半导体材料第6讲-外延.ppt

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1、半导体材料半导体材料陈易明 e-mail:第第5 5章章 硅外延生长硅外延生长 只有体单晶材料不能满足日益发展的各种半导体器件制作的需要，1959年末开发了薄层单晶材料生长技术外延生长。外延生长就是在一定条件下，在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。由于所生长的单晶层是衬底晶格的延伸，所以所生长的材料层叫做外延层。根据外延层的性质，生长方法和器件制作方式不同，可以把外延分成不同的种类。外延的分类外延的分类1、按外延层的性质分类同质外延：外延层与衬底是同种材料，例如在硅上外延生长硅，在GaAs上外延生长GaAs均属于同质外延。异质外延：衬底材料和外延层是不同种材

2、料，例如在蓝宝石上外延生长硅，在GaAs上外延生长GaAlAs等属于异质外延。2、按器件位置分类正外延：器件制作在外延层上反外延：器件制作在衬底上，外延层只起支撑作用外延的分类外延的分类3、按外延生长方法分类 直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法，如真空淀积、溅射、升华等。但此类方法对设备要求苛刻。薄膜的电阻率、厚度的重复性差，因此一直未能用于硅外延生产中。间接外延是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)。但CVD所生长的薄膜不一定

3、是单晶，因此严格地讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。这种方法设备简单，外延层的各种参数较容易控制，重复性好。目前硅外延生长主要是利用这种方法。外延的分类外延的分类4、按向衬底输运外延材料的原子的方法不同又分为真空外延、气相外延、液相外延等。5、按相变过程，外延又可分为气相外延、液相外延、固相外延。对于硅外延，应用最广泛的是气相外延。硅外延生长技术开始的时候，正是硅高频大功率晶体管制做遇到困难的时刻。从晶体管原理来看，要获得高频大功率，必须做到集电极击穿电压要高，串联电阻要小，即饱和压降要小。前者要求集电极区材料电阻率要高，而后者要求集电区材料电阻率要低，两者互相矛盾。如果采用将集电区

4、材料厚度减薄的方法来减少串联电阻，会使硅片太薄易碎，无法加工。若降低材料的电阻率，则又与第一个要求矛盾，外延技术则成功地解决了这一困难。解决办法：在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率外延层，器件制做在外延层上，这样高电阻率的外延层保证管子有高的击穿电压，而低电阻率的衬底又降低了基片的电阻，降低了饱和压降，从而解决了二者的矛盾。外延工艺解决的问题外延工艺解决的问题 不仅如此，GaAs等一V族、一族以及其他化合物半导体材料的气相外延，液相外延，分子束外延，金属有机化合物气相外延等外延技术也都得到很大的发展，已成为绝大多数微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技术。特别是分子束、金属有机气相外延技术在超

5、薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面成功的应用，为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了基础。外延生长的特点外延生长的特点(1)可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层。(2)可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层，直接形成PN结，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。(3)与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。(4)可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。外延生长的特点外延生长的特点(5)可以生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层。(6

6、)可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长。(7)可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的单晶层等。利用外延片制作半导体器件，特别是化合物半导体器件绝大多数是制作在外延层上，因此外延层的质量直接影响器件的成品率和性能。一般来说外延层应满足下列要求：(1)表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和滑移线等表面缺陷。(2)晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外延来说，位错密度应低于1000个cm2，层错密度应低于10个cm2，同时经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然光亮。(3)外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原料纯度高，系统密封性好，环境清洁，操

7、作严格，避免外来杂质掺入外延层。外延层应满足的要求外延层应满足的要求(4)对于异质外延，外延层与衬底的组分间应突变(要求组分缓变的例外)并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。(5)掺杂浓度控制严格，分布均匀，使得外延层有符合要求而均匀的电阻率。不仅要求一片外延片内，而且要求同一炉内，不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。(6)外延层的厚度应符合要求，均匀性和重复性好。(7)有埋层的衬底上外延生长后，埋层图形畸变很小。(8)外延片直径尽可能大，利于器件批量生产，降低成本。(9)对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。52 52 硅的气相外延生长硅的气相外延生长气相硅外延生长气相硅外延生长

