第五章 -硅外延生長(zhǎng)

第五章硅外延生長(zhǎng)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）5.1外延生長(zhǎng)概述根據(jù)外延層性質(zhì)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；外延生長(zhǎng)分類(lèi)只有體單晶材料不能滿足日益發(fā)展的各種半導(dǎo)體器件制作的需要，1959年末開(kāi)發(fā)了薄層單晶材料生長(zhǎng)技術(shù)——外延生長(zhǎng)。外延生長(zhǎng)就是在一定條件下，在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。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(chēng)為化學(xué)氣相淀積（chemicalvapordeposition,CVD）正外延：器件制作在外延層上反外延：器件制作在襯底上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。

外延生長(zhǎng)的特點(diǎn)(1)可以在低(高)阻襯底上外延生長(zhǎng)高(低)阻外延層。(2)可以在P(N)型襯底上外延生長(zhǎng)N(P)型外延層，直接形成PN結(jié)，不存在用擴(kuò)散法在單晶基片上制作PN結(jié)時(shí)的補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。(3)與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長(zhǎng)，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。(4)可以在外延生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要改變摻雜的種類(lèi)及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。(5)可以生長(zhǎng)異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層。(6)可在低于材料熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率可控，可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸厚度的外延生長(zhǎng)。(7)可以生長(zhǎng)不能拉制單晶材料，如GaN，三、四元系化合物的單晶層等。

利用外延片制作半導(dǎo)體器件，特別是化合物半導(dǎo)體器件絕大多數(shù)是制作在外延層上，因此外延層的質(zhì)量直接影響器件的成品率和性能。一般來(lái)說(shuō)外延層應(yīng)滿足下列要求：

(1)表面應(yīng)平整，光亮，沒(méi)有亮點(diǎn)，麻坑，霧漬和滑移線等表面缺陷。

(2)晶體完整性好，位錯(cuò)和層錯(cuò)密度低。對(duì)于硅外延來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)密度應(yīng)低于1000個(gè)／cm2，層錯(cuò)密度應(yīng)低于10個(gè)／cm2，同時(shí)經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后表面仍然光亮。

(3)外延層的本底雜質(zhì)濃度要低，補(bǔ)償少。要求原料純度高，系統(tǒng)密封性好，環(huán)境清潔，操作嚴(yán)格，避免外來(lái)雜質(zhì)摻入外延層。

(4)對(duì)于異質(zhì)外延，外延層與襯底的組分間應(yīng)突變(要求組分緩變的例外)并盡量降低外延層和襯底間組分互擴(kuò)散。(5)摻雜濃度控制嚴(yán)格，分布均勻，使得外延層有符合要求而均勻的電阻率。不僅要求一片外延片內(nèi)，而且要求同一爐內(nèi)，不同爐次生長(zhǎng)的外延片的電阻率的一致性好。

(6)外延層的厚度應(yīng)符合要求，均勻性和重復(fù)性好。

(7)有埋層的襯底上外延生長(zhǎng)后，埋層圖形畸變很小。

(8)外延片直徑盡可能大，利于器件批量生產(chǎn)，降低成本。

(9)對(duì)于化合物半導(dǎo)體外延層和異質(zhì)結(jié)外延熱穩(wěn)定性要好。

5—2硅的氣相外延氣相硅外延生長(zhǎng)是在高溫下使揮發(fā)性強(qiáng)的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成的硅原子淀積在硅襯底上長(zhǎng)成外延層。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(lèi)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(lèi)型各種硅源優(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。襯底要求在硅外延中使用的硅襯底是經(jīng)過(guò)切、磨、拋等工藝仔細(xì)加工而成的，外延生長(zhǎng)前又經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗、烘干，但表面上仍殘存有損傷、污染物及氧化物等。為了提高外延層的完整性，在外延生長(zhǎng)前應(yīng)在反應(yīng)室中進(jìn)行原位化學(xué)腐蝕拋光，以獲得潔凈的硅表面。常用的化學(xué)腐蝕劑為干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生長(zhǎng)時(shí)，由于SF6具有無(wú)毒和非選擇、低溫腐蝕特點(diǎn)，所以可用它做腐蝕拋光劑。為了控制外延層的電特性，通常使用液相或氣相摻雜法。N型摻雜劑的有PCl3,PH3和AsCl3，P型摻雜劑的有BCl3、BBr3和B2H6等。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立式外延爐，外延生長(zhǎng)時(shí)基座不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，故均勻性好、生產(chǎn)量大。由于SiCl4等硅源的氫還原及SiH4的熱分解反應(yīng)的△H為正值，即提高溫度有利于硅的淀積，因此反應(yīng)器需要加熱，加熱方式主要有高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。通常在石英或不銹鋼反應(yīng)室內(nèi)放有高純石墨制的安放硅襯底的基座，為了保證硅外延層質(zhì)量，石墨基座表面包覆著SiC或沉積多晶硅膜。

