5-5硅的异质外延(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5-5,硅的异质外延,Heteroepitaxy,在蓝宝石（,AI,2,O,3,）、尖晶石,(,MgO,.AI,2,O,3,),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：,AL,2,O,3,+2HCl+H,2,=2ALCl,+3H,2,O,2H,2,+Al,2,O,3,=Al,2,O +2H,2,O,5Si,2Al,2,O,3,=AL,2,O,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,SiCl,4,对衬底的腐蚀大于,SiH,4,所以,SOS,外延生长，采用,SiH,4,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,SiH,4,/H,2,和,SiCI,4,/H,2,两个体系的优点。即第一部用,SiH,4,/H,2,体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用,SiCI,4,/H,2,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,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 Etching,）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&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(Separating by Implanting Oxide),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.SIMOX,SIMOX,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,110,17,cm,-2,210,18,cm,-2,氧离子能量在,50,keV,到,200,keV,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,（,Epitaxy,SIMOX,）,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,(4,10,17,/cm,2,),的埋氧厚度薄：,800,1000,制备大面积,(,300mm)SIMOX,材料困难,智能剥离（,SmartCut,）技术,SmartCut,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,SO I,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,SmartCut,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,(1 mm),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 10,16,H,+,cm,-2,至二氧化硅覆盖的晶片中，能量为,5,70,keV,。,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,(,Epitaxial Layer Transfer,),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,BE Bonding,技术和,CMP,（,Chemical Mechanical Polishing,）,技术的发展，,也可以用于制备极薄的顶层硅,（,0.1m,）。,而,SIMOX,法,由于氧注入条件的限制，,只能制取薄硅层（,0.1,0.4m,）,和薄埋氧层（,0.1,0.4m,）,材料,。要获得厚的硅层，必须再进行外延，即采用,ESIMOX,法。,而,Smart Cut,法,由于采用了键合工艺，则,最适用于制备薄硅层（,0.1,1m,）,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,0.3m,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,1.41018,cm-2,典型的注入剂量约为,21018,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