8、是是在高温下使挥发性强的硅源在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层硅衬底上长成外延层。通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但生长速度快，易提纯，使用安全，所以它们是较通用的硅源。早期多使用SiCl4，近来使用SiHCl3和SiH2Cl2逐渐增多。SiH2Cl2在常温下是气体，使用方便并且反应温度低，是近年来逐渐扩大使用的硅源。SiH4也是气体，硅烷外延的特点是反应温度低，无腐蚀性气体，可得到杂质分布陡峭的外延层，缺点：1、要求

9、生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而产生大量的外延缺陷。2、SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末状硅使外延无法进行。衬底要求衬底要求在硅外延中使用的硅衬底是经过切、磨、抛等工艺仔细加工而成的，外延生长前又经过严格的清洗、烘干，但表面上仍残存有损伤、污染物及氧化物等。为了提高外延层的完整性，在外延生长前应在反应室中进行原位化学腐蚀抛光，以获得洁净的硅表面。常用的化学腐蚀剂为干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生长时，由于SF6具有无毒和非选择、低温腐蚀特点，所以可用它做腐蚀抛光剂。为了控制外延层的电特性，通常使用液相或气相掺杂法。作为N型掺杂剂的有PCl3,PH3和AsCl3，

10、而作为P型掺杂剂的有BCl3、BBr3和B2H6等。5-2-25-2-2硅外延生长设备硅外延生长设备硅外延生长设备主要由四部分组成，即氢气净化系统、气体输运及控制系统、加热设备和反应室。根据反应室的结构，硅外延生长系统有水平式和立式两种，前者已很少使用，后者又分为平板式和桶式。立式外延炉，外延生长时基座不断转动，故均匀性好、生产量大。由于SiCl4等硅源的氢还原及SiH4的热分解反应的H为正值，即提高温度有利于硅的淀积，因此反应器需要加热，加热方式主要有高频感应加热和红外辐射加热。通常在石英或不锈钢反应室内放有高纯石墨制的安放硅衬底的基座，为了保证硅外延层质量，石墨基座表面包覆着SiC或沉积多

11、晶硅膜。我国目前最先进的硅外延设备我国目前最先进的硅外延设备中国最大的半导体相关应用研究院之一，有色金属研究总院(GRINM)向International N.V.订购的300 mm 外延设备-Epsilon 3200。Epsilon 3200 主要用途是硅和锗化硅的外延生长。这是销售到中国大陆的首台300 mm 外延设备ASM International N.V.(荷兰)和它的分支机构设计和制造用于生产半导体装置的设备和材料。公司通过他们在美国，欧洲，日本和亚洲的工厂既为硅晶片处理（前工序），也为集成和封装（后工序）提供生产解决方案。Epsilon Series Single-Wafer E

12、psilon Series Single-Wafer Epitaxial Reactors Epitaxial Reactors 硅外延生长基本工艺硅外延生长基本工艺硅单晶硅单晶定向定向切割切割400-500m磨平磨平Si02胶体溶液抛光抛光清洗清洗烘干烘干置于基座置于基座抽高真空抽高真空通高纯通高纯H2加热去除氧加热去除氧化层化层通氢气和硅源通氢气和硅源恒温反应恒温反应断硅源停止反应断硅源停止反应室温取出室温取出参数测试参数测试保持空气中的水气含量不变，而使之降低温度，当水保持空气中的水气含量不变，而使之降低温度，当水气因降温而达饱和时之温度，即气因降温而达饱和时之温度，即 为露点温度。为露

13、点温度。通刻蚀剂原位刻蚀通刻蚀剂原位刻蚀通氢气排出刻蚀剂通氢气排出刻蚀剂硅外延生长的基本原理和影响因素硅外延生长的基本原理和影响因素硅外延生长的基本原理和影响因素硅外延生长的基本原理和影响因素 采用不同的硅源其外延生长原理大致相同，以研究得较充分的siCl4为源的水平系统外延生长为例，生长时要考虑下列影响因素。1SiCl4浓度对生长速率的影响2温度对生长速率的影响3气流速度对生长速率的影响4衬底晶向的影响详见课本107-109 5.3 5.3 硅外延层电阻率的控制硅外延层电阻率的控制不同器件对外延层的电参数要求是不同的。为精确控制器件的电阻率，需要精确控制外延层中的杂质浓度和分布。5-3-l外

