硅外延生長(zhǎng)課件

半導(dǎo)體材料

1半導(dǎo)體材料1第五章硅外延生長(zhǎng)

5.1外延生長(zhǎng)概述外延生長(zhǎng)用來(lái)生長(zhǎng)薄層單晶材料，即薄膜外延生長(zhǎng)：在一定條件下，在單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。生長(zhǎng)的這層單晶叫外延層。（厚度為幾微米）2第五章硅外延生長(zhǎng)5.1外延生長(zhǎng)概述外延生長(zhǎng)分類根據(jù)外延層性質(zhì)正外延：器件制作在外延層上反外延：器件制作在襯底上同質(zhì)外延：外延層與襯底同種材料如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP;異質(zhì)外延：外延層與襯底不同材料如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；3外延生長(zhǎng)分類根據(jù)外延層性質(zhì)正外延：器件制作在外延層上反外根據(jù)外延生長(zhǎng)方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場(chǎng)等方法使生長(zhǎng)的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長(zhǎng).如真空淀積，濺射，升華等是利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長(zhǎng)外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相淀積（chemicalvapordeposition,CVD）CVD生長(zhǎng)的薄膜未必是單晶，所以嚴(yán)格講只有生長(zhǎng)的薄膜是單晶的CVD才是外延生長(zhǎng)。CVD設(shè)備簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)參數(shù)容易控制，重復(fù)性好，是目前硅外延生長(zhǎng)的主要方法4根據(jù)外延生長(zhǎng)方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液相外延根據(jù)相變過(guò)程氣相外延、液相外延、固相外延、對(duì)于硅外延，應(yīng)用最廣泛的是氣相外延以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等

液相外延（LPE）法的原理是通過(guò)將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。5根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液

665.2硅的氣相外延對(duì)外延片的質(zhì)量要求：電阻率及其均勻性、厚度及其均勻性、位錯(cuò)和層錯(cuò)密度等。按照反應(yīng)類型可分為氫氣還原法和直接熱分解法。氫還原法，利用氫氣還原產(chǎn)生的硅在基片上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。直接熱分解法，利用熱分解得到Si。5－2－1硅外延生長(zhǎng)用的原料75.2硅的氣相外延對(duì)外延片的質(zhì)量要求：電阻率及其均勻性、厚度氣相外延法生長(zhǎng)Si半導(dǎo)體膜所用原料氣體、反應(yīng)式、生長(zhǎng)溫度及所屬反應(yīng)類型8氣相外延法生長(zhǎng)Si半導(dǎo)體膜所用原料氣體、反應(yīng)式、生長(zhǎng)溫度及所各種硅源優(yōu)缺點(diǎn)：SiHCL3,SiCL4

常溫液體，外延生長(zhǎng)溫度高，但是生長(zhǎng)速度快，易純制，使用安全。是較通用的硅源。SiH2CL2,SiH4

常溫氣體，SiH2CL2使用方便，反應(yīng)溫度低,應(yīng)用越來(lái)越廣。SiH4反應(yīng)溫度低，無(wú)腐蝕性氣體，但是會(huì)因漏氣產(chǎn)生外延缺陷。9各種硅源優(yōu)缺點(diǎn)：SiHCL3,SiCL49四部分組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)及凈化系統(tǒng)、加熱設(shè)備和反應(yīng)室根據(jù)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)，由水平式和立式，后者又分為平板式和桶式加熱反應(yīng)器，提高溫度，有利于硅的淀積，加熱方式有高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。

5－2－2硅外延生長(zhǎng)設(shè)備10四部分組成：5－2－2硅外延生長(zhǎng)設(shè)備105-2-3外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應(yīng)室吹入惰性氣體并充入氫氣（LPVCD：抽真空）加熱到氫氣烘烤溫度（1200℃）以除去氧化層（該步驟能去除50-100A的SiO2層）a)加熱到HCl刻蝕溫度；b)引入無(wú)水HCl(或SF6)以刻蝕表面的硅層；c)吹氣以除去系統(tǒng)中的雜質(zhì)和HCla)冷卻到沉積溫度；b)引入硅原料和摻雜劑以沉積所要的薄膜；c)吹入氫氣以去除硅原料和摻雜劑冷卻到室溫吹走氫氣并重新充入氮?dú)馊〕龉杵?15-2-3外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應(yīng)室11原理：SiCl4+2H2

Si+4HCl5-2-4硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素以SiCl4為例12原理：SiCl4+2H2Si+4HCl5-2-4生長(zhǎng)過(guò)程：13生長(zhǎng)過(guò)程：131.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響隨著濃度增加,生長(zhǎng)速率先增大后減小.141.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響隨著濃度增加,生長(zhǎng)速率先2.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升較高溫度區(qū),生長(zhǎng)速率隨溫度變化較平緩.152.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)3.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正比4.襯底晶向的影響生長(zhǎng)速率<100>><110>><111>163.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正5-2-5硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩個(gè)模型:氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型,氣相均質(zhì)反應(yīng)模型175-2-5硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩個(gè)模型:17邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干擾而變化的薄層，而在薄層外的流速不受影響，稱此薄層為邊界層，也叫附面層，停滯層，滯流層。邊界層厚度與流速平方根成反比

氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型18邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干此模型認(rèn)為硅外延生長(zhǎng)包括下列步驟:1.反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運(yùn)2.反應(yīng)物穿過(guò)邊界層向襯底表面遷移3.反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上4.在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生長(zhǎng)晶體的原子和氣體副產(chǎn)物，原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)位置形成晶格點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)5.副產(chǎn)物氣體從表面脫附并穿過(guò)邊界層向主氣流中擴(kuò)散6.氣體副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物，離開(kāi)反應(yīng)區(qū)被排出系統(tǒng)19此模型認(rèn)為硅外延生長(zhǎng)包括下列步驟:19

