第五章_硅外延生长.ppt

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1、半导体材料 2第五第五章硅章硅外延生长外延生长 5.15.1外延生长概述外延生长概述外延生长外延生长用来用来生长生长薄层单晶材料，即薄层单晶材料，即薄膜薄膜外延生长：外延生长：在一定条件下，在一定条件下，在单晶衬底在单晶衬底上，上，生长生长一层合乎要求的一层合乎要求的单晶单晶层的方法。层的方法。生长的这层生长的这层单晶单晶叫叫外延层外延层。（厚度为几微米）（厚度为几微米）（厚度为几微米）（厚度为几微米）3外延生长分类外延生长分类根据外延层性质根据外延层性质 正外延：正外延：器件制作在外延层上器件制作在外延层上 反外延：反外延：器件制作在衬底上器件制作在衬底上同质外延同质外延：外延层与衬底：外延

2、层与衬底同种材料同种材料如如如如Si/SiSi/Si、GaAs/GaAs GaAs/GaAs、GaP/GaP;GaP/GaP;异质外延异质外延：外延层与衬底：外延层与衬底不同材料不同材料如如如如Si/AlSi/Al2 2OO3 3、GaS/SiGaS/Si、GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs；4根据外延生长方法：根据外延生长方法：直接外延直接外延间接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长上完成外延生长.如真空淀积，如真空淀积，溅射，升

3、华等溅射，升华等是利用是利用化学反应在衬底表面上沉积生长化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，外延层，广义上广义上称为化学气相淀积（称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）CVDCVDCVDCVD生长的薄膜未必是单晶生长的薄膜未必是单晶生长的薄膜未必是单晶生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲，所以严格讲，所以严格讲，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的只有生长的薄膜是单晶的只有生长的薄膜是单晶的只有生长的薄膜是单晶的CVDCVDCVDCVD才是外延生长。才是外延生长。才是外延生长。才是外延生长。CVDCVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好，设备简单，生长参数容易

4、控制，重复性好，设备简单，生长参数容易控制，重复性好，设备简单，生长参数容易控制，重复性好，是是是是目前硅外延生长的主要方法目前硅外延生长的主要方法目前硅外延生长的主要方法目前硅外延生长的主要方法5根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同真空外延、气相外延、液相外延真空外延、气相外延、液相外延 根据相变过程根据相变过程n气相外延、液相外延、固相外延、气相外延、液相外延、固相外延、对于对于硅外延硅外延，应用，应用最广泛的是气相外延最广泛的是气相外延以以SiHSiH2 2ClCl2 2、SiHClSiHCl3 3、SiclSicl4 4或或SiHSiH4 4,为

5、反应气体为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用加热的衬底上，衬底材料一般选用SiSi、SiO2SiO2、Si3N4Si3N4等等 液相外延（液相外延（LPELPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。降低温度析出硅膜。6 75.25.2硅的气相外延硅的气相外延对外延片的质量要求对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。度及其均匀性、位错和层错密度等。按照反应类型按照反应类型可分为可分为氢气还原法氢气还原法和和直接

6、热分解直接热分解法。法。氢还原法氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。外延生长。直接热分解法直接热分解法，利用热分解得到，利用热分解得到Si。521硅外延生长用的原料硅外延生长用的原料8气相外延法生长气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型应式、生长温度及所属反应类型9各种硅源优缺点：各种硅源优缺点：SiHCLSiHCL3 3,SiCL,SiCL4 4 常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易纯制，使用安全。是较通用的硅源纯制，使用安全。是较通用

7、的硅源。SiHSiH2 2CLCL2 2,SiH,SiH4 4 常温气体，常温气体，SiHSiH2 2CLCL2 2使用方便，反应温度低使用方便，反应温度低,应用应用越来越广。越来越广。SiHSiH4 4反应温度低，无腐蚀性气体，但是反应温度低，无腐蚀性气体，但是会因漏气产生外延缺陷会因漏气产生外延缺陷。10四部分组成：四部分组成：氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设备和反应室备和反应室 根据根据反应室的结构反应室的结构，由，由水平式和立式水平式和立式，后者又，后者又分为分为平板式和桶式平板式和桶式加热反应器，加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积提高

