第5章硅外延生長

1、第五章 硅外延生長外延生長概述硅襯底制備硅的氣相外延生長硅外延層電阻率的控制硅外延層的缺陷硅的異質外延125-1 外延生長概述外延生長：一定條件下，在經(jīng)過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層方法。外延生長用來生長薄層單晶材料，即薄膜（厚度為幾微米） 。生長的這層單晶層叫外延層，沿著原來的結晶方向生長，是襯底晶格的延伸。合乎要求：導電類型、電阻率、厚度和晶格結構、完整性等。外延生長的分類1、根據(jù)襯底和外延層材料是否相同同質外延異質外延2、根據(jù)外延層在器件制作過程中的作用正外延反外延3、根據(jù)生長方法的不同直接外延間接外延4、根據(jù)在生長過程中向襯底輸送原子的方法不同真空外延氣相

2、外延液相外延5、根據(jù)生長過程中相變過程不同氣相外延液相外延固相外延34外延生長的特點：（1）低（高）阻襯底上外延生長高（低）阻外延層；（2）P（N）型襯底上外延生長N（P）型外延層；（3）與掩膜技術結合，在指定的區(qū)域進行選擇外延生長；（4）外延生長過程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度；（5）生長異質，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層；（6）實現(xiàn)原子級尺寸厚度的控制；（7）生長不能拉制單晶的材料；5外延層應滿足的條件：（1）表面平整、光亮，沒有表面缺陷；（2）晶體完整性好，位錯和層錯密度低；（3）外延層的本底雜質濃度低，補償少。（4）異質外延，外延層與襯底的組分間應突變，并盡量降低 外延層和襯

3、底間組分互擴散；（5）摻雜濃度控制嚴格，分布均勻，要求均勻的電阻率；（6）外延層的厚度符合要求，均勻性、重復性好；（7）襯底埋層圖形因外延工藝發(fā)生畸變較小。（8）外延片直徑盡可能大。（9）化合物半導體外延層和異質結外延熱穩(wěn)定性要好。65-2 硅襯底制備75-3 硅的氣相外延生長8 5-3-1 硅外延生長用的原料氣相硅外延生長：高溫下?lián)]發(fā)性強的硅源與氫氣發(fā)生反應（氫還原）或熱解（熱分解），生成的硅原子淀積在硅襯底上長成外延層。常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。9SiHCl3和SiCl4常溫下是液體，外延生長溫度高。但生長速度快，易純制，使用安全，是較通用的硅源。

4、SiH2Cl2常溫下是氣體，使用方便并且反應溫度低。SiH4是氣體，外延特點：反應溫度低、無腐蝕性氣體、可得到雜質分布陡峭的外延層。缺點: 要求生長系統(tǒng)具有良好的氣密性，漏氣會產(chǎn)生大量的外延缺陷；SiH4在高溫和高濃度下易發(fā)生氣相分解，生成粉末狀硅使外延無法進行。10 硅襯底的處理：襯底經(jīng)切、磨、拋等工藝仔細加工而成；外延前要嚴格的清洗、烘干； 為提高外延層的完整性，生長前在反應室中進行原位化學腐蝕拋光，以獲得潔凈的硅表面；常用的化學腐蝕劑為干燥的HCl或HBr（硅烷用SF6）。 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：PCl3、PH3和AsCl3；P型摻雜劑：BCl3、BB

5、r3和B2H6等。11 5-2-2 硅外延生長設備 設備組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運及控制系統(tǒng)、加熱設備和反應室。系統(tǒng)分水平式和立式兩種。立式外延爐，外延生長時基座不斷轉動，外延層均勻性好，生產(chǎn)量大。加熱方式: 高頻感應加熱和紅外輻射加熱。12水平式反應器13立式反應器14 5-3-3 硅外延生長基本工藝 單晶定向后，用內（外）圓/線切割機切成厚度為400550 m的薄片； 磨片機上用金剛砂磨平（倒角）后，再用SiO2膠體溶液拋光成鏡面，制成襯底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封閉反應室通高純H2排除反應室中的空氣； 啟動加熱系統(tǒng)，調整溫度到所需溫度。 反應所需的氫氣經(jīng)凈化器提純, 一路通