氣相均質(zhì)反應(yīng)模型

這個(gè)模型認(rèn)為：外延生長(zhǎng)反應(yīng)不是在固－氣界面上，而是在距襯底表面幾微米的空間中發(fā)生。反應(yīng)生成的原子或原子團(tuán)再轉(zhuǎn)移到襯底表面上完成晶體生長(zhǎng)。20氣相均質(zhì)反應(yīng)模型這個(gè)模型認(rèn)為：205－3硅外延層電阻率的控制不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求是不同的，這就需要在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，精確控制外延層中的雜質(zhì)濃度和分布來(lái)解決215－3硅外延層電阻率的控制不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求是不同5－3－1外延層中的雜質(zhì)及摻雜1.外延層中的雜質(zhì)外延層中雜質(zhì)來(lái)源很多，總的載流子濃度N總可以表示為：N總＝N襯底N氣N鄰片N擴(kuò)散N基座N系統(tǒng)N襯底：襯底中揮發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)摻入外延層中的雜質(zhì)濃度分量N氣：外延層中來(lái)自混合氣體的雜質(zhì)濃度分量N鄰片：外延層中來(lái)自相鄰襯底的雜質(zhì)濃度分量N擴(kuò)散：襯底中雜質(zhì)經(jīng)固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層的雜質(zhì)濃度分量N基座：來(lái)自基座的雜質(zhì)濃度分量N系統(tǒng)：除上述因素外整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度分量225－3－1外延層中的雜質(zhì)及摻雜1.外延層中的雜質(zhì)22N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯底片，因此稱為外摻雜N擴(kuò)散，N襯底，N鄰片的雜質(zhì)來(lái)源于襯底片，通稱為自摻雜2.外延生長(zhǎng)的摻雜外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型摻雜劑，用BCL3,BBr3，B2H6做P型摻雜劑23N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯底片，因此稱為外摻雜2.5-3-2外延中雜質(zhì)的再分布外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但是其濃度不同。通常希望外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡，但是由于高溫下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，襯底中的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入外延層，使得外延層和襯底處的雜質(zhì)濃度變平245-3-2外延中雜質(zhì)的再分布外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類注意：外延層的實(shí)際界面外延層中雜質(zhì)分布是兩者的總和襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)分布外部摻入的雜質(zhì)濃度分布25注意：外延層的實(shí)際界面外延層中雜質(zhì)分布是兩者的總和襯底擴(kuò)散造5－3－3外延層生長(zhǎng)中的自摻雜自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層抑制自摻雜的途徑：一：減少雜質(zhì)由襯底逸出

1.使用蒸發(fā)速度較小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)

2.外延生長(zhǎng)前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜質(zhì)耗盡層，再外延時(shí)雜質(zhì)逸出速度減少可降低自摻雜3.采用背面封閉技術(shù)，即將背面預(yù)先生長(zhǎng)高純SiO2或多晶硅封閉后再外延，可抑制背面雜質(zhì)的蒸發(fā)而降低自摻雜。

265－3－3外延層生長(zhǎng)中的自摻雜自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣二：采用減壓生長(zhǎng)技術(shù)使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層一般在1.3103～2104Pa的壓力下進(jìn)行。4.采用低溫外延技術(shù)和不含有鹵原子的硅源。

5.采用二段外延生長(zhǎng)技術(shù)即先生長(zhǎng)一段很短時(shí)間的外延層，然后停止供源，只通氫氣驅(qū)除貯存在停滯層中的雜質(zhì)，再開(kāi)始生長(zhǎng)第二段外延層，直到達(dá)到預(yù)定厚度27二：采用減壓生長(zhǎng)技術(shù)使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層5－3－4外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近出現(xiàn)的高阻層或反型層。分為兩種類型：

一是在檢測(cè)時(shí)導(dǎo)電類型混亂，擊穿圖形異常，用染色法觀察界面不清晰

二是導(dǎo)電類型異常，染色觀察會(huì)看到一條清晰的帶285－3－4外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近外延層產(chǎn)生的原因也有兩種：第一種夾層情況認(rèn)為P型雜質(zhì)沾污，造成N型外延層被高度補(bǔ)償

解決辦法：P型雜質(zhì)主要來(lái)源于SiCL4，只要提高SiCL4的純度及做好外延前的清潔處理就可以解決。

第二種情況是由于襯底引起的當(dāng)襯底中硼的含量大于31016cm－3時(shí)，外延層中就容易出現(xiàn)夾層。這是由于高溫時(shí)硼擴(kuò)散的比銻快，結(jié)果使得硼擴(kuò)散到外延層中補(bǔ)償了N型雜質(zhì)，形成了一個(gè)高阻層或反型層。解決辦法：一是提高重?fù)诫s單晶質(zhì)量；二是在工藝中防止引入P型雜質(zhì)，降低單晶中B的含量；三是在外延生長(zhǎng)時(shí)可以先長(zhǎng)一層N型低阻層作為過(guò)渡層，控制夾層。29外延層產(chǎn)生的原因也有兩種：第一種夾層情況認(rèn)為P型雜質(zhì)沾污，造5－4硅外延層的缺陷分類：

一：表面缺陷，也叫宏觀缺陷如云霧，劃道，亮點(diǎn)，塌邊，角錐，滑移線等

二：內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，也叫微觀缺陷如層錯(cuò)，位錯(cuò)305－4硅外延層的缺陷分類：305－4－1外延片的表面缺陷云霧狀表面外延片表面呈乳白色條紋，在光亮處肉眼可以看到。

一般由于氫氣純度低，含水過(guò)多，或氣相拋光濃度過(guò)大，生長(zhǎng)溫度太低等引起的。角錐體：又稱三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。315－4－1外延片的表面缺陷云霧狀表面31霧狀表面缺陷①霧圈②白霧

③殘跡④花霧①霧圈②白霧③殘跡④花霧32霧狀表面缺陷①霧圈角錐體33角錐體33亮點(diǎn)：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)塌邊：又叫取向平面，它是外延生長(zhǎng)后在片子邊緣部分比中間部分低形成一圈或一部分寬1～2mm左右的斜平面。形成原因：襯底加工時(shí)造成片邊磨損偏離襯底片晶向。34亮點(diǎn)：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)34劃痕：由機(jī)械損傷引起星形線（滑移線）：

