液相外延技術制備極低缺陷密度SiSiO2SO

1、液相外延技術制備極低缺陷密度 Si SiO2SO 液相外延技術制備極低缺陷密度Si/SiO2SOI結構 2011年08月03日 液相外延技術制備極低缺陷密度 Si/SiO2SOI結構 射頻世界 摘要：介紹了液相外延技術制備Si/SiO2SOI結構的方法、系統(tǒng)和幾 個重要環(huán)節(jié)及當前發(fā)展狀況，同時指出液相外延技術對制備極低缺陷密度SOI 結構具有廣闊前景。 關鍵詞：液相外延 橫向外延過生長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，要求進一步降低寄生電容、鎖存效應和高的串擾電容。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1, 2,如優(yōu)良的橫向絕緣性、無鎖存 效應，提高封裝密度，提高電路的集成度和速度，抗輻射，耐高溫，可實現(xiàn)三 維集成等。Si/SiO2SOI結構作為半導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 技術在深亞微米VLSI技術中的應用具有很大的吸引力。因此 SOI技術被喻為是 二一世紀的硅集成

4、電路技術。 為制備SOI結構，已發(fā)展了許多種制備技術，大致上包括：（a）同質外 延和異質外延技術，如CVD技術，外延橫向過生長（ELO）技術；（b）多晶硅、非 晶硅再結晶，如激光束再結晶、電子束再結晶和區(qū)熔再結晶；（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（SIMOX）和硅片鍵 合技術（BESOI）。 目前最成功的是SIMOX BESOI技術及CVD技術橫向過生長外延法 35,但SIMOX材料的缺陷密度較高，典型的數值是 103/cm2數量級，硅 膜的質量不如體單晶硅，且無法構成三維的器件結構，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結構，VCD技術橫向生長外延法則需要較高的外延溫度和存在嚴重的 自摻雜，并且需要使用選擇生長，條件苛刻，最大的問題是縱向生長速率接近 于橫向生長速率，無法用于 MOSS件。另外，價格昂貴也成為限制他們應用的 主要原因。 正是由于器件的要求和其他工藝的局限性，使硅液相外延生長的SOI 材料顯示出其特有優(yōu)點，如：較低的生長溫度，外延層較低的缺陷密度，良好 的電學、光學特性，很高的抑制自摻雜的能力，摻雜的靈活性，系統(tǒng)的安全性 及價格低廉等，另外，它還有很大的橫縱向生長比，具有生長超薄SOI硅膜的 優(yōu)勢。以前由于對晶體缺陷密度、少子壽命要求不特別高（

6、而這正是LPE的優(yōu) 點），所以曾一度幾乎放棄了它的研究。但隨著計算機、通訊等領域對器件速度 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)達國家競相進行。硅 LPE技術制備SOI結構的價值與地位正在被人們逐步認識。 2硅LPE橫向外延生長（ELO）制備SOI結構技術 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 兩個過程：一是質量輸運一一通過擴散、對流，硅從溶液到襯底；二是表面生 長動力學一一吸附，沿表面擴散到臺階，

7、在臺階上生長。LPE ELO制備SOI結 構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，等到與氧化膜 相平后，再向絕緣層上（如Si02）橫向外延生長，直到各窗口的橫向生長彼此連 接。液相外延的最大特點是整個生長過程幾乎是在熱平衡條件下進行的，這是 實現(xiàn)低缺陷密度或無缺陷SOI結構的基本保證。另外，LPE能夠進行選擇性外 延生長，并在氧化層表面沒有硅的成核，這對制備SOI結構無疑是十分誘人的。 但表面形貌一直是液相外延的關鍵問題，對 SOI結構，在0.30.5卩m厚度范 圍內，獲得平坦、光亮、均勻，在縫合處無缺陷存在，結晶優(yōu)良的Si膜更是關 鍵。 2.2硅LPE的方法 硅LPE ELO

8、技術是以硅液相外延技術為基礎的，外延技術直接影響 SOI材料的質量。與液相外延相似，液相外延制備SOI技術，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量的薄膜。而變相降溫 yo-yo法，采用了溫度調制的 技術，即在周期性變化的溫度下生長硅，據報道得出了較好的結果。 2.3硅LPE的主要系統(tǒng) 2.3.1傾斜舟系統(tǒng) 它是在一個可以前后兩個方向傾斜的水平爐內，放一石英管，管內有 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。缺點是溶液與生

9、長晶體表面分離不完全，并且生長層的厚 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管，可降溫生長，也可在襯底、溶液、 溶質間構成一定的溫度梯度，采用恒溫法生長，如圖2所示。目前用這種改進 的浸漬系統(tǒng)外延的薄外延層質量穩(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，外延層質量較差，外延后溶體的去除也是一個問題。 233活動舟系統(tǒng) 如圖3所示，該系統(tǒng)可以進行單層、多層外延生長，并且能準確控制 生長厚度，它可以采用恒溫法生長以改進摻雜劑的分布，得到的外延層缺陷比 襯底低一個數量級，但每道工序后，溶體變化導致外延層質量的不穩(wěn)定，并有 外延后溶體難以祛除的問題。