6、反應室，另一路通硅源容器, 攜帶硅源入反應室。15 生長前用干燥的HCl或Br（HBr）在高溫下對襯底進行氣相拋光處理； 調整反應室溫度至生長溫度，按需要通入硅源和氫氣進行硅外延生長； 按實驗求得的生長速率和所需要的外延層厚度來確定生長時間； 生長結束時，停止通硅源，但繼續(xù)通氫氣并降溫至室溫，取出外延片進行參數(shù)測試。16 5-2-4 硅外延生長的基本原理和影響因素以SiCl4源介紹其生長原理及影響因素。SiCl4氫還原的基本反應方程 SiCl4+2H2 Si+4HCl17181.SiCl4濃度對生長率的影響隨著濃度增加隨著濃度增加,生長速率先增大后減小生長速率先增大后減小.192.溫度對生長速

7、率的影響溫度較低時,生長速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升較高溫度區(qū),生長速率隨溫度變化較平緩.203.氣流速度對生長速率的影響l反應物濃度和生長溫度一定時，水平式反應器中的生長速率與總氫氣流速的平方根成正比。l立式反應器，流速較低時生長速度與總氫氣流速平方根成比例；流速超過一定值后，生長速率達到穩(wěn)定的極限值而不再增加。214.襯底晶向的影響常壓外延生長條件下（SiCl4+H2源，生長溫度T=1280，SiCl4濃度0.1%）注意：偏離111晶向不同角度的襯底相應有一個最大允許生長速率（臨界生長速度），超過此速率生長外延層時會出現(xiàn)缺陷。22 5-2-5 硅外延生長動力學過程硅外延生長動力學模型主要有

8、兩種：i)氣-固表面復相化學反應；ii）氣相均質反應。復相化學反應模型：（1）反應物氣體混合向反應區(qū)輸運；（2）反應物穿過邊界層向襯底表面遷移；（3）反應物分子被吸附在高溫襯底表面上；23（4）襯底表面發(fā)生化學反應。（5）副產(chǎn)物氣體從表面脫附并穿過邊界層向氣流中擴散。（6）氣體副產(chǎn)物和未反應的反應物，離開反應區(qū)被排出系統(tǒng)。過程依序進行，總的生長速率由其中最慢的一步?jīng)Q定。決定速率的步驟稱速率控制步驟速率控制步驟。24 低溫時，固-氣表面上的反應最慢 決定整個生長過程的速度。過程稱表面反應控制過程或動力學控制過程。 正常條件下，表面反應很快，主氣流中的反應物以擴散方式輸運到表面的過程最慢，過程稱質

9、量輸運控制過程。25均質反應模型：外延生長反應是在襯底表面幾微米的空間中發(fā)生；反應生成的原子或原子團再轉移到襯底表面上完成晶體生長；反應濃度很大，溫度較高時可能在氣相中成核并長大；例，高濃度SiH4高溫熱分解。結論結論：復相反應和均質反應， 都認為反應物或反應生成物要通過體系中的邊界層達到襯底表面。265-2-6 邊界層及其特性邊界層（附面層或停滯層、滯流層） ：接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個流體速度受干擾而變化的薄層。薄層厚度（ ）：貼近平板至流速為0.99 0的厚度。27邊界層厚度與流體流速、流體的粘滯系數(shù)、流體密度和在平板的位置x有關。 A：常數(shù)；Re：雷諾數(shù)，無量綱，表示流體慣性力與粘滯

10、力大小之比； 由Re值的大小可判斷系統(tǒng)中流體的狀態(tài)。Re大于一定值時流體為湍流湍流，小于某一值時為層流層流，介于兩值之間時則湍流和層流兩種狀態(tài)共存。Re/xA)x(00AxxvAx28擴散層（質量邊界層或附面層）：具有反應物濃度梯度的薄層。3r033pxPr)(/)(xDxc ：普蘭特數(shù)，無量綱數(shù)。D：反應物的擴散系數(shù)。DPr流體Pr 1， c（x）；氣體， Pr=0.60.8, (x)c。29發(fā)熱的平板上方, 氣體中存在著一個溫度變化的薄層，叫溫度邊界層(附面層)。305-3 硅外延層電阻率的控制不同器件對外延層的電參數(shù)要求不同。 5-3-1 外延層中的雜質及摻雜一、外延層中雜質來源外延層中