5－2－2硅外延生長(zhǎng)設(shè)備我國(guó)目前最先進(jìn)的硅外延設(shè)備中國(guó)最大的半導(dǎo)體相關(guān)應(yīng)用研究院之一，有色金屬研究總院(GRINM)向InternationalN.V.訂購(gòu)的300mm外延設(shè)備--Epsilon?3200。Epsilon3200主要用途是硅和鍺化硅的外延生長(zhǎng)。這是銷(xiāo)售到中國(guó)大陸的首臺(tái)300mm外延設(shè)備

ASMInternationalN.V.(荷蘭)和它的分支機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造用于生產(chǎn)半導(dǎo)體裝置的設(shè)備和材料。公司通過(guò)他們?cè)诿绹?guó)，歐洲，日本和亞洲的工廠既為硅晶片處理（前工序），也為集成和封裝（后工序）提供生產(chǎn)解決方案。EpsilonSeriesSingle-WaferEpitaxialReactors硅外延生長(zhǎng)基本工藝硅單晶定向切割400-500μm磨平Si02膠體溶液拋光清洗烘干置于基座抽高真空通高純H2加熱去除氧化層通氫氣和硅源恒溫反應(yīng)斷硅源停止反應(yīng)室溫取出參數(shù)測(cè)試通刻蝕劑原位刻蝕通氫氣排出刻蝕劑5-2-3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恚篠iCl4+2H2

Si+4HCl5-2-4硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素以SiCl4為例生長(zhǎng)過(guò)程：1.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.2.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響3.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響4.襯底晶向的影響

氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型邊界層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(chēng)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)氣相均質(zhì)反應(yīng)模型

5.3硅外延層電阻率的控制5-3-l外延層中的雜質(zhì)及摻雜

外延層中雜質(zhì)的來(lái)源：（1）主摻雜質(zhì)：用于控制外延層的電阻率。常用磷烷、砷烷和乙硼烷作為主摻雜質(zhì)源。它與硅源一道隨主氣流進(jìn)入外延反應(yīng)室，在外延生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)入外延層。（2）固態(tài)外擴(kuò)散雜質(zhì)：（a）襯底中摻入的雜質(zhì)在外延過(guò)程中，通過(guò)固態(tài)外擴(kuò)散進(jìn)入外延層；（b）對(duì)于同型外延，襯底中反型雜質(zhì)通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入外延層形成外延夾層。（3）氣相自摻雜：重?fù)揭r底或重?fù)铰駥又械碾s質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)后進(jìn)入氣流中在后又摻入外延層中。（4）系統(tǒng)自摻雜：吸附在外延反應(yīng)室內(nèi)壁和外延基座表面的雜質(zhì)，解吸后進(jìn)入氣流形成新的摻雜源。（5）金屬雜質(zhì)：襯底硅片、外延基座和外延系統(tǒng)中沾污的金屬雜質(zhì)在外延過(guò)程中進(jìn)入外延層。外延層中總的載流子濃度N總可表示為

N總=N襯底±N氣±N鄰片±N擴(kuò)散±N基座±N系統(tǒng)N襯底為由襯底中揮發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)在外延生長(zhǎng)時(shí)摻入外延層中的雜質(zhì)濃度分量。N氣為外延層中來(lái)自混合氣體的雜質(zhì)濃度分量。N鄰片為外延層中來(lái)自相鄰襯底的雜質(zhì)濃度分量。N擴(kuò)散為襯底中雜質(zhì)經(jīng)過(guò)固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層中的雜質(zhì)濃度分量。N基座為來(lái)自基座的雜質(zhì)濃度分量。N系統(tǒng)為來(lái)自除上述因素以外整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度分量。式中的正負(fù)號(hào)由雜質(zhì)類(lèi)型決定，與襯底中雜質(zhì)同類(lèi)型者取正號(hào)，與襯底中雜質(zhì)反型者取負(fù)號(hào)。N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯底片，因此稱(chēng)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(chēng)為自摻雜2.外延生長(zhǎng)的摻雜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(lèi)型的雜質(zhì)，或者是同一種類(lèi)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。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。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。

