硅的异质外延.ppt

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1、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:SilicononSapphireSilicononSpinel在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。SOI:SilicononInsulatorSemiconductorOninsulator其他硅基材料GeSi/Si近年来，以笔记本电脑、蜂窝电话、微型通信设备等为代表的便携式系统发展迅猛。它们一般都由高度集成的电子器件组成，且多使用干电池或太阳能电池作为电源。因此．对于制造电子器件的材料和性能的要求也越来越高，不

2、仅要能够实现高度集成，而且要满足高速、低压、低功耗的要求。体硅CMOS技术在这些方面都明显不能满足要求。SOI技术的诞生背景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

3、。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↑+3H2O2H2+Al2O3=Al2O↑+2H2O5Si＋2Al2O3=AL2O↑＋5SiO↑+2Al带来的问题：自掺杂

4、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。在衬底尚未被Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行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：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

5、，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，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

6、。SOI与传统的半导体生产工艺（一般称为bulkCMOS）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

7、技术发展的主要障碍之一这个障碍目前正被逐渐清除SOI材料制备目前最常用的方法：SDBSIMOXSmart-CutELTRANSDB(SiliconDirectBonding)直接键合与背面腐蚀BE（BackEtching）技术SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔离SmartCut智能切割ELTRAN(EpitaxyLayerTransfer)外延层转移1.SDB&BE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

8、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