35355－4－2外延層的內(nèi)部缺陷層錯(cuò)

層錯(cuò)形貌分為單線，開(kāi)口，正三角形，套疊三角形和其他組態(tài)位錯(cuò)

外延層中的位錯(cuò)主要是由于原襯底位錯(cuò)延伸引入的另外可能是由于摻雜和異質(zhì)外延時(shí)，由于異類原子半徑的差異或兩種材料晶格參數(shù)差異引入內(nèi)應(yīng)力。例如在Si中摻B,P,它們的半徑比Si小，它們占據(jù)硅的位置時(shí)，Si的點(diǎn)陣會(huì)發(fā)生收縮；當(dāng)摻入AL,Sb等比Si半徑大的原子時(shí)，Si點(diǎn)陣會(huì)發(fā)生擴(kuò)張。也就是產(chǎn)生晶格點(diǎn)陣的失配。365－4－2外延層的內(nèi)部缺陷層錯(cuò)36晶格點(diǎn)陣的失配會(huì)使外延片呈現(xiàn)彎曲。當(dāng)彎曲程度超過(guò)彈性范圍，為緩和內(nèi)應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)，稱之為失配位錯(cuò)。為了消除應(yīng)力，采用應(yīng)力補(bǔ)償法，即在外延或擴(kuò)散時(shí)，同時(shí)引入兩種雜質(zhì)，使它們產(chǎn)生的應(yīng)變正好相反。當(dāng)兩種雜質(zhì)原子摻入的比例適當(dāng)時(shí)，可以使應(yīng)力相互得到補(bǔ)償，減少或避免晶格畸變。從而消除失配位錯(cuò)的產(chǎn)生。這種方法稱為“雙摻雜技術(shù)”。37晶格點(diǎn)陣的失配會(huì)使外延片呈現(xiàn)彎曲。當(dāng)彎曲程度超過(guò)彈性范圍，為5-5硅的異質(zhì)外延在藍(lán)寶石、尖晶石襯底上進(jìn)行硅的SOS外延生長(zhǎng)和在絕緣襯底上進(jìn)行硅的SOI異質(zhì)外延。SOS:SilicononSapphireSilicononSpinel

在單晶絕緣襯底藍(lán)寶石（α－AI2O3）或尖晶石(MgO.AI2O3)上外延生長(zhǎng)硅

SOI:SilicononInsulator

SemiconductorOninsulator385-5硅的異質(zhì)外延在藍(lán)寶石、尖晶石襯底上進(jìn)行硅的SOS外延生5－5－1SOS技術(shù)藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們作為襯底外延生長(zhǎng)硅制作集成電路，可以消除集成電路元器件之間的相互作用，不但可以減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)抗輻射能力和降低功耗，還可以提高集成度和雙層布線，是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。395－5－1SOS技術(shù)藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，1.襯底的選擇選擇異質(zhì)外延襯底材料時(shí)，需要考慮的因素：1.考慮外延層和襯底材料之間的相容性。包括晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)，蒸汽壓、熱膨脹系數(shù)等。2.考慮襯底對(duì)外延層的沾污問(wèn)題。目前最適合硅外延的異質(zhì)襯底是藍(lán)寶石和尖晶石。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用藍(lán)寶石做襯底。401.襯底的選擇選擇異質(zhì)外延襯底材料時(shí)，需要考慮的因素：402.SOS外延生長(zhǎng)存在問(wèn)題：自摻雜效應(yīng)襯底表面的反應(yīng)：AL2O3+2HCL+H2=2ALCL↑+3H2O

鋁的低價(jià)氯化物為氣體，它使襯底被腐蝕，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生缺陷。氫氣和淀積的硅也會(huì)腐蝕襯底2H2+AL2O3=AL2O+2H2O5Si＋2AL2O3=AL2O＋5SiO+2ALSiCL4對(duì)襯底的腐蝕大于SiH4,所以SOS外延生長(zhǎng)，采用SiH4熱分解法更有利。在襯底尚未被Si完全覆蓋之前，上述腐蝕反應(yīng)都在進(jìn)行為了解決生長(zhǎng)和腐蝕的矛盾，可采用雙速率生長(zhǎng)和兩步外延等外延生長(zhǎng)方法。412.SOS外延生長(zhǎng)存在問(wèn)題：自摻雜效應(yīng)在襯底尚未被Si完全覆雙速率生長(zhǎng)：先用高的生長(zhǎng)速率(1～2um/min),迅速將襯底表面覆蓋(生長(zhǎng)100～200nm)。然后再以低的生長(zhǎng)速率(約0.3um/min)長(zhǎng)到所需求的厚度。

兩步外延法是綜合利用SiH4/H2和SiCI4/H2兩個(gè)體系的優(yōu)點(diǎn)。即第一部用SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面，然后第二步再用SiCI4/H2體系接著生長(zhǎng)到所要求的厚度。42雙速率生長(zhǎng)：先用高的生長(zhǎng)速率(1～2um/min),迅速將襯SOS技術(shù)的缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題缺點(diǎn)：1）由于晶格失配（尖晶石為立方結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石為六角晶系）問(wèn)題和自摻雜效應(yīng)，外延質(zhì)量缺陷多，但厚度增加，缺陷減小。2）成本高，一般作低功耗器件，近來(lái)用SOI代替，可降低成本。需要解決的問(wèn)題:提高SOS外延層的晶體完整性,降低自摻雜,使其性能接近同質(zhì)硅外延層的水平并且有良好的熱穩(wěn)定性43SOS技術(shù)的缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題缺點(diǎn)：1）由于晶格失配（尖5-5-2SOI技術(shù)SOI技術(shù)是IBM公司首先開(kāi)發(fā)成功的芯片制造技術(shù)在1998年研制成功，于2000年正式應(yīng)用于其PowerPCRS64IV芯片上的半導(dǎo)體制造技術(shù)。SOI硅絕緣技術(shù)是指在半導(dǎo)體的絕緣層（如二氧化硅）上，通過(guò)特殊工藝，再附著非常薄的一層硅，在這層SOI層之上再制造電子設(shè)備。

