在商业上可以实现的SOI技术2.SIMOXSIMOX技术主要包括三个工艺步骤：(1)氧离子注入。典型的注人剂量约为1×1017cm-2～2×1018cm-2,氧离子能量在50keV到200keV之间.用以在硅表层下产生一个高浓度的注氧层(2)进行高温退火以消除晶体缺陷并且注入的氧再分布以形成均一、符合化学剂量比的SiO2埋层和原子级的陡直Si/SiO2界面。(3)硅膜外延如果需要加厚表面硅层则需要在硅上外延一定厚度的硅膜•SIMOX技术优点：制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在50～400nm的范围。缺点：但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要经过高温退火过程，所以制备成本很高，价格非常贵。采用SIMOX技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们采用在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅，即所谓的ESIMOX（EpitaxySIMOX）技术。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此SIMOX技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。SIMOX材料：最新趋势是采用较小的氧注入剂量显著改善顶部硅层的质量降低SIMOX材料的成本低注入剂量(~41017/cm2)的埋氧厚度薄：800～1000Å制备大面积(300mm)SIMOX材料困难智能剥离（Smart—Cut）技术Smart—Cut技术的原理是利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合(两个硅片之间至少一片的表面要有S10，绝缘层)经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离形成SOI结构，该结构包括三个工艺步骤；(1)氢离子注入：(2)两硅片的键合：(3)键合片再经过两步热处理，形成S0I片Smart—Cut工艺优点(a)硅层厚度由注入的H+的范围（能量）精确定义；(b)晶片分裂易于把薄层(≈1mm)从一块晶片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循环使用。通常包括注入5×1016H+cm-2至二氧化硅覆盖的晶片中，能量为5～70keV。键合之后，进行两步热处理：首先在大约500℃退火，使得硅膜和整块晶片分开；随后在大约1100℃进行第二次热处理以加强转移层和基片之间的结合强度；然后稍微对表面进行化学机械抛光，去掉残留损伤，为器件制备提供光滑表面。Smart-Cut技术是一种智能剥离技术将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起解决了键合SOI中硅膜减薄问题，可以获得均匀性很好的顶层硅膜硅膜质量接近体硅。剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底，降低成本ELTRAN技术(EpitaxialLayerTransfer)外延层转移，独特之处在于在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速率将多孔硅区域彻底刻蚀掉，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。4.ELTRAN以上4种制备SOI材料的方法各有所长，使用者可以根据不同的材料要求，选择不同的制备方法。SDB法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于硅片减薄技术的进展。早期该技术只能制备厚硅层材料，后来随着BEBonding技术和CMP（ChemicalMechanicalPolishing）技术的发展，也可以用于制备极薄的顶层硅（0.1μm）。而SIMOX法由于氧注入条件的限制，只能制取薄硅层（0.1～0.4μm）和薄埋氧层（0.1～0.4μm）材料。要获得厚的硅层，必须再进行外延，即采用ESIMOX法。而SmartCut法由于采用了键合工艺，则最适用于制备薄硅层（0.1～1μm）和厚埋氧层材料。ELTRAN法的适用范围最宽，可根据用户要求，提供从几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层。SOI材料其他制备技术熔化横向生长CVD横向过生长（选择性沉积）硅片键合减薄注氧隔离技术熔化横向生长熔化横向生长其基本工艺是先在硅衬底上形成一层SiO2膜,作为SOI结构中的绝缘层;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0.3μm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1.4×1018・cm-2,典型的注入剂量约为2×1018・cm-2。注入期间衬底温度过低,顶部硅就会完全非晶化,退火后变成多晶硅;若衬底温度太高,顶部硅下界面处易形成大量的氧化物沉淀,最常用的温度在600～650℃。硅基半导体SiGe/SiSiC/SiGaN/SiMBEUHV-CVD