14、延层中的杂质及掺杂 1外延层中的杂质 外延层中杂质的来源外延层中杂质的来源外延层中杂质的来源是：外延层中杂质的来源是：（1）主掺杂质：用于控制外延层的电阻率。常用）主掺杂质：用于控制外延层的电阻率。常用磷烷、砷烷和磷烷、砷烷和乙硼烷乙硼烷作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应室，在外延生长过程中进入外延层。室，在外延生长过程中进入外延层。（2）固态外扩散杂质：（）固态外扩散杂质：（a）衬底中掺入的杂质在外延过程中，）衬底中掺入的杂质在外延过程中，通过固态外扩散进入外延层；（通过固态外扩散进入外延层；（b）对于同型外延，衬底中反型）对于同

15、型外延，衬底中反型杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。（3）气相自掺杂：重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入）气相自掺杂：重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入气流中在后又掺入外延层中。气流中在后又掺入外延层中。（4）系统自掺杂：吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂）系统自掺杂：吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂质，解吸后进入气流形成新的掺杂源。质，解吸后进入气流形成新的掺杂源。（5）金属杂质：衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属）金属杂质：衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属杂质在外延过程中进入外延层。杂质在外延过程中进入外延层。外

16、延层中总的载流子浓度N总可表示为 N总=N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统N衬底为由衬底中挥发出来的杂质在外延生长时掺入外延层中的杂质浓度分量。N气为外延层中来自混合气体的杂质浓度分量。N邻片为外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量。N扩散为衬底中杂质经过固相扩散进入外延层中的杂质浓度分量。N基座为来自基座的杂质浓度分量。N系统为来自除上述因素以外整个生长系统引入的杂质浓度分量。式中的正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同类型者取正号，与衬底中杂质反型者取负号。5.3 5.3 硅外延层电阻率的控制硅外延层电阻率的控制式中的正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同类型者取正号，与衬底中杂质反型者取负号。N

17、气、N基座、N系统由于杂质不是来源于衬底片故被称为外掺杂。N系统主要与系统的清洁度有关，N基座主要与基座的纯度有关，而N气主要由掺杂决定，如果清洁处理良好，并采用高纯的基座，则外掺杂主要由人为的掺杂条件来决定。5.3 5.3 硅外延层电阻率的控制硅外延层电阻率的控制N散、N衬底、N邻片的杂质来源于衬底片，所以又通称为自掺杂。尽管外延层中的杂质来源于各方面，但决定外延层电阻率的主要因素还是人为控制的掺杂剂的多少；即N气起主导作用(不掺杂的高阻外延层，如生长很薄，主要由自掺杂决定，如生长很厚应由SiCl4源的纯度决定。)其他杂质分量因变化多端，它们会干扰外延层电阻率的精确控制，所以在外延时应采取各

18、种办法来抑制它们，或减少其影响。要降低衬底杂质外扩散的影响有两个途径：一是降低外延生长的温度；二是选择扩散系数小的杂质作为衬底或埋层的掺杂剂。常用杂质扩散系数大小的顺序：P B As Sb。其中As 和Sb在外延温度1100-1200内的扩散系数是差不多的。抑制自掺杂应尽量减少杂质从衬底或埋层中逸出；清除滞留层中储存的杂质；阻止蒸发的杂质再结合进外延层。实现减少杂质从衬底或埋层中逸出的途径是：（1）降低外延预热和外延生长的温度；（2）选择蒸汽压低的杂质作为衬底或埋层的掺杂剂；（3）衬底背封（这对埋层上的外延效果不大）。如果用某种阻挡层来封闭衬底背面就能抑制背面杂质的蒸发从而减少自掺杂。低温外延

19、尚未大量用于外延生产降低系统自掺杂方法降低系统自掺杂方法降低系统自掺杂的有效方法是对石墨基座进行HCl 高温处理，处理的温度应该高于外延生长温度。所谓高温处理就是用HCl 在高温下把基座上淀积的硅腐蚀掉，在腐蚀后立即在基座上包一层本征硅用来封闭基座。在高温处理时吸附在反应室内壁的杂质也会被解吸，然后被主气流带走。对于以易蒸发的重掺 衬底的外延，在批量生产时更应该在每炉生长前对基座进行高温HCl 处理。主掺杂质主掺杂质是硅外延层中主要的掺杂剂，用于控制外延层的导电类型和电阻率。目前硅外延生产中常用的主掺杂质源是磷烷（PH3）、砷烷（AsH3）和乙硼烷（B2H6）等，它们以气相形式与硅源及H2组成