此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提高數(shù)字電路的開(kāi)關(guān)速度。SOI與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝（一般稱為bulkCMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。SOI：SiliconOnInsulator絕緣體上的硅445-5-2SOI技術(shù)SOI技術(shù)是IBM公司首先開(kāi)發(fā)成體硅CMOS技術(shù)45體硅CMOS技術(shù)45SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯底上的硅)技術(shù)46SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI47低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI47SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來(lái)隔斷二者的電連接。

SOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電連接，高低壓?jiǎn)卧g、有源層和襯底層之間的隔離通過(guò)反偏PN結(jié)完成，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓?jiǎn)卧g都通過(guò)絕緣層完全隔開(kāi)，各部分的電氣連接被完全消除。

48SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來(lái)隔斷二者的為其帶來(lái)了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相同條件下的體硅電路相比，SOI電路的速度可提高25-35%，功耗可下降2/349為其帶來(lái)了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術(shù)的基礎(chǔ)SOI技術(shù)發(fā)展有賴于SOI材料的不斷進(jìn)步，材料是SOI技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一這個(gè)障礙目前正被逐漸清除SOI材料制備目前最常用的方法：

SDBSIMOXSmart-CutELTRAN50SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術(shù)的基礎(chǔ)目前最常用的SDB(SiliconDirectBonding)直接鍵合技術(shù)SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔離SmartCut智能切割ELTRAN(EpoxyLayerTransfer)外延層轉(zhuǎn)移51SDB(SiliconDirectBonding)直接

SDB(SiliconDirectBonding)直接鍵合技術(shù)，是采用鍵合技術(shù)形成SOI結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。1.SDB將兩片硅片通過(guò)表面的SiO2層鍵合在一起,再把背面用腐蝕等方法減薄來(lái)獲得SOI結(jié)構(gòu)52SDB(SiliconDirectBonding)當(dāng)兩個(gè)平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相對(duì)放置在一起時(shí)，即使在室溫下亦回自然的發(fā)生鍵合。親水性是指材料表面與水分子之間有較強(qiáng)的親和力.通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤(rùn)濕通常認(rèn)為，鍵合是由吸附在兩個(gè)硅片表面上的OH-在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在室溫下實(shí)現(xiàn)的鍵合通常不牢固，所以鍵合后還要進(jìn)行退火，鍵合的強(qiáng)度隨退火溫度的升高而增加。鍵合后采用機(jī)械研磨或化學(xué)拋光的方法，將器件層的硅片減薄到預(yù)定厚度。53當(dāng)兩個(gè)平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相對(duì)放鍵合(Bonded)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：硅膜質(zhì)量高埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調(diào)整適合于大功率器件及MEMS技術(shù)硅膜減薄一直是制約該技術(shù)發(fā)展的重要障礙鍵合要用兩片體硅片制成一片SOI襯底，成本至少是體硅的兩倍54鍵合(Bonded)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：545555SDB56SDB56SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔離，是通過(guò)氧離子注入到硅片，再經(jīng)高溫退火過(guò)程消除注入缺陷而成.2.SIMOX

57SIMOX(SeparatingbyImplantinO2O258O2O258采用SIMOX技術(shù)制備的硅膜均勻性較好，調(diào)整氧離子注入劑量可使厚度控制在50～400nm的范圍。但由于需要昂貴的高能大束流離子注入機(jī)，還要經(jīng)過(guò)高溫退火過(guò)程，所以制備成本很高，價(jià)格非常貴。

采用SIMOX技術(shù)制備的頂層硅膜通常較薄，為此，人們采用在SIMOX基片上外延的方法來(lái)獲得較厚的頂層硅，即所謂的ESIMOX（EpoxySIMOX）技術(shù)。但是厚外延將在硅膜中引起較多的缺陷，因此SIMOX技術(shù)通常用于制備薄硅膜、薄埋氧層的SOI材料。

59采用SIMOX技術(shù)制備的硅膜均勻性較好，調(diào)整氧離子注6060各層性能20世紀(jì)90年代今后上層Si的均勻性/埃＜±100

＜±25SiO2埋層厚度/um0.3~0.50.05~0.5SiO2埋層的均勻性±3%±1%平均缺陷密度/cm-2105~104103~102樣品表面的粒子數(shù)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材料現(xiàn)在的水平和今后的需要61各層性能20世紀(jì)90年代今后上層Si的均勻性/埃＜±100SIMOX材料：最新趨勢(shì)是采用較小的氧注入劑量顯著改善頂部硅層的質(zhì)量降低SIMOX材料的成本低注入劑量(~41017/cm2)的埋氧厚度?。?00～1000?退火溫度高于1300℃，制備大面積(300mm)SIMOX材料困難62SIMOX材料：62

SmartCut智能切割兼具有SDB和SIMOX的特點(diǎn)，工藝流程包括熱氧化、注氫、低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光等。這種方法制得的硅片頂部硅膜的均勻性相當(dāng)好，單片厚度偏差和片間偏差可控制在10nm以內(nèi)，另外生產(chǎn)成本也可降低，因?yàn)椴恍枰嘿F的專用大束流離子注入機(jī)和長(zhǎng)時(shí)間的高溫退火，所以這是一種極有前途的SOI制備技術(shù)。特別適用于制備薄硅膜、厚埋氧層材料。