抑制自摻雜的途徑：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(lèi)型：一是在檢測(cè)時(shí)導(dǎo)電類(lèi)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(lèi)型異常，染色觀察會(huì)看到一條清晰的帶外延層產(chǎn)生的原因：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。25－4硅外延層的缺陷分類(lèi)：

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)5－4－1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(chēng)三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。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花霧角錐體劃痕：由機(jī)械損傷引起星形線（滑移線）5.4.2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(lèi)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。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(chēng)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(chēng)為“雙摻雜技術(shù)”。

5—5硅的異質(zhì)外延隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的進(jìn)展，外延技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，除了在硅襯底上進(jìn)行硅的同質(zhì)外延之外，還發(fā)展了在藍(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。5-5-1SOS技術(shù)

SOS是“SilicononSapphire”和“SiliconOnSpinel”的縮寫(xiě)，也就是在藍(lán)寶石或尖晶石襯底上外延生長(zhǎng)硅。

藍(lán)寶石(α-Al203)和尖晶石(MgO·Al203)是良好的絕緣體，以它們?yōu)橐r底外延生長(zhǎng)硅制做集成電路，可以消除集成電路元器件之間的相互作用，不但能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實(shí)現(xiàn)雙層布線，是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。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。2.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。雙速率生長(zhǎng)法是先用高的生長(zhǎng)速率(1-2μm／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0.3μm／min)長(zhǎng)到所需求的厚度。兩步外延法是綜合利用SiH4/H2和SiCl4/H2兩個(gè)體系的優(yōu)點(diǎn)。即第一步用SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面，然后第二步再用SiCl4/H2體系接著生長(zhǎng)到所要求的厚度。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S0I技術(shù)發(fā)展原因世界微處理器市場(chǎng)的霸主英特爾公司于2000年3月8日推出1GHz奔騰3微處理器，同年6月28日推出1.4GHz奔騰4微處理器。同年6月9日AMD公司推出1GHzAMDAthlon處理器。同年IBM公司推出1GHz測(cè)試版Power4處理器(用于APPLE電腦)。它們標(biāo)志著以微處理器為代表的IC芯片進(jìn)人了GHz時(shí)代制造1GHz以上的IC芯片有兩大途徑：一是不斷縮小芯片的特征尺寸，按照摩爾定律所指引的方向繼續(xù)走下去。二是尋找新型材料，以放寬以芯片特征尺寸進(jìn)一步縮小的要求，如用銅布線替代鋁布線，用絕緣硅(SOI，Silicon-on-Insulator)晶圓替代硅晶圓等?？s小芯片的特征尺寸的缺點(diǎn)對(duì)于第一種途徑，縮小芯片特征尺寸可提高IC芯片的速度，但不能改變其損耗機(jī)制。當(dāng)工藝水平逐漸接近物理器件的極限時(shí)，眾多問(wèn)題會(huì)接踵而來(lái)：①必須考慮CMOS器件的電容，因?yàn)镃MOS器件的電容損耗與開(kāi)關(guān)速度成正比，襯底電容不與器件幾何尺寸成正比例關(guān)系；②漏電流增大；③晶體管本身對(duì)噪聲的承受能力降低，互連器件中產(chǎn)生的噪聲增大；④晶體管工作時(shí)會(huì)有更多的電子滲漏到硅晶圓上，直接影響晶體管的工作特性S0I技術(shù)的產(chǎn)生半導(dǎo)體業(yè)界提出先在硅晶圓上嵌埋一層Si02絕緣層，以此絕緣層作為基板來(lái)制造晶體管，這就是SOI技術(shù)。SOI的極薄氧化層有效地使電子從一個(gè)晶體管門(mén)電路滲漏到硅晶圓上。S0I器件與Si器件相比有如下優(yōu)點(diǎn)：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靜電電容小，寄生電容小；④抗輻射性能好，抗輻射強(qiáng)度是Si器件的50-100倍。SOI技術(shù)1998年由IBM公司研制成功，2000年正式用于其POWERPCRS64IV（APPLEPOWER4，早期的iMAC電腦上）芯片上。5-5-2S0I技術(shù)為了提高集成電路的集成度和速度，降低功耗，必須縮小器件的尺寸。但當(dāng)器件的尺寸縮小到亞微米范圍以?xún)?nèi)時(shí)，常規(guī)的結(jié)構(gòu)就不適應(yīng)了，從而導(dǎo)致SOI(SiliconOnInsulator或Semiconductor0nInsulator)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，也就是把器件制做在絕緣襯底上生長(zhǎng)的硅單晶層上。