20、外延的主气流进入外延反应室，在外延生长的同时一道掺入外延层。通过控制主掺杂质源的流量就能控制硅外延层中的掺杂量，即控制外延层的电阻率 2 2外延生长的掺杂外延生长的掺杂 外延用PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3做N型掺杂剂，用BCl3、BBr3、B2H6做P型掺杂剂。以SiCl4为源，用卤化物掺杂剂时，使用两个SiCl4挥发器。一个装含掺杂剂量为SiCl4量的1/104-1/105的SiCl4，另一个装纯SiCl4。掺杂生长时，调节通过两个挥发器的氢气流量和挥发器的温度，就可以灵活地控制外延片的电阻率。2 2外延生长的掺杂外延生长的掺杂 对于AsH3、B2H6这类氢化物掺杂剂，常用纯H

21、2将它们稀释后装入钢瓶中，控制它和通过SiCl4挥发器的H2流量来调整外延层的电阻率。这是目前应用比较广泛的掺杂方法。以SiH4为源，其掺杂剂使用的是AsH3,B2H6。生长高阻P型硅外延层时，常用低阻P型衬底的自掺杂效应来实现掺杂。55 55硅的异质外延硅的异质外延随着大规模、超大规模集成电路的进展，外延技术的应用越来越广泛，除了在硅衬底上进行硅的同质外延之外，还发展了在蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的“SOS”外延生长和在绝缘衬底上进行硅的“SOI”异质外延。5-5-1 SOS技术 SOS是“Silicon on Sapphire”和“Silicon On Spinel”的缩写，也就是在蓝宝石

22、或尖晶石衬底上外延生长硅。蓝宝石(-Al203)和尖晶石(MgOAl203)是良好的绝缘体，以它们为衬底外延生长硅制做集成电路，可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但能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实现双层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。1衬底材料的选择 在选择异质外延衬底材料时，首先要考虑的是外延层与衬底材料之间的相容性。其中晶体结构、熔点、蒸气压、热膨胀系数等对外延层的质量影响很大，其次还必须考虑衬底对外延层的沾污问题。目前，作为硅外延的异质衬底最合适的材料是蓝宝石和尖晶石。另一方面，衬底和外延层的热膨胀系数相近是得到优良异质外延层的重要

23、因素之一。如果相差较大，在温度变化时会在界面附近产生较大的应力，使外延层缺陷增多，甚至翘曲，从而影响材料和器件的性能及热稳定性。从晶格匹配、热匹配、减少自掺杂和电容效应等方面来考虑，尖晶石是比蓝宝石更好的衬底材料。然而，尖晶石上硅外延层的性质强烈地依赖于衬底组分，而其组分又因制备方法和工艺条件不同而异。因此，虽然在尖晶石衬底上可以得到优于蓝宝石衬底上的硅外延层，但由于再现性差，加上蓝宝石的热导率高，制备工艺比较成熟，所以当前工业生产上广泛使用蓝宝石做硅外延衬底。5.25.22SOS2SOS外延生长外延生长 SOS外延生长的设备和基本工艺过程与一般硅同质外延相同。衬底的切磨抛及清洗也大体相同，只

24、是蓝宝石比硅硬，磨、抛时间要长一些。SOS外延生长时，值得注意的是自掺杂效应比较严重，因为在外延生长的条件下，衬底表面将发生如下反应：Al2O3(s)+2HCl(g)+2H2(g)=2AlCL3(g)+3H2O(g)低价铝的氯化物是气态，它使衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷。另外，H2和淀积的硅也会腐蚀衬底，其反应为：2H2(g)+Al2O3(s)=Al2O(g)+2H2O(g)5Si(s)+Al2O3(s)=Al2O(g)+5SiO (g)+2Al(s)在衬底表面尚未被Si完全覆盖(至少外延层长到10-20nm)之前，上述腐蚀反应都在进行。在衬底表面被覆盖之后，这些腐蚀反应还会在衬底背面发生。