11、總的載流子濃度N總可表示為N總=N襯底N氣N鄰片N擴散N基座N系統(tǒng)正負號由雜質類型決定，與襯底中雜質同類型取正號，與襯底中雜質反型取負號。31雜質不是來源于襯底片稱為外摻雜外摻雜。如：如： N氣、N基座、N系統(tǒng)雜質來源于襯底片，稱為自摻雜自摻雜。如：如： N擴散、N襯底、N鄰片結論：盡管外延層中的雜質來源于各方面，但決定外延層電阻率的主要原因還是人為控制的摻雜劑的多少；即N氣起主導作用。32二、外延生長的摻雜N型摻雜劑：PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3；P型摻雜劑：BCl3、BBr3、B2H6。 SiCl4為源，鹵化物作摻雜劑，使用兩個SiCl4揮發(fā)器。調節(jié)揮發(fā)器的氫氣流量和溫度，控

12、制外延片的電阻率。AsH3、B2H6等氫化物摻雜劑，純H2將它們稀釋后裝鋼瓶，控制它和通過SiCl4揮發(fā)器的H2流量調整外延層的電阻率。 SiH4為源, 摻雜劑使用AsH3、B2H6。高阻P型外延層，常用低阻P型襯底自摻雜效應實現(xiàn)摻雜。335-3-2 外延中雜質的再分布 希望外延層和襯底界面處的摻雜濃度很陡； 襯底中的雜質會擴散進入外延層，致使外延層和襯底之間界面處的雜質濃度梯度變平。N1（x，t）：重摻雜襯底擴散造成的雜質濃度分布；N2（x，t）：外部摻入的雜質濃度分布曲線?？偟碾s質濃度 N（x，t）=N1（x，t）N2（x，t）34注意：外延層的實注意：外延層的實際界面際界面外延層中雜質分

13、布是外延層中雜質分布是兩者的總和兩者的總和 Dt2xexpN21xNSUb1襯底擴散造成的雜質分布襯底擴散造成的雜質分布 Dt2xexpN21xNf2外部摻入的雜質濃度分布外部摻入的雜質濃度分布355-3-3 外延層生長中的自摻雜自摻雜效應：襯底中的雜質進入氣相中再摻入外延層。自摻雜造成的影響： 外延層電阻率的控制受到干擾； 襯底外延層界面處雜質分布變緩； 器件特性偏離，可靠性降低； 妨礙雙極型集成電路提高速度和微波器件提高頻率。36抑制自摻雜的方法：1.盡量減少雜質由襯底逸出。（1）使用蒸發(fā)速度較小的雜質做襯底和埋層中的雜質。（2）外延生長前高溫加熱襯底。（3）背面封閉技術。（4）采用低溫外

14、延技術和不含有鹵原子的硅源。（5）二段外延生長技術。2. 減壓生長技術, 使已蒸發(fā)到氣相中的雜質盡量不再進入外延層。37 5-3-4 外延層的夾層外延層的夾層：外延層和襯底界面附近出現(xiàn)高阻層或反型層。兩種類型：（1）導電類型混亂，擊穿圖形異常，用磨角染色法觀察，界面不清晰；（2）導電類型異常，染色觀察會看到一條清晰的帶。夾層產(chǎn)生的原因：（1）P型雜質沾污，造成N型外延層被高度補償；（2）襯底中基硼的含量大于31016cm-3時，外延層容易出現(xiàn)夾層。38防止夾層出現(xiàn)的方法：（1）提高重摻單晶質量，絕不能用復拉料或反型料拉重摻單晶；（2）工藝中防止引入P型雜質，降低單晶中B的含量，（3）外延生長時

15、先長一層N型低阻層（如0.1cm）作為過渡層，可控制夾層。由于硅單晶質量和外延生長技術水平的提高，夾層已很少出現(xiàn)。39 5-4 硅外延層的缺陷外延片中的缺陷分兩類：（1）表面缺陷（宏觀缺陷）。如云霧、劃道、亮點、塌邊、角錐、滑移線等。（2）內部結構缺陷（微觀缺陷）。如：層錯、位錯等。 5-4-1 外延片的表面缺陷1.云霧狀表面表面呈乳白色條紋，肉眼即可看到。起因：氫氣純度低，H2O過多或氣相拋光濃度過大，生長溫度太低。402.角錐體（三角錐或乳突）形狀象沙丘，用肉眼可看見。防止角錐體產(chǎn)生采取的措施：選擇與（111）面朝110偏離34的晶向切片，提高臨界生長速度；降低生長速度；防止塵埃及碳化物沾