SOI結(jié)構(gòu)開(kāi)始是針對(duì)亞微米CMOS器件提出來(lái)，以取代不適合要求的常規(guī)結(jié)構(gòu)以及已經(jīng)應(yīng)用的SOS結(jié)構(gòu)(SOS可以看成是SOI的一種形式)，但SOI結(jié)構(gòu)很快也成為實(shí)現(xiàn)高速集成電路及三維集成電路的新途徑(但不是所有的SOI結(jié)構(gòu)都可以用來(lái)做三維集成電路)，是當(dāng)前半導(dǎo)體材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。SOI結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)SOI結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)大致可以歸納為如下幾個(gè)方面：

(1)由于它是介質(zhì)隔離，寄生電容小，對(duì)高速和高集成度的IC電路特別有利。

(2)由于介質(zhì)隔離，降低了噪聲，并提高了線路和器件的抗輻射性能。

(3)抑制了CMOS電路的“閂鎖效應(yīng)”(1atch-up)問(wèn)題。(CM0S電路中固有的寄生可控硅結(jié)構(gòu)被觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成低阻大電流通路的現(xiàn)象)

COMS電路的鎖定效應(yīng)(latchup)：

COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時(shí)，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。SOl與SOS相比:SOl材料的完整性比SOS好得多，比SOS應(yīng)用的范圍也廣泛。CMOS電路中采用SOI結(jié)構(gòu)，可以減少掩蔽次數(shù)，也不需要隔離擴(kuò)散，使線路布局簡(jiǎn)化，提高集成度。SOS中Si與Al203的熱膨脹系數(shù)不匹配，硅層內(nèi)有壓縮應(yīng)力。SOI的功耗和襯底成本都比SOS低得多，SOS沒(méi)有實(shí)現(xiàn)三維器件結(jié)構(gòu)功能。從目前情況來(lái)看，有的SOI技術(shù)已初步走向?qū)嵱没?，只要能進(jìn)一步克服工藝和材料質(zhì)量問(wèn)題，實(shí)用化是沒(méi)有問(wèn)題的，某些SOI技術(shù)可以用于三維IC的制造。SOI結(jié)構(gòu)材料制備的方法

1.熔化橫向生長(zhǎng)這種方法的基本工藝是在硅襯底上形成一層Si02膜，然后在膜上淀積多晶或非晶硅，使所淀積的多晶或非晶硅局部熔化，移動(dòng)熔區(qū)則在熔區(qū)前的多晶或非晶硅熔化，而熔區(qū)后面則進(jìn)行再結(jié)晶。這種方法由于形成熔區(qū)的熱源不同可分成：①激光束熔化再結(jié)晶；②電子束熔化再結(jié)晶；③石墨帶狀加熱橫向有籽晶再結(jié)晶；④光照熔融再結(jié)晶法等四種。由于其加熱方式不同，所以設(shè)備和具體工藝有很大的差別，結(jié)果也不一樣，各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。早期這類(lèi)方法研究得比較活躍。2．CVD橫向生長(zhǎng)

CVD橫向生長(zhǎng)法是在SiO2上進(jìn)行側(cè)向鋪伸外延生長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)EIO(EpitaxialLateralovergrowth)法。它是在選擇外延上發(fā)展起來(lái)的，很受人們重視。這是因?yàn)楣柰庋由L(zhǎng)技術(shù)比較成熟，處理溫度低(1050-1150℃)，遠(yuǎn)低于Si熔化溫度，不會(huì)引起嚴(yán)重的襯底雜質(zhì)的再分布，并且有希望用于三維IC的制作。本方法的基本過(guò)程是，在SiO2膜上用光刻技術(shù)開(kāi)出襯底的窗口，在窗口處外延生長(zhǎng)硅，抑制在SiO2表面上硅成核。當(dāng)窗口區(qū)長(zhǎng)滿硅后，再以足夠大的橫縱向生長(zhǎng)速度比進(jìn)行側(cè)向鋪伸外延。關(guān)鍵在于如何抑制在SiO2上成核．目前利用生長(zhǎng)／腐蝕工藝來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即每生長(zhǎng)一段時(shí)間后停止生長(zhǎng)，通入HCl氣相腐蝕，以除去在Si02上淀積的硅。然后進(jìn)行第二次生長(zhǎng)／腐蝕，直到窗口長(zhǎng)滿，繼續(xù)重復(fù)次生長(zhǎng)／腐蝕進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)，最后硅膜連成一片并長(zhǎng)到要求的厚度。缺點(diǎn)：所得的SOI結(jié)構(gòu)的硅膜電學(xué)性質(zhì)和器件性質(zhì)和相同條件下常規(guī)外延生長(zhǎng)的膜相近?，F(xiàn)在還不能完全除去SiO2膜上的多晶核，使ELO膜的質(zhì)量受到影響，另外橫向生長(zhǎng)的寬度還不是很寬。3．氧離子注入隔離法