25、造成Al、O等沾污。此外，由于衬底表面被腐蚀，会增加外延层中的缺陷，甚至局部长成多晶。因为SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4，所以SOS外延生长，采用SiH4热分解法更为有利。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。双速率生长法是先用高的生长速率(1-2mmin)，迅速将衬底表面覆盖(生长100-200nm)。然后，再以低的生长速率(约0.3 mmin)长到所需求的厚度。两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCl4/H2两个体系的优点。即第一步用SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCl4/H2体系接着生长到所要求的厚度。SoSSoS外延生长缺点外

26、延生长缺点 SoS外延生长由于衬底表面机械损伤以及生长组分和衬底之间的腐蚀作用、晶格失配、价键不当、应变效应等因素，不可避免地在外延层中引入高密度的位错、孪晶、晶粒间界等晶格缺陷。这些缺陷与cu、Fe等重金属杂质作用，在禁带中形成一系列深能级。在外延层中还存在着Al局部析出及其氧化物等晶体缺陷，它们起复合、散射和俘获中心的作用，使载流子浓度、迁移率和少数载流子寿命下降，因此SOS外延层的质量赶不上同质硅外延层，而且外延层越薄，性能越差。尽管如此，SOS材料大体上还是能满足MOS器件的要求。改进方向：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，是

27、SOS技术发展的重要课题。S0IS0I技术发展原因技术发展原因 世界微处理器市场的霸主英特尔公司于2000年3月8日推出1GHz奔腾3微处理器，同年6月28日推出14GHz奔腾4微处理器。同年6月9日AMD公司推出1GHz AMD Athlon处理器。同年IBM公司推出1GHz测试版Power 4处理器(用于APPLE电脑)。它们标志着以微处理器为代表的IC芯片进人了GHz时代 S0IS0I技术发展原因技术发展原因制造1GHz以上的IC芯片有两大途径，一是不断缩小芯片的特征尺寸，按照摩尔定律所指引的方向继续走下去。二是寻找新型材料，以放宽以芯片特征尺寸进一步缩小的要求，如用铜布线替代铝布线，用

28、绝缘硅(SOI，Silicon-on-Insulator)晶圆替代硅晶圆等。缩小芯片的特征尺寸的缺点缩小芯片的特征尺寸的缺点对于第一种途径，缩小芯片特征尺寸可提高IC芯片的速度，但不能改变其损耗机制。当工艺水平逐渐接近物理器件的极限时，众多问题会接踵而来：必须考虑CMOS器件的电容，因为CMOS器件的电容损耗与开关速度成正比，衬底电容不与器件几何尺寸成正比例关系；漏电流增大，；晶体管本身对噪声的承受能力降低，互连器件中产生的噪声增大；晶体管工作时会有更多的电子渗漏到硅晶圆上，直接影响晶体管的工作特性 S0IS0I技术的产生技术的产生半导体业界提出先在硅晶圆上嵌埋一层Si02绝缘层，以此绝缘层作

29、为基板来制造晶体管，这就是SOI技术。SOI的极薄氧化层有效地使电子从一个晶体管门电路渗漏到硅晶圆上。S0I器件与Si器件相比有如下优点：功耗小，在相同的工作速度下，功耗可降低50-65工作速度快，在相同的特征尺寸下，工作速度可提高35；静电电容小，寄生电容小；抗辐射性能好，抗辐射强度是Si器件的50-100倍。SOI技术1998年由IBM公司研制成功，2000年正式用于其POWER PC RS64IV（APPLE POWER4，早期的iMAC电脑上）芯片上55-2 S0I55-2 S0I技术技术 为了提高集成电路的集成度和速度，降低功耗，必须缩小器件的尺寸。但当器件的尺寸缩小到亚微米范围以内

30、时，常规的结构就不适应了，从而导致SOI(Silicon On Insulator或Semiconductor 0n Insulator)结构的发展，也就是把器件制做在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。SOI结构开始是针对亚微米CMOS器件提出来，以取代不适合要求的常规结构以及已经应用的SOS结构(SOS可以看成是SOI的一种形式)，但SOI结构很快也成为实现高速集成电路及三维集成电路的新途径(但不是所有的SOI结构都可以用来做三维集成电路)，是当前半导体材料研究的一个热点问题。SOISOI结构的优点结构的优点SOI结构的优点大致可以归纳为如下几个方面：(1)由于它是介质隔离，寄生电容小，对高速和高