16、污，注意清潔等。41霧狀表面缺陷霧狀表面缺陷霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧42角錐體角錐體433.亮點外形為烏黑發(fā)亮的小圓點。 4060倍顯微鏡下呈發(fā)亮的小突起。大者為多晶點，可因系統(tǒng)沾污，反應室硅粉，SiO2粒脫落，氣相拋光不當或襯底裝入反應室前表面有飄落的灰塵等引起。細小的亮點多半由襯底拋光不充分或清洗不干凈造成。444.塌邊（取向平面）外延生長后片子邊緣部分比中間部分低，形成一圈或一部分寬12mm左右的斜平面，是無缺陷的完整的（111）面。形成塌邊的原因：襯底加工時造成片邊磨損而偏離襯底片晶向。如傾斜面為（111）面，在外延時它會擴展而長成（

17、111）取向小平面。455.劃痕一般由機械損傷引起，用鉻酸腐蝕液腐蝕時會在其兩旁出現(xiàn)成行排列的層錯。6.星形線（滑移線）外延層表面出現(xiàn)平行的或順110方向伸展的線條，高低不平肉眼可見。鉻酸腐蝕液腐蝕后在線的一側出現(xiàn)位錯排。起因：與硅片在加熱過程中受到的熱應力有關，采用襯底邊緣倒角的辦法來消除。46 劃痕：由機械損傷引起劃痕：由機械損傷引起 星形線（滑移線）：星形線（滑移線）：47 5-4-2 外延層的內部缺陷1.層錯硅外延生長時，外延層常常含有大量的層錯。外延層層錯形貌分為單線、開口、正三角形、套疊三角形和其他組態(tài)。48 大多數(shù)層錯核產(chǎn)生在襯底-外延層交界處； 沿（111）面?zhèn)鞑ィ㈦S外延層的

18、長厚而增大。如（111）面外延層錯的邊長為 l，由幾何學關系，可求出外延層的厚lld816. 03249消除層錯的辦法：（1）仔細制備襯底，無滑痕、亮點、表面清潔光亮，反應系統(tǒng)要嚴格清洗，密封不漏氣。（2）外延前用HCl，Br2等進行氣相拋光，除去襯底表面殘留的損傷層。（3）襯底外延前熱處理。外延前1210，H2氣氛處理15min，可使層錯密度由105cm-2下降到102cm-2。外延后，450處理，層錯開始消除；600以上處理幾分鐘可以消除70%90%的層錯。502.位錯 處理好的襯底上用正常方法生長的外延層中，位錯密度大致與襯底的位錯密度相近或稍少一些。 基座上溫度分布不好，片子直徑又大，

19、片子內將形成一個溫度梯度，產(chǎn)生的位錯密度為 rTbaDNa：熱膨脹系數(shù)，b：Si的特征柏氏矢量。 51 摻雜或異質外延時引入位錯。異類原子間原子半徑的差異或兩種材料晶格參數(shù)差異引入內應力。如：Si中B、P等原子共價半徑比Si小，它們占據(jù)Si位置時，Si的點陣會收縮；Al、Sb、Sn的共價半徑比Si大，它們代替Si后會使硅點陣擴張。摻B的硅襯底上生長摻P的硅外延層時，晶格點陣的失配會使外延片呈現(xiàn)彎曲。當彎曲程度超過彈性范圍，為緩和內應力出現(xiàn)的位錯，稱失配位錯失配位錯。52 采用應力補償法消除位錯，即在外延或擴散時，同時引入兩種雜質。如P和Sn，它們因半徑不同而產(chǎn)生的應變正好相反。雙雜質技術：使用

20、雙摻雜源，濃度合適時，片子基本上不彎曲，消除失配位錯的產(chǎn)生。53 5-4-3 微缺陷微缺陷：硅外延層經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后呈現(xiàn)淺三角坑或丘狀物的缺陷，宏觀看是一種“霧狀”或“漬狀”。起因：多種雜質沾污引起，F(xiàn)e、Ni等影響最大。Fe的濃度達到1015cm-3時，明顯地產(chǎn)生這種云霧狀缺陷。消除方法：工藝中注意基座及工具的清潔處理，應用“吸雜技術”。54“吸雜技術”：將襯底背面打毛或用離子注入造成損傷，或生長Si3N4、高缺陷密度的單晶層，多晶層等。高缺陷層中的位錯與雜質作用形成柯垂耳氣團，吸收有害雜質。55 5-5 硅的異質外延除了在硅襯底上進行硅的同質外延外，發(fā)展了在藍寶石、尖晶石襯底上進行硅的“