8、温度，有利于硅的淀积，加热加热方式方式有有高频感应加热高频感应加热和和红外辐射加热红外辐射加热。5 52 22 2 硅外延生长设备硅外延生长设备115-2-3 外延工艺顺序1.把干净的硅片装入反应室2.吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）3.加热到氢气烘烤温度（1200 ）以除去氧化层（该步骤能去除50-100A的SiO2层）4.a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6)以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质和HCl5.a)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂6.冷却到室温7.吹走氢气并重新充入氮气8.取出硅片12

9、原理：原理：SiClSiCl4 4+2H+2H2 2 Si+4HCl Si+4HCl5-2-4硅外延生长的基本原理和影响因素以以SiCl4为例为例13生长过程生长过程：141.SiClSiCl4 4浓度对生长速率的影响浓度对生长速率的影响随着浓度增加随着浓度增加,生长速率先增大后减小生长速率先增大后减小.152.温度对生长速率的影响温度较低时温度较低时,生长速率随温度升高呈指生长速率随温度升高呈指数规律上升数规律上升较高温度区较高温度区,生长速率随温度变化较平生长速率随温度变化较平缓缓.163.3.气流速度对生长速率的影响气流速度对生长速率的影响生长速率生长速率与总氢气与总氢气流速的平方根成正

10、比流速的平方根成正比4.衬底晶向的影响衬底晶向的影响n生长速率生长速率 175-2-55-2-5硅外延生长动力学过程硅外延生长动力学过程两个模型两个模型:气气-固表面复相化学反应模型固表面复相化学反应模型,气相均质反应模型气相均质反应模型 18边界层：边界层：P P110110在接近基座表面的流体中出现一个流体速在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄层外的度受到干扰而变化的薄层，而在薄层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。附面层，停滞层，滞流层。边界层厚度与流速平方根成反比边界层厚度与流速平方根成反比气

11、气-固表面复相化学反应模型固表面复相化学反应模型19此模型认为硅外延生长包括下列步骤此模型认为硅外延生长包括下列步骤:1.1.反应物气体混合向反应区输运反应物气体混合向反应区输运2.2.反应物穿过反应物穿过边界层边界层向衬底表面迁移向衬底表面迁移3.3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上反应物分子被吸附在高温衬底表面上4.4.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成晶格点阵，实现晶体生长晶格点阵，实现晶体生长5.5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流副产物气体从表面脱附并

12、穿过边界层向主气流中扩散中扩散6.6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被排出系统排出系统20 气相均质反应模型气相均质反应模型 这个模型认为：这个模型认为：外延生长反应不是在固气界面上，而外延生长反应不是在固气界面上，而是在距衬底表面几微米的空间中发生。是在距衬底表面几微米的空间中发生。反应生成的原子或原子团再转移到衬底反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。表面上完成晶体生长。215 53 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不同器件对外延层的电参数要求是不同的，的，这就需要这就需要在外延生长

13、过程中在外延生长过程中，精确精确控制控制外延层中的外延层中的杂质浓度和分布杂质浓度和分布来解决来解决225 53 31 1外延层中的杂质及掺杂外延层中的杂质及掺杂1.1.外延层中的杂质外延层中的杂质 外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N N总总可以表示为：可以表示为：N N总总N N衬底衬底 N N气气 N N邻片邻片 N N扩散扩散 N N基座基座 N N系统系统N N衬底：衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量N N气：气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量外延层中来自混合气体的杂质浓度分量N

14、 N邻片：邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量N N扩散：扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量N N基座：基座：来自基座的杂质浓度分量来自基座的杂质浓度分量N N系统：系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量23N N气，气，N N基座，基座，N N系统，系统，杂质不是来源衬底片杂质不是来源衬底片，因此，因此称为称为外掺杂外掺杂N N扩散，扩散，N N衬底，衬底，N N邻片邻片的的杂质来源于衬底片杂质来源于衬底片，通称，通称为为自掺杂自掺杂2.2.外

15、延生长的掺杂外延生长的掺杂n外延用外延用PCLPCL3 3,A,AS SCICI3 3,SbCI,SbCI3 3，AsHAsH3 3做做N N型掺杂型掺杂剂，用剂，用BCLBCL3 3,BBr,BBr3 3，B B2 2H H6 6做做P P型掺杂剂型掺杂剂245-3-25-3-2外延中杂质的再分布外延中杂质的再分布外延层外延层中中含有和衬底中的杂质不同类型的含有和衬底中的杂质不同类型的杂质，或者是同一种类型的杂质，杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其但是其浓度不同。浓度不同。通常通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是浓度梯度很陡，但是由于由于高