10、2.3.4旋轉坩堝系統(tǒng)7 該系統(tǒng)將坩堝安置在一根可以旋轉的垂直柱上，金屬溶劑可以通過改 變旋轉速度，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)生長的外延硅，其質量如何沒有詳細的報道。 3硅LPE的幾個關鍵工藝 3.1溶劑的選擇 要充分發(fā)揮硅液相外延的優(yōu)點，得到高質量 SOI材料，溶劑的選擇至 關重要，低溫外延對溶劑的一般要求是：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，不會在硅中引入雜質能級。綜合考慮外延生長的速 度和溫度，一般采用合金溶劑，如 Ag-Bi，Ag-Sn, Au-Bi等，同時，應根據具 體器件對SOI材料的要求，找到適當的溶劑，用盡量低的外延

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

12、外延前對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 因為硅的易氧化性，襯底經 RCA青洗后進入系統(tǒng)，會有不同程度的氧 化，可采用熱處理清洗和回熔這兩種方法來消除?；厝鄯ê唵我仔?，但會使外 延層的電學性能劣化。通常改用熱處理清洗方法：即在較短的時間內使襯底溫 度達到1200 r左右，這時，襯底表面將產生易揮發(fā)的SiO，其反應的方程式為: Si(s)+SiO2(s)=2SiO(g) 同時進行抽真空或減壓處理，會有助于反應向右進行，并把SiO從系 統(tǒng)排出。經多次實驗表明，此法對清除氧化物是有效的，但也會給硅LPE帶來 一個嚴重的問題，即揮發(fā)的溶劑和摻雜劑會污染系統(tǒng)。因此采用熱處

13、理清洗法 后必須經常清洗系統(tǒng)。 3.4外延前襯底的保護 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 的石墨舟因熔源時間過長，襯底表面被嚴重氧化了。早期的擠壓舟能有效地阻 止系統(tǒng)中的揮發(fā)物對襯底的污染，但是溶液達到飽和的時間過長是亟待解決的 問題。而雙片活動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 嚴重的污染。擠壓式活動舟系統(tǒng)，因增加了一個小室，能有效地保護襯底，減 少系統(tǒng)揮發(fā)物對襯底表面的影響。 3.5殘余溶體的去除 浸漬技術有溶體不能去除的問題，而采用擠壓式活動舟一般是能夠刮 凈熔體的。硅液相外延具有上快下慢的特點8，即使有殘余溶液，因為外延 結束后，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到以前的短暫時間內，在已生長的外延層上有一 定量的雜亂淀積外，不會更多地在襯底上生長。 另外，對于SOI結構，通過調節(jié)外延工藝條件，如溫度、溶劑、氣體、 生長方式等，避免窗口處的氧化，防止縫合處的多點成核以及溶劑夾雜，降低 SOI層中界面的應力，也是實現(xiàn)無缺陷高質量 SOI結構的重要措施。 4研究現(xiàn)狀和存在的問題 目前，人們普遍使用傳統(tǒng)的石墨舟進行生長，采用最多的是改進的浸 漬系統(tǒng)。而我們擬采用的擠壓式活動舟系統(tǒng)9如圖5所示。它對超薄外延層 （0.

15、30.5卩m）的生長已證明是非常有效的，它是在傳統(tǒng)活動舟的基礎上，增加 一個小室，既能有效地保護襯底，減少系統(tǒng)揮發(fā)物對襯底表面的影響，又能在 較短的時間內使溶液達到飽和而減輕了襯底的氧化，生長完畢后，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）多數外延生長材料與襯底晶格常 數偏離大于1%因此在硅襯底上可外延的材料就非常有限；2）多數金屬的分凝 系數V 1, 一方面可以抑制不需要的雜質，同時對外延層中組分分布產生顯著影 響，從而很難在生長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，國內尚無這方面的 研究，國外個別實驗室已用液相外延技術獲得無缺陷的SOI結構10，這遠 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速率比11，典 型的數值是75 ： 1,遠大于CVD中的0.75 ： 1。但從已報道的文獻看，得到的 SOI結構在幾個平方厘米以下，在理論上，Si/SiO2界面處的應力、應變問題， 從兩個硅窗口生長的硅膜縫合處的缺陷形成機理等科學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方法，特別是在低缺陷密度SOI結構方 面，有其它SOI技術不可替代的優(yōu)勢。它已成為近年來國外在微電子學

17、和工藝 領域中的研究熱點之一。同時，該研究對制作其他低缺陷密度的異質器件也有 重要的參考價值。 作者簡介：樊瑞新 男，1988年畢業(yè)于杭州大學物理系，同年到浙江 大學硅材料國家重點實驗室工作，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 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