液相外延技術(shù)制備極低缺陷密度SiSiO2SO

1、液相外延技術(shù)制備極低缺陷密度 Si SiO2SO 液相外延技術(shù)制備極低缺陷密度Si/SiO2SOI結(jié)構(gòu) 2011年08月03日 液相外延技術(shù)制備極低缺陷密度 Si/SiO2SOI結(jié)構(gòu) 射頻世界 摘要：介紹了液相外延技術(shù)制備Si/SiO2SOI結(jié)構(gòu)的方法、系統(tǒng)和幾 個(gè)重要環(huán)節(jié)及當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r，同時(shí)指出液相外延技術(shù)對(duì)制備極低缺陷密度SOI 結(jié)構(gòu)具有廣闊前景。 關(guān)鍵詞：液相外延 橫向外延過生長(zhǎng)SOI缺陷密度 薄膜 Preparatio n of Si/SiO2 SOI in Low De nsity of Defect by LPE Abstract This paper in troduces th

2、e liquid phase epitaxy(LPE)of Si/SiO 2 silicon on in sulator(SOI)i ncludi ng the prin ciple,growth system,key procedure s and some inv ol-v ing problems.LPE is a promisi ng methed for prepari ng the SOI with low den sity of defects. Keywords LPE, ELQ SOI， Density of defects，Thin film 1前言 隨著硅超大規(guī)模集成電路

3、線寬的不斷降低、封裝密度的不斷增加和速 度的提高，要求進(jìn)一步降低寄生電容、鎖存效應(yīng)和高的串?dāng)_電容。而在 SOI(silico nonin sulator)材料上形成的電子器件是制造在非常薄的硅膜上的， 較之體硅上的電子器件，有諸多優(yōu)點(diǎn)1, 2,如優(yōu)良的橫向絕緣性、無鎖存 效應(yīng)，提高封裝密度，提高電路的集成度和速度，抗輻射，耐高溫，可實(shí)現(xiàn)三 維集成等。Si/SiO2SOI結(jié)構(gòu)作為半導(dǎo)體材料中一類重要的硅基材料，不但在工 藝上與體硅工藝相兼容，而且 SOI-MOSFE具有極好的等比例縮小性，使得 SOI 技術(shù)在深亞微米VLSI技術(shù)中的應(yīng)用具有很大的吸引力。因此 SOI技術(shù)被喻為是 二一世紀(jì)的硅集成

4、電路技術(shù)。 為制備SOI結(jié)構(gòu)，已發(fā)展了許多種制備技術(shù)，大致上包括：（a）同質(zhì)外 延和異質(zhì)外延技術(shù)，如CVD技術(shù)，外延橫向過生長(zhǎng)（ELO）技術(shù)；（b）多晶硅、非 晶硅再結(jié)晶，如激光束再結(jié)晶、電子束再結(jié)晶和區(qū)熔再結(jié)晶；（c）硅單晶的隱埋 SiO2隔離，如多孔硅氧化全隔離（FIPOS）、離子注氧隔離技術(shù)（SIMOX）和硅片鍵 合技術(shù)（BESOI）。 目前最成功的是SIMOX BESOI技術(shù)及CVD技術(shù)橫向過生長(zhǎng)外延法 35,但SIMOX材料的缺陷密度較高，典型的數(shù)值是 103/cm2數(shù)量級(jí)，硅 膜的質(zhì)量不如體單晶硅，且無法構(gòu)成三維的器件結(jié)構(gòu)，而BESOI材料的界面缺 陷和頂部硅薄層及均勻性（硅厚度的

5、10%）仍然難以控制，不能得到頂部硅膜很 薄的SOI結(jié)構(gòu)，VCD技術(shù)橫向生長(zhǎng)外延法則需要較高的外延溫度和存在嚴(yán)重的 自摻雜，并且需要使用選擇生長(zhǎng)，條件苛刻，最大的問題是縱向生長(zhǎng)速率接近 于橫向生長(zhǎng)速率，無法用于 MOSS件。另外，價(jià)格昂貴也成為限制他們應(yīng)用的 主要原因。 正是由于器件的要求和其他工藝的局限性，使硅液相外延生長(zhǎng)的SOI 材料顯示出其特有優(yōu)點(diǎn)，如：較低的生長(zhǎng)溫度，外延層較低的缺陷密度，良好 的電學(xué)、光學(xué)特性，很高的抑制自摻雜的能力，摻雜的靈活性，系統(tǒng)的安全性 及價(jià)格低廉等，另外，它還有很大的橫縱向生長(zhǎng)比，具有生長(zhǎng)超薄SOI硅膜的 優(yōu)勢(shì)。以前由于對(duì)晶體缺陷密度、少子壽命要求不特別高（

