《硅的异质外延》PPT课件.ppt

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1、5-5 5-5 硅的异质外延硅的异质外延HeteroepitaxyHeteroepitaxyv在蓝宝石（在蓝宝石（AIAI2 2O O3 3）、尖晶石、尖晶石(MgO.AI(MgO.AI2 2O O3 3)衬底上外延生长硅衬底上外延生长硅 SOS:Silicon on Sapphire SOS:Silicon on Sapphire Silicon on Spinel Silicon on Spinelv在绝缘衬底上进行硅的在绝缘衬底上进行硅的SOISOI异质外延。异质外延。vSOI:Silicon on InsulatorSOI:Silicon on Insulator Semiconduc

2、tor On insulator Semiconductor On insulatorv其他硅基材料其他硅基材料GeSi/SiGeSi/Si近年来，近年来，以笔记本电脑、蜂窝电话、微型通信以笔记本电脑、蜂窝电话、微型通信设备等为代表的便携式系统发展迅猛。设备等为代表的便携式系统发展迅猛。它们一它们一般都由高度集成的电子器件组成，且多使用干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，不仅要能够实现仅要能够实现高度集成高度集成，而且要满足，而且要满足

3、高速、低高速、低压、低功耗压、低功耗的要求。体硅的要求。体硅CMOS技术在这些方技术在这些方面都明显不能满足要求。面都明显不能满足要求。SOI技术的诞生背景技术的诞生背景vSOI材料可实现完全的介质隔离与有材料可实现完全的介质隔离与有PN结结隔离的体硅相比，具有高速率、低功耗、集成隔离的体硅相比，具有高速率、低功耗、集成度高、耐高温等特点度高、耐高温等特点SOI材料的应用领域v便携式系统v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。v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衬底的选择

4、v需要考虑的因素：需要考虑的因素：1.1.考虑外延层和衬底材料之间的相容性。包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、热膨胀系数括晶体结构，熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。等。2.2.考虑衬底对外延层的沾污问题。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和尖晶石。当前工业生产上广泛使用蓝宝石做衬底。石做衬底。SOS SOS 技术技术v蓝宝石和尖晶石是蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体良好的绝缘体，以它们作，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除集成

5、电路元器件之间的相互作用，不但可以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，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。是大规模、超大规模集成电路的理想材料。SOS外延生长外延生长v衬底表面的反应：衬底表面的反应：ALAL2 2O O3 3+2HCl+H+2HCl+H2 2=2ALCl+3H=2ALCl+3H2 2O O 2H 2H2 2+Al+Al2 2O O3 3=Al=Al2 2O +2HO +2H2 2O O 5Si 5Si2Al2Al2 2O

6、O3 3=AL=AL2 2O O 5SiO +2Al5SiO +2Alv带来的问题：自掺杂效应带来的问题：自掺杂效应(引入引入O O和和Al)Al)衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷，甚至局部长成多衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷，甚至局部长成多晶晶vSiClSiCl4 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，采用外延生长，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腐蚀的矛盾，可采用双速率生长双速率生长和

7、和两步外延两步外延等外延生长方法。等外延生长方法。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体系迅速覆盖体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再

8、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。SOS 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）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，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。但厚度增加，缺陷减小。2 2）成本高，一般作低功耗）成本高，一般作低功耗器件，器件，需要解决的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

9、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接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性SOISOI技术技术vSOISOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧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化硅）上，通过特殊工艺，再附着非常薄的一层硅，在这层硅，在这层SOISOI层之上再制造电子器件。层之上再制造电子器件。v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与传统的半导体生与传统的半导体生产工艺（一般称为产工艺（一般称为bulk CMOSbulk C

10、MOS）相比可使）相比可使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。vSOI的结构特点的结构特点是在有源层和衬底层之间插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。入埋氧层来隔断二者的电连接。vSOI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：硅基器件或电路制作在外延层上，器件和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、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有源层和衬底层之间的隔离通过反偏PN结结完成，而完成，而SOI电路的有源层、

11、衬底、高低压电路的有源层、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。的电气连接被完全消除。SOI技术的挑战技术的挑战v1、SOI材料是材料是SOI技术的基础技术的基础SOI技术发展有赖于技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材材料的不断进步，材料是料是SOI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SOI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 ELTRANvSDB(Silicon Direct Bonding)直接键合与背直接键合与