16、温下高温下进行外延进行外延生长，衬底中的生长，衬底中的杂质会进入外延层杂质会进入外延层，使得使得外延层和衬底处的杂质浓度变平外延层和衬底处的杂质浓度变平25注意：外延层的实注意：外延层的实际界面际界面外延层中杂质分布是外延层中杂质分布是两者的总和两者的总和衬底扩散造成的杂质分布衬底扩散造成的杂质分布外部掺入的杂质浓度分布外部掺入的杂质浓度分布265 53 33 3外延层生长中的自掺杂外延层生长中的自掺杂自掺杂效应：自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层抑制自掺杂的途径：抑制自掺杂的途径：一：减少杂质由衬底逸出一：减少杂质由衬底逸出 1.1.使用蒸发速度

17、较小的杂质做衬底和埋层中的杂质使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质 2.2.外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自掺杂掺杂 3.3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯SiO2SiO2或或多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低自掺杂。自掺杂。27二：采用减压生长技术二：采用减压生长技术使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进

18、入外延层一般在一般在1.31.3 10103 32 2 10104 4PaPa的压力下进行。的压力下进行。4.4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。5.5.采用二段外延生长技术采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预定厚度第二段外延层，直到达到预定厚度285 53 34 4外延层的夹层外延层的夹层外延层的夹层外延层的夹层指的是外延层和衬底界面指的是外延层和衬底界面附近出现的

19、附近出现的高阻层或反型层。高阻层或反型层。分为分为两种类型：两种类型：一是一是在检测时导电类型混乱，击穿图在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察形异常，用染色法观察界面不清晰界面不清晰 二是二是导电类型异常，染色观察会导电类型异常，染色观察会看到看到一条清晰的带一条清晰的带29外延层产生的原因外延层产生的原因也有两种：也有两种：第一种夹层情况认为第一种夹层情况认为P P型杂质沾污型杂质沾污，造成，造成N N型外延层被型外延层被高度补偿高度补偿 解决办法：解决办法：P P型杂质主要来源于型杂质主要来源于SiCLSiCL4 4，只要提高，只要提高SiCLSiCL4 4的纯度及做好外延前的

20、清洁处理就可以解决。的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。第二种情况是由于衬底引起的第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于当衬底中硼的含量大于3 3 10101616cmcm3 3时，外延层中就容时，外延层中就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果使得硼扩散到外延层中补偿了使得硼扩散到外延层中补偿了N N型杂质，形成了一个高型杂质，形成了一个高阻层或反型层。阻层或反型层。解决办法：解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入艺中防止引入P P型杂质，降低单晶中型杂质，降低单晶中B B的

21、含量；三是在的含量；三是在外延生长时可以先长一层外延生长时可以先长一层N N型低阻层作为过渡层，控制型低阻层作为过渡层，控制夹层。夹层。305 54 4 硅外延层的缺陷硅外延层的缺陷分类：分类：一：表面缺陷，也叫宏观缺陷一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错如层错，位错315 54 41 1外延片的表面缺陷外延片的表面缺陷云雾状表面云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。看到。一般由于氢气纯度

22、低，含水过多，或气相抛一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。光浓度过大，生长温度太低等引起的。角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。用肉眼可以看到。32雾状表面缺陷雾状表面缺陷雾圈雾圈 白雾白雾 残迹残迹 花雾花雾雾圈雾圈 白雾白雾 残迹残迹 花雾花雾33角锥体角锥体34亮点：外形为乌黑发亮的小圆点亮点：外形为乌黑发亮的小圆点塌边：又叫取向平面，它是外延生长后塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形成一圈在片子边缘部分比中间部分低形成一圈或一部分宽或一部分宽1 12mm2mm左右的斜平

23、面。左右的斜平面。形成原因：衬底加工时造成片边磨损形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。偏离衬底片晶向。35划痕：由机械损伤引起划痕：由机械损伤引起星形线（滑移线）：星形线（滑移线）：36542外延层的内部缺陷层错层错 层错形貌分为层错形貌分为单线，开口，正三角形，套叠三角形单线，开口，正三角形，套叠三角形和其他组态和其他组态位错位错 外延层中的位错主要是由于外延层中的位错主要是由于原衬底位错延伸引入的原衬底位错延伸引入的 另外可能是由于掺杂和异质外延时，由于异类原另外可能是由于掺杂和异质外延时，由于异类原子半径的差异或两种材料晶格参数差异引入内应力。子半径的差异或两种材料晶格参数差

