5-5硅的异质外延.ppt

5-5 硅的异质外延Heteroepitaxy 在蓝宝石（α－AI2O3） 、尖晶石(MgO. AI2O3)衬底上外延生长硅 SOS :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。 SOI: Silicon on Insulator Semiconductor On insulator 其他硅基材料GeSi/Si SOI材料可实现完全的介质隔离．与有P—N结隔离的体硅相比，具有高速率、低功耗、集成度高、耐高温等特点 SOI材料的应用领域 便携式系统 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。 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 需要考虑的因素： 1.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、热膨胀系数等。 2.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和尖晶石。当前工业生产上广泛使用蓝宝石做衬底。 SOS 技术 蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除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。 SOS外延生长 衬底表面的反应：AL2O3+2HCl+H2=2ALCl↑+3H2O 2H2+Al2O3=Al2O ↑ +2H2O 5Si＋2Al2O3=AL2O ↑ ＋5SiO ↑ +2Al 带来的问题：自掺杂效应(引入O和Al) 衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷，甚至局部长成多晶 SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4,所以SOS外延生长，采用SiH4热分解法更有利。 双速率生长：先用高的生长速率(1～2um/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0.3um/min)长到所需求的厚度。 两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。 SOS 技术的缺点及需要解决的问题 SOI技术 SOI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硅，在这层SOI层之上再制造电子器件。 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 速度。SOI与传统的半导体生产工艺（一般称为bulk CMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。 SOI的结构特点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。 SOI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PN结完成，而SOI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，各部分的电气连接被完全消除。 SOI技术的挑战 1、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 SOI材料制备 SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合与背面腐蚀BE（Back Etching）技术 SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离 Smart Cut智能切割 ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延层转移 1. SDBBE 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 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，在超净环境中进行高温键合．形成S0I结构．随后将S0I片的一面进行化学腐蚀、电化学腐蚀、化学机械抛光等处理进行减薄 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1×10 17 cm-2～2×1018 cm-2,氧离子能量在50 keV到 200 keV 之间.用以在硅表层下产生一个高浓度的注氧层 (2)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SiO2埋层和原子级的陡直Si/ SiO2界面。 (3)硅膜外延 如果需要加厚表面硅层 则需要在硅上外延一定厚度的硅膜 智能剥离（Smart—Cut）技术 Smart—Cut技术的原理是利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合(两个硅片之间至少一片的表面要