12、背面腐蚀面腐蚀BE（Back Etching）技术）技术vSIMOX(Separating by Implanting Oxide)氧氧注入隔离注入隔离vSmart Cut智能切割智能切割vELTRAN(Epitaxy Layer Transfer)外延层转外延层转移移1.SDB&BEv将两片硅片通过表面的将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构结构v该技术是利用范德华力，将两片经抛光、氧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，在超净环境中进行化和亲水处理后的硅片，在超净环境中进行高温键合形

13、成高温键合形成S0I结构随后将结构随后将S0I片的一片的一面进行化学腐蚀、电化学腐蚀、化学机械抛面进行化学腐蚀、电化学腐蚀、化学机械抛光等处理进行减薄光等处理进行减薄 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。亦会自然的发生键合。在室温下实现的键合通常不牢固，所以在室温下实现的键合通常不牢固，所以键合后键合后还要进行退火还要进行退火，键合的强度随退火温度的升高，键合的强度随退火温度的升高而增加。而增加。键合后采用机械研磨或化学抛光的方法，键合后采用机械研磨或

14、化学抛光的方法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。将器件层的硅片减薄到预定厚度。vSDB&BE技术技术 优点：优点：硅膜质量高硅膜质量高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适合于大功率器件及适合于大功率器件及MEMS技术技术缺点：缺点：硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍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，成成本本至少是体硅的两倍至少是体硅的两倍SIMOX(Separating by Implanting Oxide)氧注氧注入隔离入隔离: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

15、高温退火过程过程消除注入缺陷而成消除注入缺陷而成.包括注入包括注入O+,N+或或 Co+至单晶硅中合成至单晶硅中合成SiO2,Si3N4 或或CoSi2埋层埋层,目前情况下，目前情况下，SiO2 埋层的合埋层的合成已是在商业上可以实现的成已是在商业上可以实现的SOI技术技术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氧离子注入。典型的注人剂量约为110 17 cm-221018 cm-2,氧离子能量在氧离子能量在50 keV到到 200 keV 之间之间.用以在硅表层下产生一个高浓用以在硅表层下产生一个高浓度的注氧层度的注氧层(2)进行高温退火以消除

16、晶体缺陷并且注入的氧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埋层和原子级的陡直Si/SiO2界面。界面。(3)硅膜外延硅膜外延 如果需要加厚表面硅层如果需要加厚表面硅层 则需要在则需要在硅上外延一定厚度的硅膜硅上外延一定厚度的硅膜SIMOX技术优点：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控制在50400nm的范围。的范围。缺点：缺点：但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要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

17、程，所以制备成本很高，价格非常贵经过高温退火过程，所以制备成本很高，价格非常贵。采用采用SIMOX技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们采用在们采用在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（Epitaxy SIMOX）技术。但是厚外）技术。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此SIMOX技术通常用技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。材料。vSIMOXSIMOX材料：材料：最新趋势是采用最新趋势是采用较小的氧注入剂量较小的

18、氧注入剂量v显著改善顶部硅层的质量显著改善顶部硅层的质量v降低降低SIMOXSIMOX材料的成本材料的成本v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：80080010001000v制备大面积制备大面积(300mm)SIMOX300mm)SIMOX材料困难材料困难智能剥离（SmartCut）技术vSmartCut技术的原理是利用技术的原理是利用H+注入注入Si片片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合合(两个硅片之间至少一片的表面要有两个硅片之间至少一片的表面要有S10，绝缘层绝缘层)经适当的热处理，使注氢

19、片从气泡经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离层完整剥离 形成形成SO I结构，该结构包括三个结构，该结构包括三个工艺步骤；工艺步骤；(1)氢离子注入：氢离子注入：(2)两硅片的键两硅片的键合：合：(3)键合片再经过两步热处理，形成键合片再经过两步热处理，形成S0I片片SmartCut工艺工艺优点v(a)硅层厚度由注入的硅层厚度由注入的H+的范围（能量）精确定的范围（能量）精确定义；义；(b)晶片分裂易于把薄层晶片分裂易于把薄层(1 mm)从一块从一块晶片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循晶片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循环使用。通常包括注入环使用。通常包括注入5 1016 H+