3.SmartCut63SmartCut智能切割兼具有SDB和SIM6464Smart-Cut技術(shù)是一種智能剝離技術(shù)將離子注入技術(shù)和硅片鍵合技術(shù)結(jié)合在一起解決了鍵合SOI中硅膜減薄問(wèn)題，可以獲得均勻性很好的頂層硅膜硅膜質(zhì)量接近體硅。剝離后的硅片可以作為下次鍵合的襯底，降低成本65Smart-Cut技術(shù)是一種智能剝離技術(shù)65H2H266H2H266SmartCut67SmartCut67SmartCut68SmartCut68SmartCut69SmartCut69

ELTRAN技術(shù)(EpoxyLayerTransfer)外延層轉(zhuǎn)移，獨(dú)特之處在于在多孔硅表面上可生長(zhǎng)平整的外延層，并能以合理的速率將多孔硅區(qū)域徹底刻蝕掉，該技術(shù)保留了外延層所具有的原子平整性，在晶體形成過(guò)程中也不產(chǎn)生顆粒堆積或凹坑，因此具有比其它SOI技術(shù)更為優(yōu)越的性能。

4.ELTRAN70ELTRAN技術(shù)(EpoxyLayerTrans7171ELTRAN72ELTRAN72ELTRAN73ELTRAN737474以上4種制備SOI材料的方法各有所長(zhǎng)，用戶可以根據(jù)不同的材料要求，選擇不同的制備方法。SDB法通常用于制取厚埋氧層材料，其硅層的厚度取決于硅片減薄技術(shù)的進(jìn)展。早期該技術(shù)只能制備厚硅層材料，后來(lái)隨著B(niǎo)E（BackEtch）Bonding技術(shù)和CMP（ChemicalMechanicalPolishing）技術(shù)的發(fā)展，也可以用于制備極薄的頂層硅（0.1μm）。而SIMOX法由于氧注入條件的限制，只能制取薄硅層（0.1～0.4μm）和薄埋氧層（0.1～0.4μm）材料。要獲得厚的硅層，必須再進(jìn)行外延，即采用ESIMOX法。而SmartCut法由于采用了鍵合工藝，則最適用于制備薄硅層（0.1～1μm）和厚埋氧層材料。ELTRAN法的適用范圍最寬，可根據(jù)用戶要求，提供從幾十納米到幾十微米的硅層和埋氧層。75以上4種制備SOI材料的方法各有所長(zhǎng)，用戶可以根據(jù)不同的材料作業(yè)五:什么是同質(zhì)外延,異質(zhì)外延,直接外延,間接外延?什么是自摻雜?外摻雜?抑制自摻雜的途徑有哪些?什么是SOS,SOI技術(shù)SOI材料的生長(zhǎng)方法有哪些?每種方法是如何實(shí)現(xiàn)的?76作業(yè)五:什么是同質(zhì)外延,異質(zhì)外延,直接外延,間接外延?76半導(dǎo)體材料

77半導(dǎo)體材料1第五章硅外延生長(zhǎng)

5.1外延生長(zhǎng)概述外延生長(zhǎng)用來(lái)生長(zhǎng)薄層單晶材料，即薄膜外延生長(zhǎng)：在一定條件下，在單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。生長(zhǎng)的這層單晶叫外延層。（厚度為幾微米）78第五章硅外延生長(zhǎng)5.1外延生長(zhǎng)概述外延生長(zhǎng)分類根據(jù)外延層性質(zhì)正外延：器件制作在外延層上反外延：器件制作在襯底上同質(zhì)外延：外延層與襯底同種材料如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP;異質(zhì)外延：外延層與襯底不同材料如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；79外延生長(zhǎng)分類根據(jù)外延層性質(zhì)正外延：器件制作在外延層上反外根據(jù)外延生長(zhǎng)方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場(chǎng)等方法使生長(zhǎng)的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長(zhǎng).如真空淀積，濺射，升華等是利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長(zhǎng)外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相淀積（chemicalvapordeposition,CVD）CVD生長(zhǎng)的薄膜未必是單晶，所以嚴(yán)格講只有生長(zhǎng)的薄膜是單晶的CVD才是外延生長(zhǎng)。CVD設(shè)備簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)參數(shù)容易控制，重復(fù)性好，是目前硅外延生長(zhǎng)的主要方法80根據(jù)外延生長(zhǎng)方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液相外延根據(jù)相變過(guò)程氣相外延、液相外延、固相外延、對(duì)于硅外延，應(yīng)用最廣泛的是氣相外延以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等

液相外延（LPE）法的原理是通過(guò)將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。81根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液

8265.2硅的氣相外延對(duì)外延片的質(zhì)量要求：電阻率及其均勻性、厚度及其均勻性、位錯(cuò)和層錯(cuò)密度等。按照反應(yīng)類型可分為氫氣還原法和直接熱分解法。氫還原法，利用氫氣還原產(chǎn)生的硅在基片上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。直接熱分解法，利用熱分解得到Si。5－2－1硅外延生長(zhǎng)用的原料835.2硅的氣相外延對(duì)外延片的質(zhì)量要求：電阻率及其均勻性、厚度氣相外延法生長(zhǎng)Si半導(dǎo)體膜所用原料氣體、反應(yīng)式、生長(zhǎng)溫度及所屬反應(yīng)類型84氣相外延法生長(zhǎng)Si半導(dǎo)體膜所用原料氣體、反應(yīng)式、生長(zhǎng)溫度及所各種硅源優(yōu)缺點(diǎn)：SiHCL3,SiCL4

常溫液體，外延生長(zhǎng)溫度高，但是生長(zhǎng)速度快，易純制，使用安全。是較通用的硅源。SiH2CL2,SiH4

常溫氣體，SiH2CL2使用方便，反應(yīng)溫度低,應(yīng)用越來(lái)越廣。SiH4反應(yīng)溫度低，無(wú)腐蝕性氣體，但是會(huì)因漏氣產(chǎn)生外延缺陷。85各種硅源優(yōu)缺點(diǎn)：SiHCL3,SiCL49四部分組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)及凈化系統(tǒng)、加熱設(shè)備和反應(yīng)室根據(jù)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)，由水平式和立式，后者又分為平板式和桶式加熱反應(yīng)器，提高溫度，有利于硅的淀積，加熱方式有高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。