24、异引入内应力。例如在例如在SiSi中掺中掺B,P,B,P,它们的半径比它们的半径比SiSi小，它们占据硅的位小，它们占据硅的位置时，置时，SiSi的点阵会发生收缩；当掺入的点阵会发生收缩；当掺入AL,SbAL,Sb等比等比SiSi半半径大的原子时，径大的原子时，SiSi点阵会发生扩张。也就是产生晶格点阵会发生扩张。也就是产生晶格点阵的失配。点阵的失配。37晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。当弯曲程度超过弹性范围，为缓和内应当弯曲程度超过弹性范围，为缓和内应力就会出现位错，称之为力就会出现位错，称之为失配位错。失配位错。n为了消除应力，采用为了消除应力，采用应力

25、补偿法，应力补偿法，即在外延即在外延或扩散时，或扩散时，同时引入两种杂质，使它们产生同时引入两种杂质，使它们产生的应变正好相反。的应变正好相反。当两种杂质原子掺入的比当两种杂质原子掺入的比例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。这种方法称为这种方法称为“双掺杂技术双掺杂技术”。385-55-5硅的异质外延硅的异质外延在在蓝宝石、尖晶石蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的衬底上进行硅的SOSSOS外延外延生长生长和在和在绝缘衬底上绝缘衬底上进行硅的进行硅的SOISOI异质外延异质外延。SO

26、S:Silicon on Sapphire SOS:Silicon on Sapphire Silicon on Spinel Silicon on Spinel 在单晶绝缘衬底在单晶绝缘衬底蓝宝石（蓝宝石（AIAI2 2O O3 3）或尖晶石）或尖晶石(MgO.AI(MgO.AI2 2O O3 3)上外延生长硅上外延生长硅 SOI:Silicon on InsulatorSOI:Silicon on Insulator Semiconductor On insulatorSemiconductor On insulator395 55 51 SOS 1 SOS 技术技术蓝宝石和尖晶石蓝宝石和

27、尖晶石是良好的绝缘体，以它们是良好的绝缘体，以它们作作为衬底为衬底外延生长硅外延生长硅制作集成电路制作集成电路，可以，可以消除消除集成电路集成电路元器件之间的相互作用，元器件之间的相互作用，不但可以不但可以减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和降低功耗，降低功耗，还可以还可以提高集成度和双层布线，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。是大规模、超大规模集成电路的理想材料。401.衬底的选择选择选择异质外延衬底材料异质外延衬底材料时，时，需要考虑的因素需要考虑的因素：1.1.考虑考虑外延层和衬底材料之间的相容性外延层和衬底材料之间的相容

28、性。包括晶体结构，。包括晶体结构，熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。2.2.考虑考虑衬底对外延层的沾污问题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目前最适合硅外延的异质衬底是蓝宝石和尖晶石蓝宝石和尖晶石。当前工业生产上广泛使用当前工业生产上广泛使用蓝宝石蓝宝石做衬底。做衬底。412.SOS外延生长外延生长存在问题：自掺杂效应存在问题：自掺杂效应 衬底表面的反应：衬底表面的反应：ALAL2 2O O3 3+2HCL+H+2HCL+H2 2=2ALCL=2ALCL+3H+3H2 2O O 铝的低价氯化物为气体，它使衬底被腐蚀，导致外延层产铝的低价氯化物为气体，它使

29、衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷。生缺陷。氢气和淀积的硅也会腐蚀衬底氢气和淀积的硅也会腐蚀衬底 2H 2H2 2+AL+AL2 2O O3 3=AL=AL2 2O+2HO+2H2 2O O 5Si 5Si2AL2AL2 2O O3 3=AL=AL2 2O O5SiO+2AL5SiO+2ALSiCLSiCL4 4对衬底的腐蚀大于对衬底的腐蚀大于SiHSiH4 4,所以所以SOSSOS外延生长，外延生长，采用采用SiHSiH4 4热分解法更有利热分解法更有利。在衬底尚未被在衬底尚未被Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用为了解决生长和