20、cm-2至二氧化至二氧化硅覆盖的晶片中，能量为硅覆盖的晶片中，能量为5 70 keV。v键合之后，进行两步热处理：首先在大约键合之后，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退火，使得硅膜和整块晶片分 开；随后在大约开；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。光，去掉残留损伤，为器件制备提供光滑表面。vSmart-Cut技术是一种智能剥离技术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

21、合在在一起一起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硅膜质量接近体硅。硅膜质量接近体硅。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 ELTRANELTRAN技技术术(Epitaxial Epitaxial 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

22、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，因因此此具具有比其它有比其它SOISOI技术更为优越的性能。技术更为优越的性能。4.ELTRAN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，使使用用者者可可以以根根据据不不同的材料要求，选择不同的制备方法。同的材料要求，选择不同的制备方法。SDBSDB法法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

23、来来随随着着BE BE 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硅层，必须再进行外延，即采用的硅层，必须再进行外延，即采用ESIMOXESIMOX法。法。而

24、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层（硅层（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米到几十微米的硅层和埋氧层。纳米到几十微米的硅层和埋氧层。SOI材料其他制备技术v熔化横向生长熔化横向生长vCVD横向过生长（选择性沉积）横向过生长（选择性沉积）v硅片键合减薄硅片键合减薄v注氧隔离技术注氧隔离技术 熔化横向生长v熔化横向生长其基本工艺是先在硅衬底上形成一熔化横向生长其基本工艺是先在硅衬底上形

25、成一层层SiO2膜膜,作为作为SOI结构中的绝缘层结构中的绝缘层;然后在膜上淀然后在膜上淀积多晶或非晶硅积多晶或非晶硅,再通过激光束熔化、电子束熔化、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发生局部熔融,移动熔区移动熔区,熔区前沿的多晶或非晶硅熔区前沿的多晶或非晶硅不断熔化不断熔化,后沿则发生再结晶。如此后沿则发生再结晶。如此,当熔区从一侧当熔区从一侧扫描到另一侧后扫描到另一侧后,即在即在SiO2上结晶出一层硅膜。这上结晶出一层硅膜。这种工艺存在硅的质量转移及熔硅缩球等缺点种工艺存在硅的质量转移及熔硅缩球

26、等缺点,难以得难以得到厚度小于到厚度小于0.3m的再结晶薄膜的再结晶薄膜,而且易于引入氧、而且易于引入氧、碳等杂质。碳等杂质。硅片键合减薄v硅片键合减薄法的主要工艺过程是硅片键合减薄法的主要工艺过程是:(1)将两将两个硅抛光片个硅抛光片(其中一个表面有热氧化层其中一个表面有热氧化层)贴合贴合,在室温下通过表面分子或原子间的作用力直在室温下通过表面分子或原子间的作用力直接连在一起接连在一起,然后键合的硅片在干氧气氛中热然后键合的硅片在干氧气氛中热处理处理,键合变得很牢固键合变得很牢固;(2)减薄器件有源区硅减薄器件有源区硅层到微米甚至亚微米厚层到微米甚至亚微米厚,这样就得到了所需的这样就得到了所

27、需的SOI材料材料注氧隔离技术v其工艺主要包括：（其工艺主要包括：（1)氧离子注入氧离子注入,在硅表层下产生在硅表层下产生一个高浓度的注氧层一个高浓度的注氧层;(2)高温退火高温退火,注入的氧与硅反注入的氧与硅反应应,在高浓度注氧层附近形成隐埋二氧化硅层在高浓度注氧层附近形成隐埋二氧化硅层,并消并消除离子注入引入的损伤。形成氧化物埋层的临界剂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量大约为1.41018cm-2,典型的注入剂量约为典型的注入剂量约为21018cm-2。注入期间衬底温度过低。注入期间衬底温度过低,顶部硅就顶部硅就会完全非晶化会完全非晶化,退火后变成多晶硅退火后变成多晶硅;若衬底温度太高若衬底温度太高,顶部硅下界面处易形成大量的氧化物沉淀顶部硅下界面处易形成大量的氧化物沉淀,最常用的最常用的温度在温度在600650。硅基半导体vSiGe/Si SiC/Si vGaN/SivMBE UHV-CVD