5－2－2硅外延生長(zhǎng)設(shè)備86四部分組成：5－2－2硅外延生長(zhǎng)設(shè)備105-2-3外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應(yīng)室吹入惰性氣體并充入氫氣（LPVCD：抽真空）加熱到氫氣烘烤溫度（1200℃）以除去氧化層（該步驟能去除50-100A的SiO2層）a)加熱到HCl刻蝕溫度；b)引入無(wú)水HCl(或SF6)以刻蝕表面的硅層；c)吹氣以除去系統(tǒng)中的雜質(zhì)和HCla)冷卻到沉積溫度；b)引入硅原料和摻雜劑以沉積所要的薄膜；c)吹入氫氣以去除硅原料和摻雜劑冷卻到室溫吹走氫氣并重新充入氮?dú)馊〕龉杵?75-2-3外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應(yīng)室11原理：SiCl4+2H2

Si+4HCl5-2-4硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素以SiCl4為例88原理：SiCl4+2H2Si+4HCl5-2-4生長(zhǎng)過(guò)程：89生長(zhǎng)過(guò)程：131.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響隨著濃度增加,生長(zhǎng)速率先增大后減小.901.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響隨著濃度增加,生長(zhǎng)速率先2.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升較高溫度區(qū),生長(zhǎng)速率隨溫度變化較平緩.912.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)3.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正比4.襯底晶向的影響生長(zhǎng)速率<100>><110>><111>923.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正5-2-5硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩個(gè)模型:氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型,氣相均質(zhì)反應(yīng)模型935-2-5硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩個(gè)模型:17邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干擾而變化的薄層，而在薄層外的流速不受影響，稱此薄層為邊界層，也叫附面層，停滯層，滯流層。邊界層厚度與流速平方根成反比

氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型94邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干此模型認(rèn)為硅外延生長(zhǎng)包括下列步驟:1.反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運(yùn)2.反應(yīng)物穿過(guò)邊界層向襯底表面遷移3.反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上4.在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生長(zhǎng)晶體的原子和氣體副產(chǎn)物，原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)位置形成晶格點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)5.副產(chǎn)物氣體從表面脫附并穿過(guò)邊界層向主氣流中擴(kuò)散6.氣體副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物，離開(kāi)反應(yīng)區(qū)被排出系統(tǒng)95此模型認(rèn)為硅外延生長(zhǎng)包括下列步驟:19

氣相均質(zhì)反應(yīng)模型

這個(gè)模型認(rèn)為：外延生長(zhǎng)反應(yīng)不是在固－氣界面上，而是在距襯底表面幾微米的空間中發(fā)生。反應(yīng)生成的原子或原子團(tuán)再轉(zhuǎn)移到襯底表面上完成晶體生長(zhǎng)。96氣相均質(zhì)反應(yīng)模型這個(gè)模型認(rèn)為：205－3硅外延層電阻率的控制不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求是不同的，這就需要在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，精確控制外延層中的雜質(zhì)濃度和分布來(lái)解決975－3硅外延層電阻率的控制不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求是不同5－3－1外延層中的雜質(zhì)及摻雜1.外延層中的雜質(zhì)外延層中雜質(zhì)來(lái)源很多，總的載流子濃度N總可以表示為：N總＝N襯底N氣N鄰片N擴(kuò)散N基座N系統(tǒng)N襯底：襯底中揮發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)摻入外延層中的雜質(zhì)濃度分量N氣：外延層中來(lái)自混合氣體的雜質(zhì)濃度分量N鄰片：外延層中來(lái)自相鄰襯底的雜質(zhì)濃度分量N擴(kuò)散：襯底中雜質(zhì)經(jīng)固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層的雜質(zhì)濃度分量N基座：來(lái)自基座的雜質(zhì)濃度分量N系統(tǒng)：除上述因素外整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度分量985－3－1外延層中的雜質(zhì)及摻雜1.外延層中的雜質(zhì)22N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯底片，因此稱為外摻雜N擴(kuò)散，N襯底，N鄰片的雜質(zhì)來(lái)源于襯底片，通稱為自摻雜2.外延生長(zhǎng)的摻雜外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型摻雜劑，用BCL3,BBr3，B2H6做P型摻雜劑99N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯底片，因此稱為外摻雜2.5-3-2外延中雜質(zhì)的再分布外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但是其濃度不同。通常希望外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡，但是由于高溫下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，襯底中的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入外延層，使得外延層和襯底處的雜質(zhì)濃度變平1005-3-2外延中雜質(zhì)的再分布外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類注意：外延層的實(shí)際界面外延層中雜質(zhì)分布是兩者的總和襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)分布外部摻入的雜質(zhì)濃度分布101注意：外延層的實(shí)際界面外延層中雜質(zhì)分布是兩者的總和襯底擴(kuò)散造5－3－3外延層生長(zhǎng)中的自摻雜自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層抑制自摻雜的途徑：一：減少雜質(zhì)由襯底逸出

1.使用蒸發(fā)速度較小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)

2.外延生長(zhǎng)前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜質(zhì)耗盡層，再外延時(shí)雜質(zhì)逸出速度減少可降低自摻雜3.采用背面封閉技術(shù)，即將背面預(yù)先生長(zhǎng)高純SiO2或多晶硅封閉后再外延，可抑制背面雜質(zhì)的蒸發(fā)而降低自摻雜。

1025－3－3外延層生長(zhǎng)中的自摻雜自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣二：采用減壓生長(zhǎng)技術(shù)使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層一般在1.3103～2104Pa的壓力下進(jìn)行。4.采用低溫外延技術(shù)和不含有鹵原子的硅源。