30、腐蚀的矛盾，可采用双速率生长双速率生长和和两步外延两步外延等外延生长方法。等外延生长方法。42双速率生长：双速率生长：先用高的生长速率先用高的生长速率(1(12um/min),2um/min),迅速将衬底表面覆盖迅速将衬底表面覆盖(生长生长100100200nm)200nm)。然后。然后再以低的生长速率再以低的生长速率(约约0.3um/min)0.3um/min)长到所需求的长到所需求的厚度。厚度。两步外延法两步外延法是综合利用是综合利用SiHSiH4 4/H/H2 2和和SiCISiCI4 4/H/H2 2两个两个体系的优点。即第一部用体系的优点。即第一部用SiHSiH4 4/H/H2 2体

31、系迅速覆盖体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用衬底表面，然后第二步再用SiCISiCI4 4/H/H2 2体系接着体系接着生长到所要求的厚度。生长到所要求的厚度。43SOS SOS 技术的缺点及需要解决的问题技术的缺点及需要解决的问题缺点：缺点：1 1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角）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。陷减小。2 2）成本高，一般作低功耗器件，近来用）成本高，一般作低功耗器件，近来用SOISOI代替，可代替，可降低成本。降低成本。需要解决的

32、问题需要解决的问题:提高提高SOSSOS外延层的晶体完整性外延层的晶体完整性,降低自掺杂降低自掺杂,使其性能接近同质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硅外延层的水平并且有良好的热稳定性445-5-2 SOI5-5-2 SOI技术技术SOISOI技术是技术是IBMIBM公司公司首先开发成功的首先开发成功的芯片制造技术芯片制造技术在在19981998年研制成功年研制成功，于于20002000年正式应用于年正式应用于其其PowerPC RS64IVPowerPC RS64IV芯片上的芯片上的半导体制造技术半导体制造技术。SOISOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧化硅绝缘技术是

33、指在半导体的绝缘层（如二氧化硅）上，通过特殊硅）上，通过特殊 工艺，再附着非常薄的一层硅，工艺，再附着非常薄的一层硅，在这层在这层SOISOI层之上再制造电子设备。层之上再制造电子设备。此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快，提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高数字电路的开关 速度。速度。SOISOI与与传统的半导体生传统的半导体生产工艺（一般称为产工艺（一般称为bulk CMOSbulk CMOS）相比）相比可使可使CPUCPU的性的性能提高性能能提高性能25%-35%25%-35%，降低功耗，降低功耗1.7-31.7-3倍倍。SOISOI：Silicon On I

34、nsulator Silicon On Insulator 绝缘体上的硅绝缘体上的硅45体硅CMOS技术46SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅)技术47低压低压SOISOI器件器件体硅体硅SOI双栅双栅SOI48SOISOI的的结构特点结构特点是在是在有源层和衬底层之间插入有源层和衬底层之间插入埋氧层埋氧层来隔断二者的电连接。来隔断二者的电连接。SOISOI和体硅在电路结构上的主要差别在于：和体硅在电路结构上的主要差别在于：硅硅基器件或电路制作在外延层上基器件或电路制作在外延层上，器件和衬底器件和衬底直直接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬接产生电连接，高低压

35、单元之间、有源层和衬底层之间的隔离底层之间的隔离通过反偏通过反偏PNPN结完成结完成，而，而SOISOI电电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝路的有源层、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。缘层完全隔开，各部分的电气连接被完全消除。49为为其其带带来来了了寄寄生生效效应应小小、速速度度快快、功功耗耗低低、集集成成度度高、抗辐射能力强高、抗辐射能力强等诸多优点。等诸多优点。SOISOI的结构特点的结构特点和和相同条件下的相同条件下的体硅电路相比，体硅电路相比，SOI电路的速度可提高电路的速度可提高25-35%，功耗可下降，功耗可下降2/350SOISOI技

36、术的挑战技术的挑战1 1、SOISOI材料是材料是SOISOI技术的基础技术的基础SOISOI技术发展有赖于技术发展有赖于SOISOI材料的不断进步，材料材料的不断进步，材料是是SOISOI技术发展的主要障碍之一技术发展的主要障碍之一这个障碍目前正被逐渐清除这个障碍目前正被逐渐清除SOISOI材料制备材料制备目前最常用的方法：目前最常用的方法：SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN51SDB(Silicon Direct Bonding)SDB(Silicon Direct Bonding)直接键合技术直接键合技术SIMOX(Separating by Implanting Ox