31、集成度的IC电路特别有利。(2)由于介质隔离，降低了噪声，并提高了线路和器件的抗辐射性能。(3)抑制了CMOS电路的“闩锁效应”(1atch-up)问题。(CM0S电路中固有的寄生可控硅结构被触发导通，在电源和地之间形成低阻大电流通路的现象)COMS电路的锁定效应(latch up)：COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。SOl与SOS相比:SOl材料的完整性比SOS好得多，比SOS应用的范围也广泛。CMOS电路中采用SOI结构，可以减少掩蔽次数，也不需要隔

32、离扩散，使线路布局简化，提高集成度。SOS中Si与Al203的热膨胀系数不匹配，硅层内有压缩应力。SOI的功耗和衬底成本都比SOS低得多，SOS没有实现三维器件结构功能。从目前情况来看，有的SOI技术已初步走向实用化，只要能进一步克服工艺和材料质量问题，实用化是没有问题的，某些SOI技术可以用于三维IC的制造。SOISOI结构材料制备的方法结构材料制备的方法 1.熔化横向生长 这种方法的基本工艺是在硅衬底上形成一层Si02膜，然后在膜上淀积多晶或非晶硅，使所淀积的多晶或非晶硅局部熔化，移动熔区则在熔区前的多晶或非晶硅熔化，而熔区后面则进行再结晶。这种方法由于形成熔区的热源不同可分成：激光束熔化

33、再结晶；电子束熔化再结晶；石墨带状加热横向有籽晶再结晶；光照熔融再结晶法等四种。由于其加热方式不同，所以设备和具体工艺有很大的差别，结果也不一样，各自有自己的优缺点。早期这类方法研究得比较活跃。2 2CVDCVD横向生长横向生长 CVD横向生长法是在SiO2上进行侧向铺伸外延生长，简称EIO(Epitaxial Lateral overgrowth)法。它是在选择外延上发展起来的，很受人们重视。这是因为硅外延生长技术比较成熟，处理温度低(1050-1150)，远低于Si熔化温度，不会引起严重的衬底杂质的再分布，并且有希望用于三维IC的制作。本方法的基本过程是，在Si02膜上用光刻技术开出衬底的

34、窗口，在窗口处外延生长硅，抑制在SiO2表面上硅成核。当窗口区长满硅后，再以足够大的横纵向生长速度比进行侧向铺伸外延。2 2CVDCVD横向生长横向生长关键在于如何抑制在SiO2上成核目前利用生长腐蚀工艺来解决这个问题，即每生长一段时间后停止生长，通入HCl气相腐蚀，以除去在Si02上淀积的硅。然后进行第二次生长腐蚀，直到窗口长满，继续重复次生长腐蚀进行侧向生长，最后硅膜连成一片并长到要求的厚度。缺点：所得的SOI结构的硅膜电学性质和器件性质和相同条件下常规外延生长的膜相近。现在还不能完全除去SiO2膜上的多晶核，使ELO膜的质量受到影响，另外横向生长的宽度还不是很宽。3 3氧离子注入隔离法氧

35、离子注入隔离法 SIMOX法(Separation by Implanted Oxygen)。它是利用注入氧离子形成符合化学计量比的SiO2埋层的方法。注入的氧离子量约为1.2-1.81018cm2。埋层深度和注入能量有关，若埋层深度为0.5m，则注入能量约为500keV，若深度为lm，则需要1MeV。氧离子注入时，为了得到突变的SiSiO2界面，通常把注入剂量适当过量，略大于181018cm2。剂量不足时，在上界面处会出现孪晶层。3 3氧离子注入隔离法氧离子注入隔离法 氧离子注入后，必须进行高温退火热处理，使O与Si作用形成Si02并消除晶格的损伤，处理温度为1150-1250，时间为2h。