5.采用二段外延生長(zhǎng)技術(shù)即先生長(zhǎng)一段很短時(shí)間的外延層，然后停止供源，只通氫氣驅(qū)除貯存在停滯層中的雜質(zhì)，再開(kāi)始生長(zhǎng)第二段外延層，直到達(dá)到預(yù)定厚度103二：采用減壓生長(zhǎng)技術(shù)使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層5－3－4外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近出現(xiàn)的高阻層或反型層。分為兩種類型：

一是在檢測(cè)時(shí)導(dǎo)電類型混亂，擊穿圖形異常，用染色法觀察界面不清晰

二是導(dǎo)電類型異常，染色觀察會(huì)看到一條清晰的帶1045－3－4外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近外延層產(chǎn)生的原因也有兩種：第一種夾層情況認(rèn)為P型雜質(zhì)沾污，造成N型外延層被高度補(bǔ)償

解決辦法：P型雜質(zhì)主要來(lái)源于SiCL4，只要提高SiCL4的純度及做好外延前的清潔處理就可以解決。

第二種情況是由于襯底引起的當(dāng)襯底中硼的含量大于31016cm－3時(shí)，外延層中就容易出現(xiàn)夾層。這是由于高溫時(shí)硼擴(kuò)散的比銻快，結(jié)果使得硼擴(kuò)散到外延層中補(bǔ)償了N型雜質(zhì)，形成了一個(gè)高阻層或反型層。解決辦法：一是提高重?fù)诫s單晶質(zhì)量；二是在工藝中防止引入P型雜質(zhì)，降低單晶中B的含量；三是在外延生長(zhǎng)時(shí)可以先長(zhǎng)一層N型低阻層作為過(guò)渡層，控制夾層。105外延層產(chǎn)生的原因也有兩種：第一種夾層情況認(rèn)為P型雜質(zhì)沾污，造5－4硅外延層的缺陷分類：

一：表面缺陷，也叫宏觀缺陷如云霧，劃道，亮點(diǎn)，塌邊，角錐，滑移線等

二：內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，也叫微觀缺陷如層錯(cuò)，位錯(cuò)1065－4硅外延層的缺陷分類：305－4－1外延片的表面缺陷云霧狀表面外延片表面呈乳白色條紋，在光亮處肉眼可以看到。

一般由于氫氣純度低，含水過(guò)多，或氣相拋光濃度過(guò)大，生長(zhǎng)溫度太低等引起的。角錐體：又稱三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。1075－4－1外延片的表面缺陷云霧狀表面31霧狀表面缺陷①霧圈②白霧

③殘跡④花霧①霧圈②白霧③殘跡④花霧108霧狀表面缺陷①霧圈角錐體109角錐體33亮點(diǎn)：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)塌邊：又叫取向平面，它是外延生長(zhǎng)后在片子邊緣部分比中間部分低形成一圈或一部分寬1～2mm左右的斜平面。形成原因：襯底加工時(shí)造成片邊磨損偏離襯底片晶向。110亮點(diǎn)：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)34劃痕：由機(jī)械損傷引起星形線（滑移線）：

111355－4－2外延層的內(nèi)部缺陷層錯(cuò)

層錯(cuò)形貌分為單線，開(kāi)口，正三角形，套疊三角形和其他組態(tài)位錯(cuò)

外延層中的位錯(cuò)主要是由于原襯底位錯(cuò)延伸引入的另外可能是由于摻雜和異質(zhì)外延時(shí)，由于異類原子半徑的差異或兩種材料晶格參數(shù)差異引入內(nèi)應(yīng)力。例如在Si中摻B,P,它們的半徑比Si小，它們占據(jù)硅的位置時(shí)，Si的點(diǎn)陣會(huì)發(fā)生收縮；當(dāng)摻入AL,Sb等比Si半徑大的原子時(shí)，Si點(diǎn)陣會(huì)發(fā)生擴(kuò)張。也就是產(chǎn)生晶格點(diǎn)陣的失配。1125－4－2外延層的內(nèi)部缺陷層錯(cuò)36晶格點(diǎn)陣的失配會(huì)使外延片呈現(xiàn)彎曲。當(dāng)彎曲程度超過(guò)彈性范圍，為緩和內(nèi)應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)，稱之為失配位錯(cuò)。為了消除應(yīng)力，采用應(yīng)力補(bǔ)償法，即在外延或擴(kuò)散時(shí)，同時(shí)引入兩種雜質(zhì)，使它們產(chǎn)生的應(yīng)變正好相反。當(dāng)兩種雜質(zhì)原子摻入的比例適當(dāng)時(shí)，可以使應(yīng)力相互得到補(bǔ)償，減少或避免晶格畸變。從而消除失配位錯(cuò)的產(chǎn)生。這種方法稱為“雙摻雜技術(shù)”。113晶格點(diǎn)陣的失配會(huì)使外延片呈現(xiàn)彎曲。當(dāng)彎曲程度超過(guò)彈性范圍，為5-5硅的異質(zhì)外延在藍(lán)寶石、尖晶石襯底上進(jìn)行硅的SOS外延生長(zhǎng)和在絕緣襯底上進(jìn)行硅的SOI異質(zhì)外延。SOS:SilicononSapphireSilicononSpinel

在單晶絕緣襯底藍(lán)寶石（α－AI2O3）或尖晶石(MgO.AI2O3)上外延生長(zhǎng)硅

SOI:SilicononInsulator

SemiconductorOninsulator1145-5硅的異質(zhì)外延在藍(lán)寶石、尖晶石襯底上進(jìn)行硅的SOS外延生5－5－1SOS技術(shù)藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們作為襯底外延生長(zhǎng)硅制作集成電路，可以消除集成電路元器件之間的相互作用，不但可以減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)抗輻射能力和降低功耗，還可以提高集成度和雙層布線，是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。1155－5－1SOS技術(shù)藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，1.襯底的選擇選擇異質(zhì)外延襯底材料時(shí)，需要考慮的因素：1.考慮外延層和襯底材料之間的相容性。包括晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)，蒸汽壓、熱膨脹系數(shù)等。2.考慮襯底對(duì)外延層的沾污問(wèn)題。目前最適合硅外延的異質(zhì)襯底是藍(lán)寶石和尖晶石。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用藍(lán)寶石做襯底。1161.襯底的選擇選擇異質(zhì)外延襯底材料時(shí)，需要考慮的因素：402.SOS外延生長(zhǎng)存在問(wèn)題：自摻雜效應(yīng)襯底表面的反應(yīng)：AL2O3+2HCL+H2=2ALCL↑+3H2O