37、ide)SIMOX(Separating by Implanting Oxide)氧氧注入隔离注入隔离Smart CutSmart Cut智能切割智能切割ELTRAN(Epoxy Layer Transfer)ELTRAN(Epoxy Layer Transfer)外延层转移外延层转移52 SDB(Silicon Direct Bonding)直接键合技术直接键合技术，是采用键合技术形成是采用键合技术形成SOI结构的结构的核心技术之一。核心技术之一。1.SDB1.SDB 将两片硅片将两片硅片通过通过表面的表面的SiO2层键合在一起层键合在一起,再把背再把背面用腐蚀等方法减薄来获得面用腐蚀等方法

38、减薄来获得SOI结构结构53 当两个平坦的具有当两个平坦的具有亲水性亲水性表面的硅片（如被氧化表面的硅片（如被氧化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦回自的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。然的发生键合。亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力.通常表现为洁净固体表面能被水所润湿通常表现为洁净固体表面能被水所润湿通常认为，键合是由吸附在两个硅片表面上的通常认为，键合是由吸附在两个硅片表面上的OH-OH-在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的在在室温下室温下实现的实现的键合键合通常通常不牢

39、固不牢固，所以，所以键合键合后还要进行退火后还要进行退火，键合的强度随退火温度的，键合的强度随退火温度的升高而增加。升高而增加。键合后采用机械研磨或化学抛光的方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。法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。54n键合键合(Bonded)技术优缺点：技术优缺点：n硅膜质量高硅膜质量高n埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整n适合于大功率器件及适合于大功率器件及MEMS技术技术n硅硅膜膜减减薄薄一一直直是是制制约约该该技技术术发发展展的的重重要要障碍障碍n键键合合要要用用两两片片体体硅硅片片制制成成一一片片SOI衬衬底底，

40、成本至少是体硅的两倍成本至少是体硅的两倍5556SDB57SIMOX(Separating by Implanting Oxide)氧注入隔氧注入隔离，离，是通过是通过氧离子注入到硅片氧离子注入到硅片，再，再经高温退火经高温退火过程过程消消除注入缺陷而成除注入缺陷而成.2.SIMOX2.SIMOX 58O2O259 采用采用SIMOX技术制备的技术制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在剂量可使厚度控制在50400nm的范围。的范围。但由于需要昂贵的高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，所以制备能大束流离子注入机，还要经过高温

41、退火过程，所以制备成本成本很高，价格非常贵。很高，价格非常贵。采用采用SIMOX技术制备的技术制备的顶层顶层硅膜通常较薄硅膜通常较薄，为此，人们采，为此，人们采用用在在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅，即所谓的，即所谓的ESIMOX（Epoxy SIMOX）技术）技术。但是厚外延将在硅膜中引起较。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此多的缺陷，因此SIMOX技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。材料。6061各层性能各层性能2020世纪世纪9090年代年代今后今后上层上层SiSi的均匀性的均匀性/埃埃10

42、01002525SiOSiO2 2埋层厚度埋层厚度/um/um0.30.50.30.50.050.50.050.5SiOSiO2 2埋层的均匀性埋层的均匀性3%3%1%1%平均缺陷密度平均缺陷密度/cm/cm-2-210105 510104 410103 310102 2样品表面的粒子数样品表面的粒子数注入后注入后/cm/cm-2-2(粒子大小粒子大小)0.750.750.0160.016退火后退火后/cm/cm-2-2(粒子大小粒子大小)0.0160.0160.0160.016SIMOXSIMOX材料现在的水平和今后的需要材料现在的水平和今后的需要62nSIMOXSIMOX材料：材料：n最新

43、趋势是采用最新趋势是采用较小的氧注入剂量较小的氧注入剂量n显著改善顶部硅层的质量显著改善顶部硅层的质量n降低降低SIMOXSIMOX材料的成本材料的成本n低低注注入入剂剂量量(4 4 10101717/cm/cm2 2)的的埋埋氧氧厚厚度度薄薄：80080010001000n退退 火火 温温 度度 高高 于于 13001300，制制 备备 大大 面面 积积(300mm)SIMOX300mm)SIMOX材料困难材料困难63 Smart CutSmart Cut智能切割智能切割兼具有兼具有SDBSDB和和SIMOXSIMOX的特点，的特点，工艺流程包括工艺流程包括热氧化、注氢、热氧化、注氢、低温键