36、退火前，在硅片表面淀积一层Si02能有助于提高退火效果并能减少表面缺陷。SIMOX法简单易行，能得到良好的单晶层，与常规硅器件工艺完全相容。它可以说是目前SOI技术中最引人注意的，但不足的是它无法做成三维的器件。4 4硅片面键合法硅片面键合法 这种方法是(1)将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起，(2)再把背面用腐蚀等方法减薄获得SOI结构。实施的办法之一是，将两片硅的抛光片一片氧化形成SiO2膜，将另一片贴在其上，在氧气氛中热处理，在氧化热处理过程中通过界面的硅氧键的聚合作用而粘结在一起。这种方法比较简单，但减薄处理比较困难，另外对片子的平整度要求高，否则整个界面很难完全贴合。这种方法目

37、前发展较快。SOI技术已经研究很多年，取得一些结果，各先进工业国都投入不少力量进行研究，一旦获得突破性的进展，其应用前景是十分广阔的。5-5-3 SiGe5-5-3 SiGeSiSi异质生长异质生长 硅是应用最广泛的元素半导体材料，其价格比较低廉，制作器件工艺相当成熟，但它是一种间接带隙材料，带隙宽度是一定的，因此它在光电领域的应用受到一定限制。但随着外延技术和能带工程的发展，人们除了开展SOS、SOI研究外，还开展了在硅衬底上外延生长SiGe和-V族化合物材料及器件制作的研究，取得相当大的进展并形成称为硅基半导体的研究领域。半导体的导带的最低能量状态和价带的最高能量状态不在半导体的导带的最低

38、能量状态和价带的最高能量状态不在 k 空间空间(动量动量)的的同一位置，则该半导体为同一位置，则该半导体为“间接带隙半导体间接带隙半导体”。因为一般半导体发光时要求有电子跃迁；而一般的电子跃迁又要求动量守因为一般半导体发光时要求有电子跃迁；而一般的电子跃迁又要求动量守恒，即电子必须在恒，即电子必须在 k 空间空间(动量动量)的同一位置跳跃，所以间接带隙半导体一般的同一位置跳跃，所以间接带隙半导体一般不能用作发光材料。不能用作发光材料。异质生长的优点异质生长的优点在硅材料上异质生长SiGeSi结构材料，可以灵活地运用能带工程进行能带剪裁制作硅基量子结构器件。与成熟的硅微电子工艺兼容，将硅微电子产

39、业推上一个新台阶，利用SiGeSi制作的异质结双极型晶体管(HBT)已实用化。另一方面利用Si5Ge5Si的短周期超晶格的布里渊区的折叠效应，可获得准直接带隙结构材料。这种材料有望作出高效率的发光和激光器件，为光电子器件的发展开辟了一条新途径。因此，SiGeSi成为近年来的研究的热点。SiGeSiGeSiSi材料的生长方法材料的生长方法SiGeSi材料的生长方法是外延，最主要的外延方法有气体源分子束外延(GSMBE)、固体源分子束外延(SSMBE)和超高真空化学气相淀积(UHVCVD)。(GSMBE和UHV/CVD)方法相近，都是用气体作为生长源，主要差别是外延时生长室的气压不同。UHVCVD

40、生长时气压比较高，而GSMBE生长时气压要低一些。在生长SiGeSi材料方面UHVCVD和GSMBE与SSMBE相比有明显的优势，例如不需要高温蒸发源炉，更换源时不需要破坏生长室的真空，因而可以长期保证生长室的纯净，有利于生长高质量材料，可以在图形衬底上进行选择外延，由于反应气体为烷类，其中含有H，它还可以有效地抑制Ge的偏析 用UHVCVD和GSMBE生长SiGeSi时Ce源一般用GeH4，硅源主要有两种SiH4和Si2H6。研究发现，在Si(100)衬底上，Si2H6比SiH4有更高的反应吸附几率和更低的反应能，有利于实现低温生长并且用Si2H6更易于生长出高质量的SiGE材料。SiGeSiGeSiSi材料的生长工艺材料的生长工艺1)采用硅外延清洗衬底的方法将衬底处理干净，2)用HCl：H2O2：H2O=1：2：7溶液或其他溶液处理，在si的表面上形成一层薄而清洁的SiO2保护层，防止衬底进入预处理室前Si表面的沾污3)把衬底送入预处理室，在300下除气几小时，4)把衬底送入生长室，提高温度到850，脱氧10min，用“反射高能电子衍射”(RHEED)观察脱氧效果5)脱氧后降温度到650，并调整Si2H6和GeH4的比例，通入生长室 生长Si1-xGexSi。