6、而這正是LPE的優(yōu) 點(diǎn)），所以曾一度幾乎放棄了它的研究。但隨著計(jì)算機(jī)、通訊等領(lǐng)域?qū)ζ骷俣?的要求不斷提高，以及硅光電子集成的需要，旨在改善SOI材料質(zhì)量、降低頂 層硅的缺陷密度，減少頂層硅膜厚度的研究工作正在各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相進(jìn)行。硅 LPE技術(shù)制備SOI結(jié)構(gòu)的價(jià)值與地位正在被人們逐步認(rèn)識(shí)。 2硅LPE橫向外延生長(zhǎng)（ELO）制備SOI結(jié)構(gòu)技術(shù) 2.1基本原理 在一定高的溫度下，硅在很多金屬中具有一定的溶解度，對(duì)飽和溶液， 通過改變溫度，硅將在溶液中析出，而可能形成硅的外延。硅液相外延主要有 兩個(gè)過程：一是質(zhì)量輸運(yùn)一一通過擴(kuò)散、對(duì)流，硅從溶液到襯底；二是表面生 長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)一一吸附，沿表面擴(kuò)散到臺(tái)階，

7、在臺(tái)階上生長(zhǎng)。LPE ELO制備SOI結(jié) 構(gòu)是在表面氧化了的硅上開窗口，硅先在窗口籽晶區(qū)縱向生長(zhǎng)，等到與氧化膜 相平后，再向絕緣層上（如Si02）橫向外延生長(zhǎng)，直到各窗口的橫向生長(zhǎng)彼此連 接。液相外延的最大特點(diǎn)是整個(gè)生長(zhǎng)過程幾乎是在熱平衡條件下進(jìn)行的，這是 實(shí)現(xiàn)低缺陷密度或無缺陷SOI結(jié)構(gòu)的基本保證。另外，LPE能夠進(jìn)行選擇性外 延生長(zhǎng)，并在氧化層表面沒有硅的成核，這對(duì)制備SOI結(jié)構(gòu)無疑是十分誘人的。 但表面形貌一直是液相外延的關(guān)鍵問題，對(duì) SOI結(jié)構(gòu)，在0.30.5卩m厚度范 圍內(nèi)，獲得平坦、光亮、均勻，在縫合處無缺陷存在，結(jié)晶優(yōu)良的Si膜更是關(guān) 鍵。 2.2硅LPE的方法 硅LPE ELO

8、技術(shù)是以硅液相外延技術(shù)為基礎(chǔ)的，外延技術(shù)直接影響 SOI材料的質(zhì)量。與液相外延相似，液相外延制備SOI技術(shù)，大致也有三種方 法：1.降溫法，2.恒溫法，3.變相降溫yo-yo法6。 其中降溫法可以用來生長(zhǎng)厚外延層，這顯然與 SOI要求的薄硅膜不相 稱，恒溫法可以外延高質(zhì)量的薄膜。而變相降溫 yo-yo法，采用了溫度調(diào)制的 技術(shù)，即在周期性變化的溫度下生長(zhǎng)硅，據(jù)報(bào)道得出了較好的結(jié)果。 2.3硅LPE的主要系統(tǒng) 2.3.1傾斜舟系統(tǒng) 它是在一個(gè)可以前后兩個(gè)方向傾斜的水平爐內(nèi)，放一石英管，管內(nèi)有 一石英舟，如圖1所示，通過爐子的傾斜來控制襯底與溶液的接觸和分離，從 而控制LPE的生長(zhǎng)。缺點(diǎn)是溶液與生

9、長(zhǎng)晶體表面分離不完全，并且生長(zhǎng)層的厚 度和均勻性難以控制。 2.3.2浸漬系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用立式加熱爐和生長(zhǎng)管，可降溫生長(zhǎng)，也可在襯底、溶液、 溶質(zhì)間構(gòu)成一定的溫度梯度，采用恒溫法生長(zhǎng)，如圖2所示。目前用這種改進(jìn) 的浸漬系統(tǒng)外延的薄外延層質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸不受限制，可得到均勻的組分分布， 但它仍不能多層生長(zhǎng)，外延層質(zhì)量較差，外延后溶體的去除也是一個(gè)問題。 233活動(dòng)舟系統(tǒng) 如圖3所示，該系統(tǒng)可以進(jìn)行單層、多層外延生長(zhǎng)，并且能準(zhǔn)確控制 生長(zhǎng)厚度，它可以采用恒溫法生長(zhǎng)以改進(jìn)摻雜劑的分布，得到的外延層缺陷比 襯底低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但每道工序后，溶體變化導(dǎo)致外延層質(zhì)量的不穩(wěn)定，并有 外延后溶體難以祛除的問題。