44、合、热处理剥离、精密抛光低温键合、热处理剥离、精密抛光等。这种等。这种方法制得的方法制得的硅片顶部硅膜的均匀性相当好，硅片顶部硅膜的均匀性相当好，单片厚度偏差和片间偏差可控制在单片厚度偏差和片间偏差可控制在10nm10nm以内，以内，另外另外生产成本也可降低生产成本也可降低，因为不需要昂贵的，因为不需要昂贵的专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，所以这是一种极有前途的所以这是一种极有前途的SOISOI制备技术。特制备技术。特别别适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。3.Smart Cut6465nSmart-Cut技术是一种智

45、能剥离技术n将将离离子子注注入入技技术术和和硅硅片片键键合合技技术术结结合合在在一起一起n解解决决了了键键合合SOI中中硅硅膜膜减减薄薄问问题题，可可以以获得均匀性很好的顶层硅膜获得均匀性很好的顶层硅膜n硅膜质量接近体硅。硅膜质量接近体硅。n剥剥离离后后的的硅硅片片可可以以作作为为下下次次键键合合的的衬衬底底，降低成本降低成本66H2H267Smart Cut68Smart Cut69Smart Cut70 ELTRANELTRAN技技术术(Epoxy Epoxy Layer Layer TransferTransfer)外外延延层层转转移移，独独特特之之处处在在于于在在多多孔孔硅硅表表面面上

46、上可可生生长长平平整整的的外外延延层层，并并能能以以合合理理的的速速率率将将多多孔孔硅硅区区域域彻彻底底刻刻蚀蚀掉掉 ，该该技技术术保保留留了了外外延延层层所所具具有有的的原原子子平平整整性性，在在晶晶体体形形成成过过程程中中也也不不产产生生颗颗粒粒堆堆积积或或凹凹坑坑，因因此此具具有有比比其其它它SOISOI技术更为优越的性能。技术更为优越的性能。4.ELTRAN7172ELTRAN73ELTRAN7475以以上上4 4种种制制备备SOISOI材材料料的的方方法法各各有有所所长长，用用户户可可以以根根据据不不同同的的材材料要求，选择不同的制备方法。料要求，选择不同的制备方法。SDBSDB法法

47、通通常常用用于于制制取取厚厚埋埋氧氧层层材材料料，其其硅硅层层的的厚厚度度取取决决于于硅硅片片减减薄薄技技术术的的进进展展。早早期期该该技技术术只只能能制制备备厚厚硅硅层层材材料料，后后来来随随着着BEBE（Back Back EtchEtch）BondingBonding技技术术和和CMPCMP（Chemical Chemical Mechanical Mechanical PolishingPolishing）技技术术的的发发展展，也也可可以以用用于于制制备备极极薄薄的的顶顶层层硅硅（0.1m 0.1m）。）。而而SIMOXSIMOX法法由由于于氧氧注注入入条条件件的的限限制制，只只能能制

48、制取取薄薄硅硅层层（0.10.10.4m0.4m）和和薄薄埋埋氧氧层层（0.10.10.4m0.4m）材材料料。要要获获得得厚厚的的硅硅层层，必须再进行外延，即采用必须再进行外延，即采用ESIMOXESIMOX法。法。而而Smart Smart CutCut法法由由于于采采用用了了键键合合工工艺艺，则则最最适适用用于于制制备备薄薄硅硅层层（0.10.11m1m）和厚埋氧层材料。）和厚埋氧层材料。ELTRANELTRAN法法的的适适用用范范围围最最宽宽，可可根根据据用用户户要要求求，提提供供从从几几十十纳纳米米到几十微米的硅层和埋氧层。到几十微米的硅层和埋氧层。76作业五:什么是同质外延什么是同质外延,异质外延异质外延,直接外延直接外延,间接间接外延外延?什么是自掺杂什么是自掺杂?外掺杂外掺杂?抑制自掺杂的途径有抑制自掺杂的途径有哪些哪些?什么是什么是SOS,SOISOS,SOI技术技术SOISOI材料的生长方法有哪些材料的生长方法有哪些?每种方法是如何每种方法是如何实现的实现的?