鋁的低價(jià)氯化物為氣體，它使襯底被腐蝕，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生缺陷。氫氣和淀積的硅也會(huì)腐蝕襯底2H2+AL2O3=AL2O+2H2O5Si＋2AL2O3=AL2O＋5SiO+2ALSiCL4對(duì)襯底的腐蝕大于SiH4,所以SOS外延生長(zhǎng)，采用SiH4熱分解法更有利。在襯底尚未被Si完全覆蓋之前，上述腐蝕反應(yīng)都在進(jìn)行為了解決生長(zhǎng)和腐蝕的矛盾，可采用雙速率生長(zhǎng)和兩步外延等外延生長(zhǎng)方法。1172.SOS外延生長(zhǎng)存在問(wèn)題：自摻雜效應(yīng)在襯底尚未被Si完全覆雙速率生長(zhǎng)：先用高的生長(zhǎng)速率(1～2um/min),迅速將襯底表面覆蓋(生長(zhǎng)100～200nm)。然后再以低的生長(zhǎng)速率(約0.3um/min)長(zhǎng)到所需求的厚度。

兩步外延法是綜合利用SiH4/H2和SiCI4/H2兩個(gè)體系的優(yōu)點(diǎn)。即第一部用SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面，然后第二步再用SiCI4/H2體系接著生長(zhǎng)到所要求的厚度。118雙速率生長(zhǎng)：先用高的生長(zhǎng)速率(1～2um/min),迅速將襯SOS技術(shù)的缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題缺點(diǎn)：1）由于晶格失配（尖晶石為立方結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石為六角晶系）問(wèn)題和自摻雜效應(yīng)，外延質(zhì)量缺陷多，但厚度增加，缺陷減小。2）成本高，一般作低功耗器件，近來(lái)用SOI代替，可降低成本。需要解決的問(wèn)題:提高SOS外延層的晶體完整性,降低自摻雜,使其性能接近同質(zhì)硅外延層的水平并且有良好的熱穩(wěn)定性119SOS技術(shù)的缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題缺點(diǎn)：1）由于晶格失配（尖5-5-2SOI技術(shù)SOI技術(shù)是IBM公司首先開(kāi)發(fā)成功的芯片制造技術(shù)在1998年研制成功，于2000年正式應(yīng)用于其PowerPCRS64IV芯片上的半導(dǎo)體制造技術(shù)。SOI硅絕緣技術(shù)是指在半導(dǎo)體的絕緣層（如二氧化硅）上，通過(guò)特殊工藝，再附著非常薄的一層硅，在這層SOI層之上再制造電子設(shè)備。

此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提高數(shù)字電路的開(kāi)關(guān)速度。SOI與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝（一般稱為bulkCMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。SOI：SiliconOnInsulator絕緣體上的硅1205-5-2SOI技術(shù)SOI技術(shù)是IBM公司首先開(kāi)發(fā)成體硅CMOS技術(shù)121體硅CMOS技術(shù)45SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯底上的硅)技術(shù)122SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI123低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI47SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來(lái)隔斷二者的電連接。

SOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電連接，高低壓?jiǎn)卧g、有源層和襯底層之間的隔離通過(guò)反偏PN結(jié)完成，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓?jiǎn)卧g都通過(guò)絕緣層完全隔開(kāi)，各部分的電氣連接被完全消除。

124SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來(lái)隔斷二者的為其帶來(lái)了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相同條件下的體硅電路相比，SOI電路的速度可提高25-35%，功耗可下降2/3125為其帶來(lái)了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術(shù)的基礎(chǔ)SOI技術(shù)發(fā)展有賴于SOI材料的不斷進(jìn)步，材料是SOI技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一這個(gè)障礙目前正被逐漸清除SOI材料制備目前最常用的方法：

SDBSIMOXSmart-CutELTRAN126SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術(shù)的基礎(chǔ)目前最常用的SDB(SiliconDirectBonding)直接鍵合技術(shù)SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔離SmartCut智能切割ELTRAN(EpoxyLayerTransfer)外延層轉(zhuǎn)移127SDB(SiliconDirectBonding)直接

SDB(SiliconDirectBonding)直接鍵合技術(shù)，是采用鍵合技術(shù)形成SOI結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。1.SDB將兩片硅片通過(guò)表面的SiO2層鍵合在一起,再把背面用腐蝕等方法減薄來(lái)獲得SOI結(jié)構(gòu)128SDB(SiliconDirectBonding)當(dāng)兩個(gè)平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相對(duì)放置在一起時(shí)，即使在室溫下亦回自然的發(fā)生鍵合。親水性是指材料表面與水分子之間有較強(qiáng)的親和力.通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤(rùn)濕通常認(rèn)為，鍵合是由吸附在兩個(gè)硅片表面上的OH-在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在室溫下實(shí)現(xiàn)的鍵合通常不牢固，所以鍵合后還要進(jìn)行退火，鍵合的強(qiáng)度隨退火溫度的升高而增加。鍵合后采用機(jī)械研磨或化學(xué)拋光的方法，將器件層的硅片減薄到預(yù)定厚度。129當(dāng)兩個(gè)平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相對(duì)放鍵合(Bonded)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：硅膜質(zhì)量高埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調(diào)整適合于大功率器件及MEMS技術(shù)硅膜減薄一直是制約該技術(shù)發(fā)展的重要障礙鍵合要用兩片體硅片制成一片SOI襯底，成本至少是體硅的兩倍130鍵合(Bonded)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：5413155SDB132SDB56SIMOX(Separatingby