10、2.3.4旋轉(zhuǎn)坩堝系統(tǒng)7 該系統(tǒng)將坩堝安置在一根可以旋轉(zhuǎn)的垂直柱上，金屬溶劑可以通過改 變旋轉(zhuǎn)速度，在離心力的作用下覆蓋或離開襯底表面，如圖4所示。采用這一 系統(tǒng)生長(zhǎng)的外延硅，其質(zhì)量如何沒有詳細(xì)的報(bào)道。 3硅LPE的幾個(gè)關(guān)鍵工藝 3.1溶劑的選擇 要充分發(fā)揮硅液相外延的優(yōu)點(diǎn)，得到高質(zhì)量 SOI材料，溶劑的選擇至 關(guān)重要，低溫外延對(duì)溶劑的一般要求是：揮發(fā)性低，在低溫下有一定的溶解度， 溶劑在硅中的溶解度要低，不會(huì)在硅中引入雜質(zhì)能級(jí)。綜合考慮外延生長(zhǎng)的速 度和溫度，一般采用合金溶劑，如 Ag-Bi，Ag-Sn, Au-Bi等，同時(shí)，應(yīng)根據(jù)具 體器件對(duì)SOI材料的要求，找到適當(dāng)?shù)娜軇?，用盡量低的外延

11、溫度來實(shí)現(xiàn)低缺 陷密度的SOI結(jié)構(gòu)。 3.2熔源方式的選擇 一方面，要使溶液飽和，必須要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間，另一方面，要減少 襯底硅片更多地被氧化，又應(yīng)該盡可能地縮短時(shí)間。為解決這一矛盾，我們預(yù) 先使?fàn)t子溫度升到高于生長(zhǎng)溫度的高溫（如1050C ）。這樣既可以加速多晶硅的 溶解，還可以同時(shí)進(jìn)行用熱處理清洗法清潔襯底表面的氧化物。一定時(shí)間后， 降低爐子的溫度至外延生長(zhǎng)的最高溫度，恒定一段時(shí)間，使系統(tǒng)溫度達(dá)到平衡。 另據(jù)MasakazuKimura等人的結(jié)果8，源片置于下面要比上面溶解 得更快，通過改進(jìn)系統(tǒng)的熔源方式發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶質(zhì)硅置于溶液下面時(shí)，用25mi n 的熔源時(shí)間就可達(dá)到飽和。經(jīng)過這一改進(jìn)，在

12、外延前對(duì)氧化層的處理就能有效 地減輕襯底的氧化。 3.3襯底氧化層的處理 因?yàn)楣璧囊籽趸裕r底經(jīng) RCA青洗后進(jìn)入系統(tǒng)，會(huì)有不同程度的氧 化，可采用熱處理清洗和回熔這兩種方法來消除?；厝鄯ê?jiǎn)單易行，但會(huì)使外 延層的電學(xué)性能劣化。通常改用熱處理清洗方法：即在較短的時(shí)間內(nèi)使襯底溫 度達(dá)到1200 r左右，這時(shí)，襯底表面將產(chǎn)生易揮發(fā)的SiO，其反應(yīng)的方程式為: Si(s)+SiO2(s)=2SiO(g) 同時(shí)進(jìn)行抽真空或減壓處理，會(huì)有助于反應(yīng)向右進(jìn)行，并把SiO從系 統(tǒng)排出。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，此法對(duì)清除氧化物是有效的，但也會(huì)給硅LPE帶來 一個(gè)嚴(yán)重的問題，即揮發(fā)的溶劑和摻雜劑會(huì)污染系統(tǒng)。因此采用熱處

13、理清洗法 后必須經(jīng)常清洗系統(tǒng)。 3.4外延前襯底的保護(hù) 由于外延系統(tǒng)中的氧源和其它揮發(fā)物，襯底不可避免地被污染。早期 的石墨舟因熔源時(shí)間過長(zhǎng)，襯底表面被嚴(yán)重氧化了。早期的擠壓舟能有效地阻 止系統(tǒng)中的揮發(fā)物對(duì)襯底的污染，但是溶液達(dá)到飽和的時(shí)間過長(zhǎng)是亟待解決的 問題。而雙片活動(dòng)舟襯底完全暴露在系統(tǒng)環(huán)境中，使得襯底在溶液覆蓋前受到 嚴(yán)重的污染。擠壓式活動(dòng)舟系統(tǒng)，因增加了一個(gè)小室，能有效地保護(hù)襯底，減 少系統(tǒng)揮發(fā)物對(duì)襯底表面的影響。 3.5殘余溶體的去除 浸漬技術(shù)有溶體不能去除的問題，而采用擠壓式活動(dòng)舟一般是能夠刮 凈熔體的。硅液相外延具有上快下慢的特點(diǎn)8，即使有殘余溶液，因?yàn)橥庋?結(jié)束后，石英管自然

