| 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硅的异质外延
随着大规模、超大规模集成电路的进展,外延技术的应用越来越广泛,除了在硅衬底上进行硅的同质外延之外,还发展了在蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的“SOS”外延生长和在绝缘衬底上进行硅的“SOI”异质外延。在本节简要地介绍这两种技术和SiGe/i
5-6-1 SOS技术
SOS是“Silicon On Sapphire和“Silicon On Spinel”的缩写,也就是在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅。
蓝宝石(a-Al2O3)和尖晶石(MgO·Al2O3)是良好的绝缘体,以它们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,不但能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实现双层布线,是大规模、超大规模集成电路的理想材料。
1.衬底材料的选择
在选择异质外延衬底材料时,首先要考虑的是外延层与衬底材料之间的相容性。其中晶体结构、熔点、蒸气压、热膨胀系数等对外延层的质量影响很大,其次还必须考虑衬底对外延层的沾污问题。目前,作为硅外延的异质衬底最合适的材料是蓝宝石和尖晶石。表5-4列出了这两种材料与硅的一些主要的物理性质,以供比较。
从晶体结构来看,蓝宝石是六方晶系,尖晶石是立方晶系,并且三个硅晶胞和两个尖晶石晶胞相吻合,两者沿(100方向计算的失配为0.7%。但是用火焰法制备的尖晶石多半是富铝的,这种尖晶石的晶格常数随Al2O3的含量增加而减小,结果失配增大另一方面,衬底和外延层的热膨胀系数相近是得到优良异质外延层的重要因素之一。如果相差较大,在温度变化时会在界面附近产生较大的应力,使外延层缺陷增多,甚至翘曲,从而影响材料和器件的性能及热稳定性。
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从晶格匹配、热匹配、减少自掺杂和电容效应等方面来考虑,尖晶石是比蓝宝石更好的衬底材料。然而,尖晶石上硅外延层的性质强烈地依赖于衬底组分,而其组分又因制备方法和工艺条件不同而异。因此,虽然在尖晶石衬底上可以得到优于蓝宝石衬底上的硅外延层,但由于再现性差,加上蓝宝石的热导率高,制备工艺比较成熟所以当前工业生产上广泛使用蓝宝石作硅外延衬底。
2.SOS外延生长
SOS外延生长的设备和基本工艺过程与一般硅同质外延相同。衬底的切磨抛及清洗也大体相同,只是蓝宝石比硅硬,磨、抛时间要长一些。
SOS外延生长时,值得注意的是自掺杂效应比较严重,因为在外延生长的条件下,衬底表面将发生如下反应:
Al2O3(s)+2HCl(g)+2H2(g)=2A1Cl(g)↑+3H20(g)
低价铝的氯化物是气态,它使衬底被腐蚀,导致外延层产生缺陷。另外,H2和淀积的硅也会腐蚀衬底,其反应为:
2H2(g)+al2O3(s)=al20(g)↑+2H2(g)
5Si(s)+2al2O3(s)=al20(g)↑+5Si(g)↑+2Al(s)
在衬底表面尚未被Si完全覆盖(至少外延层长到10~20nm)之前,上述腐蚀反应都在进行。在衬底表面被覆盖之后,这些腐蚀反应还会在衬底背面发生。造成A1O等沾污。此外,由于衬底表面被腐蚀,会增加外延层中的缺陷,甚至局部长成多晶。因为SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4,所以SOS外延生长,采用SiH4热分解法更为有利。
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。双速率生长法是先用高的生长速率(1~2μm/mn),迅速将衬底表面覆盖(生长100~200nm)。然后,再以低的生长速率(约0.3m/min)长到所需求的厚度。
两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCl4H2两个体系的优点。即第一步用SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面,然后第二步再用SiCl4/2体系接着生长到所要求的厚度。
SOS外延生长由于衬底表面机械损伤以及生长组分和衬底之间的腐蚀作用晶格失配、价键不当、应变效应等因素,不可避免地在外延层中引入高密度的位错、孪晶、晶粒间界等晶格缺陷。这些缺陷与Cu、Fe等重金属杂质作用,在禁带中形成一系列深能级。此外,在外延层中还存在着A1局部析出及其氧化物等晶体缺陷,它们起复合、散射和俘获中心的作用使载流子浓度、迁移率和少数载流子寿命下降,因此SOS外延层的质量赶不上同质外延层,而且外延层越薄性能越差。尽管如此,SOS材料大体上还是能满足MOS器件的要求,今后,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,是SOS技术发展的重要课题。
