| Parameters range for Silicon on Sapphire (SOS) Epi Wafers |
| Wafer diameter |
76 mm, 100 mm, 150 mm |
| Orientation |
(1012) ± 1º (R-plane) |
| Substrate dopant |
- |
| Epi-layer thickness, µm |
0,3 – 2,0 |
| Epi-layer dopant |
Phosphorous, Boron |
| Epi-layer resistivity, Ohm.cm |
|
| n-type |
according to spec. |
| p-type |
1,0 – 0,01 |
5-6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”外延生長和在絕緣襯底上進(jìn)行硅的“SOI”異質(zhì)外延。在本節(jié)簡要地介紹這兩種技術(shù)和SiGe/i
5-6-1 SOS技術(shù)
SOS是“Silicon On Sapphire和“Silicon On Spinel”的縮寫,也就是在藍(lán)寶石或尖晶石襯底上外延生長硅。
藍(lán)寶石(a-Al2O3)和尖晶石(MgO·Al2O3)是良好的絕緣體,以它們?yōu)橐r底外延生長硅制作集成電路,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.襯底材料的選擇
在選擇異質(zhì)外延襯底材料時,首先要考慮的是外延層與襯底材料之間的相容性。其中晶體結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、蒸氣壓、熱膨脹系數(shù)等對外延層的質(zhì)量影響很大,其次還必須考慮襯底對外延層的沾污問題。目前,作為硅外延的異質(zhì)襯底最合適的材料是藍(lán)寶石和尖晶石。表5-4列出了這兩種材料與硅的一些主要的物理性質(zhì),以供比較。
從晶體結(jié)構(gòu)來看,藍(lán)寶石是六方晶系,尖晶石是立方晶系,并且三個硅晶胞和兩個尖晶石晶胞相吻合,兩者沿(100方向計(jì)算的失配為0.7%。但是用火焰法制備的尖晶石多半是富鋁的,這種尖晶石的晶格常數(shù)隨Al2O3的含量增加而減小,結(jié)果失配增大另一方面,襯底和外延層的熱膨脹系數(shù)相近是得到優(yōu)良異質(zhì)外延層的重要因素之一。如果相差較大,在溫度變化時會在界面附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力,使外延層缺陷增多,甚至翹曲,從而影響材料和器件的性能及熱穩(wěn)定性。
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從晶格匹配、熱匹配、減少自摻雜和電容效應(yīng)等方面來考慮,尖晶石是比藍(lán)寶石更好的襯底材料。然而,尖晶石上硅外延層的性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴于襯底組分,而其組分又因制備方法和工藝條件不同而異。因此,雖然在尖晶石襯底上可以得到優(yōu)于藍(lán)寶石襯底上的硅外延層,但由于再現(xiàn)性差,加上藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率高,制備工藝比較成熟所以當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用藍(lán)寶石作硅外延襯底。
2.SOS外延生長
SOS外延生長的設(shè)備和基本工藝過程與一般硅同質(zhì)外延相同。襯底的切磨拋及清洗也大體相同,只是藍(lán)寶石比硅硬,磨、拋時間要長一些。
SOS外延生長時,值得注意的是自摻雜效應(yīng)比較嚴(yán)重,因?yàn)樵谕庋由L的條件下,襯底表面將發(fā)生如下反應(yīng):
Al2O3(s)+2HCl(g)+2H2(g)=2A1Cl(g)↑+3H20(g)
低價(jià)鋁的氯化物是氣態(tài),它使襯底被腐蝕,導(dǎo)致外延層產(chǎn)生缺陷。另外,H2和淀積的硅也會腐蝕襯底,其反應(yīng)為:
2H2(g)+al2O3(s)=al20(g)↑+2H2(g)
5Si(s)+2al2O3(s)=al20(g)↑+5Si(g)↑+2Al(s)
在襯底表面尚未被Si完全覆蓋(至少外延層長到10~20nm)之前,上述腐蝕反應(yīng)都在進(jìn)行。在襯底表面被覆蓋之后,這些腐蝕反應(yīng)還會在襯底背面發(fā)生。造成A1O等沾污。此外,由于襯底表面被腐蝕,會增加外延層中的缺陷,甚至局部長成多晶。因?yàn)镾iCl4對襯底的腐蝕大于SiH4,所以SOS外延生長,采用SiH4熱分解法更為有利。
為了解決生長和腐蝕的矛盾,可采用雙速率生長和兩步外延等外延生長方法。雙速率生長法是先用高的生長速率(1~2μm/mn),迅速將襯底表面覆蓋(生長100~200nm)。然后,再以低的生長速率(約0.3m/min)長到所需求的厚度。
兩步外延法是綜合利用SiH4/H2和SiCl4H2兩個體系的優(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SiCl4/2體系接著生長到所要求的厚度。
SOS外延生長由于襯底表面機(jī)械損傷以及生長組分和襯底之間的腐蝕作用晶格失配、價(jià)鍵不當(dāng)、應(yīng)變效應(yīng)等因素,不可避免地在外延層中引入高密度的位錯、孿晶、晶粒間界等晶格缺陷。這些缺陷與Cu、Fe等重金屬雜質(zhì)作用,在禁帶中形成一系列深能級。此外,在外延層中還存在著A1局部析出及其氧化物等晶體缺陷,它們起復(fù)合、散射和俘獲中心的作用使載流子濃度、遷移率和少數(shù)載流子壽命下降,因此SOS外延層的質(zhì)量趕不上同質(zhì)外延層,而且外延層越薄性能越差。盡管如此,SOS材料大體上還是能滿足MOS器件的要求,今后,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,是SOS技術(shù)發(fā)展的重要課題。