14、冷卻，冷卻速度很快，在很大的過冷度下，一旦在溶液上 表面形成晶核，則幾乎所有的硅溶質(zhì)都向上輸送，在溶體表面成核。因此，除 了在均勻成核所需的過冷度達(dá)到以前的短暫時(shí)間內(nèi)，在已生長(zhǎng)的外延層上有一 定量的雜亂淀積外，不會(huì)更多地在襯底上生長(zhǎng)。 另外，對(duì)于SOI結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)外延工藝條件，如溫度、溶劑、氣體、 生長(zhǎng)方式等，避免窗口處的氧化，防止縫合處的多點(diǎn)成核以及溶劑夾雜，降低 SOI層中界面的應(yīng)力，也是實(shí)現(xiàn)無缺陷高質(zhì)量 SOI結(jié)構(gòu)的重要措施。 4研究現(xiàn)狀和存在的問題 目前，人們普遍使用傳統(tǒng)的石墨舟進(jìn)行生長(zhǎng)，采用最多的是改進(jìn)的浸 漬系統(tǒng)。而我們擬采用的擠壓式活動(dòng)舟系統(tǒng)9如圖5所示。它對(duì)超薄外延層 （0.

15、30.5卩m）的生長(zhǎng)已證明是非常有效的，它是在傳統(tǒng)活動(dòng)舟的基礎(chǔ)上，增加 一個(gè)小室，既能有效地保護(hù)襯底，減少系統(tǒng)揮發(fā)物對(duì)襯底表面的影響，又能在 較短的時(shí)間內(nèi)使溶液達(dá)到飽和而減輕了襯底的氧化，生長(zhǎng)完畢后，還能推刮襯 底表面的殘余溶體，得到較好形貌的外延層。 但用它制備SOI仍存在以下限制：1）多數(shù)外延生長(zhǎng)材料與襯底晶格常 數(shù)偏離大于1%因此在硅襯底上可外延的材料就非常有限；2）多數(shù)金屬的分凝 系數(shù)V 1, 一方面可以抑制不需要的雜質(zhì)，同時(shí)對(duì)外延層中組分分布產(chǎn)生顯著影 響，從而很難在生長(zhǎng)方向上獲得均勻的摻雜及合金組成。這雖然可以用穩(wěn)態(tài)生 長(zhǎng)法很好地改善，但除非外延層很薄，否則難以得到理想狀況；3）外

16、延尺寸受 到限制；4）LPE薄膜的表面形貌通常不及 氣相外延。目前，國(guó)內(nèi)尚無這方面的 研究，國(guó)外個(gè)別實(shí)驗(yàn)室已用液相外延技術(shù)獲得無缺陷的SOI結(jié)構(gòu)10，這遠(yuǎn) 優(yōu)于離子注入法得到SOI，且發(fā)現(xiàn)有很大的橫向和縱向生長(zhǎng)速率比11，典 型的數(shù)值是75 ： 1,遠(yuǎn)大于CVD中的0.75 ： 1。但從已報(bào)道的文獻(xiàn)看，得到的 SOI結(jié)構(gòu)在幾個(gè)平方厘米以下，在理論上，Si/SiO2界面處的應(yīng)力、應(yīng)變問題， 從兩個(gè)硅窗口生長(zhǎng)的硅膜縫合處的缺陷形成機(jī)理等科學(xué)問題仍處在研究探索中。 但是，無論如何，它是很有希望的生長(zhǎng)方法，特別是在低缺陷密度SOI結(jié)構(gòu)方 面，有其它SOI技術(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)。它已成為近年來國(guó)外在微電子學(xué)

17、和工藝 領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí)，該研究對(duì)制作其他低缺陷密度的異質(zhì)器件也有 重要的參考價(jià)值。 作者簡(jiǎn)介：樊瑞新 男，1988年畢業(yè)于杭州大學(xué)物理系，同年到浙江 大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，現(xiàn)任工程師。一直從事硅單晶缺陷的研究和 硅基薄膜的制備工作。 參考文獻(xiàn) 1 Peteers L.Semico nductor In ternatio nal.1993;3:48 2 Alles M,Wilson S.Semico nductor In ternatio nal.1997;467 3 Coli nge J P.Silico n-on-i nsulator tech nol.Materials to VLSI,Kluver Ac ad Publisher,Bost on .1991 4 Gosele U M et al.Proceed ings of the forth in tern conf on solid sta te 108:598 7 Bauser E.Th in films growth tech niq ues for low dime nsional stru