半导体工艺原理----硅的异质外延技术(2012.3.31)(贵州大学)

硅的异质外延技术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。2SOS技术SOS是“SilicononSapphire”和“SiliconOnSpinel”的缩写，也就是在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅。蓝宝石(α-Al203)和尖晶石(MgO·Al203)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。2、SOS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。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(1-2μm／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0.3μm／min)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。3、SOS外延生长缺点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SOS技术发展的重要课题。9SOS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，近来用SOI代替，可降低成本。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1、S0I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1．4GHz奔腾4微处理器。同年6月9日AMD公司推出1GHzAMDAthlon处理器。同年IBM公司推出1GHz测试版Power4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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，用绝缘硅(SOI，Silicon-on-Insulator)晶圆替代硅晶圆等。2、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：①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；②漏电流增大；③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；④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。3、S0I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：①功耗小，在相同的工作速度下，功耗可降低50％-65％；②工作速度快，在相同的特征尺寸下，工作速度可提高35％；③静电电容小，寄生电容小；④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POWERPCRS64IV（APPLEPOWER4，早期的iMAC电脑上）芯片上。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时，常规的结构就不适应了，从而导致SOI(SiliconOnInsulator或Semiconductor0nInsulator)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。4、SOI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(latchup)：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。16体硅CMOS技术17SOI（Silicon-On-Insulator：绝缘衬底上的硅）技术18低压SOI器件体硅SOI双栅SOI5、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。207、SOI技术的挑战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21SOI材料制备目前最常用的方法：SDB(SiliconDirectBonding)直接键合技术SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔离SmartCut智能切割ELTRAN(EpoxyLayerTransfer)外延层转移22SDB(SiliconDirectBonding)直接键合技术，是采用键合技术形成SOI结构的核心技术之一。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。1、SDB23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，即使在室温下亦回自然的发生键合。亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力.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OH-在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的。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。24键合(Bonded)技术优缺点：（1）硅膜质量高（2）氧厚度和硅膜厚度可以随意调整（3）适合于大功率器件及MEMS技术（4）硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍（5）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252627SIMOX法(SeparationbyImplantedOxygen)。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1.2-1.8×1018／cm2。埋层深度和注入能量有关，若埋层深度为0.5μm，则注入能量约为500keV，若深度为lμm，则需要1MeV。氧离子注入时，为了得到突变的Si—SiO2界面，通常把注入剂量适当过量，略大于1.8×1018／cm2。剂量不足时，在上界面处会出现孪晶层。2、SIMOX（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。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。29O2O23031采用SIMOX技术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。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（EpoxySIMOX）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。32各层性能20世纪90年代今后上层Si的均匀性/埃＜±100＜±25SiO2埋层厚度/um0.3-0.50.05-0.5SiO2埋层的均匀性±3%±1%平均缺陷密度/cm-2105-104103-102样品表面的粒子数注入后/cm-2(粒子大小)＜0.75＜0.016退火后/cm-2(粒子大小)＜0.016＜0.016SIMOX材料现在的水平和今后的需要33SIMOX材料：最新趋势是采用较小的氧注入剂量显