SIMOX法(SeparationbyImplantedOxygen)。它是利用注入氧離子形成符合化學(xué)計(jì)量比的SiO2埋層的方法。注入的氧離子量約為1.2-1.8×1018/cm2。埋層深度和注入能量有關(guān)，若埋層深度為0.5

m，則注入能量約為500keV，若深度為1m，則需要1MeV。氧離子注入時(shí)，為了得到突變的Si—SiO2界面，通常把注入劑量適當(dāng)過(guò)量，略大于1.8×1018／cm2。劑量不足時(shí)，在上界面處會(huì)出現(xiàn)孿晶層。氧離子注入后，必須進(jìn)行高溫退火熱處理，使O與Si作用形成SiO2并消除晶格的損傷，處理溫度為1150-1250℃，時(shí)間為2h。退火前，在硅片表面淀積一層SiO2能有助于提高退火效果并能減少表面缺陷。

SIMOX法簡(jiǎn)單易行，能得到良好的單晶層，與常規(guī)硅器件工藝完全相容。它可以說(shuō)是目前SOI技術(shù)中最引人注意的，但不足的是它無(wú)法做成三維的器件。

4．硅片面鍵合法這種方法是(1)將兩片硅片通過(guò)表面的SiO2層鍵合在一起，(2)再把背面用腐蝕等方法減薄獲得SOI結(jié)構(gòu)。實(shí)施的辦法之一是，將兩片硅的拋光片一片氧化形成SiO2膜，將另一片貼在其上，在氧氣氛中熱處理，在氧化熱處理過(guò)程中通過(guò)界面的硅氧鍵的聚合作用而粘結(jié)在一起。這種方法比較簡(jiǎn)單，但減薄處理比較困難，另外對(duì)片子的平整度要求高，否則整個(gè)界面很難完全貼合。這種方法目前發(fā)展較快。

SOI技術(shù)已經(jīng)研究很多年，取得一些結(jié)果，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都投入不少力量進(jìn)行研究，一旦獲得突破性的進(jìn)展，其應(yīng)用前景是十分廣闊的。5-5-3SiGe／Si異質(zhì)生長(zhǎng)

硅是應(yīng)用最廣泛的元素半導(dǎo)體材料，其價(jià)格比較低廉，制作器件工藝相當(dāng)成熟，但它是一種間接帶隙材料，帶隙寬度是一定的，因此它在光電領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。但隨著外延技術(shù)和能帶工程的發(fā)展，人們除了開(kāi)展SOS、SOI研究外，還開(kāi)展了在硅襯底上外延生長(zhǎng)SiGe和Ⅲ-V族化合物材料及器件制作的研究，取得相當(dāng)大的進(jìn)展并形成稱(chēng)為硅基半導(dǎo)體的研究領(lǐng)域。半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的最低能量狀態(tài)和價(jià)帶的最高能量狀態(tài)不在k空間(動(dòng)量)的同一位置，則該半導(dǎo)體為“間接帶隙半導(dǎo)體”。因?yàn)橐话惆雽?dǎo)體發(fā)光時(shí)要求有電子躍遷；而一般的電子躍遷又要求動(dòng)量守恒，即電子必須在k空間(動(dòng)量)的同一位置跳躍，所以間接帶隙半導(dǎo)體一般不能用作發(fā)光材料。異質(zhì)生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)在硅材料上異質(zhì)生長(zhǎng)SiGe／Si結(jié)構(gòu)材料，可以靈活地運(yùn)用能帶工程進(jìn)行能帶剪裁制作硅基量子結(jié)構(gòu)器件。與成熟的硅微電子工藝兼容，將硅微電子產(chǎn)業(yè)推上一個(gè)新臺(tái)階，利用SiGe／