21、SOS”外延生長和在絕緣襯底上進行硅的“SOI”異質外延技術。5-5-1 SOS（Silicon On Sapphire or Spinel）技術 1.襯底材料的選擇 外延層與襯底材料之間的相容性。晶體結構、熔點、蒸氣壓、熱膨脹系數(shù)等對外延層的質量影響很大；56 硅外延的異質襯底最合適材料是藍寶石和尖晶石。尖晶石上Si外延層的性質強烈依賴于襯底組分，組分因制備方法和工藝條件不同而異。藍寶石的熱導率高，制備工藝成熟，工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用藍寶石做硅外延襯底。572.SOS外延生長SOS外延生長時，自摻雜效應比較嚴重。外延生長時，襯底表面的反應： Al2O3（s）+2HCl（g）+2H2（g）=2Al

22、Cl（g）+3H2O（g）低價鋁的氯化物對襯底有腐蝕，導致外延層產(chǎn)生缺陷。58H2和淀積的硅也會腐蝕襯底，反應為：2H2（g）+Al2O3（s）=Al2O（g）+2H2O（g）5Si（s）+2Al2O3（s）=Al2O（g）+5SiO（g）+2Al（s） 襯底表面未被Si完全覆蓋之前，腐蝕反應都在進行； 襯底表面被覆蓋之后，腐蝕反應還會在襯底背面發(fā)生； 襯底表面被腐蝕，會增加外延層的缺陷，甚至局部長成多晶； SiCl4對襯底腐蝕大于SiH4，采用SiH4熱分解法有利。59解決生長和腐蝕矛盾的方法：雙速率生長； 兩步外延。雙速率生長法：先用高的生長速率（12m/min），迅速將襯底表面覆蓋(10

23、0200nm)，再以低的生長速率（約0.3m/min）長到所需的厚度。兩步外延法：利用SiH4/H2和SiCl4/H2兩個體系的優(yōu)點。i)SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面；ii) SiCl4/H2體系生長到所需的厚度。605-5-2 SOI5-5-2 SOI技術技術 SOISOI技術是技術是IBMIBM公司公司首先開發(fā)成功的首先開發(fā)成功的芯片制造技術芯片制造技術 在在19981998年研制成功年研制成功， 于于20002000年正式應用于年正式應用于其其PowerPC RS64IVPowerPC RS64IV芯片上的芯片上的半導體制造技術半導體制造技術。 SOISOI硅絕緣技術是指在半導體的

24、絕緣層（如二氧化硅絕緣技術是指在半導體的絕緣層（如二氧化硅）上，通過特殊硅）上，通過特殊 工藝，再附著非常薄的一層硅，工藝，再附著非常薄的一層硅，在這層在這層SOISOI層之上再制造電子設備。層之上再制造電子設備。 此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提高數(shù)字電路的開關高數(shù)字電路的開關 速度。速度。SOISOI與與傳統(tǒng)的半導體生傳統(tǒng)的半導體生產(chǎn)工藝（一般稱為產(chǎn)工藝（一般稱為bulk CMOSbulk CMOS）相比）相比可使可使CPUCPU的性的性能提高性能能提高性能25%-35%25%-35%，降低功耗，降低功耗1.7-31.7-3倍倍。SOIS

25、OI：Silicon On Insulator Silicon On Insulator 絕緣體上的硅絕緣體上的硅61體硅CMOS技術62SOI(Silicon-On-Insulator: 絕緣襯底上的硅)技術63低壓低壓SOI器件器件體硅體硅SOI雙柵雙柵SOI64 SOI的的結構特點結構特點是在是在有源層和襯底層之間插入有源層和襯底層之間插入埋氧層埋氧層來隔斷二者的電連接。來隔斷二者的電連接。 SOI和體硅在電路結構上的主要差別在于：和體硅在電路結構上的主要差別在于：硅硅基器件或電路制作在外延層上基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底器件和襯底直直接產(chǎn)生電連接，高低壓單元之間、有源層和襯接

26、產(chǎn)生電連接，高低壓單元之間、有源層和襯底層之間的隔離底層之間的隔離通過反偏通過反偏PN結完成結完成，而，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓單元之間都通過電路的有源層、襯底、高低壓單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被完全消絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被完全消除。除。 65為其帶來了為其帶來了寄生效應小、速度快、功耗低、集成度寄生效應小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強高、抗輻射能力強等諸多優(yōu)點。等諸多優(yōu)點。SOISOI的結構特點的結構特點和和相同條件下的相同條件下的體硅電路相比，體硅電路相比，SOI電路的速度可提高電路的速度可提高25-35%，功耗可下降，功耗可下降2/36

27、6SOI技術的挑戰(zhàn)技術的挑戰(zhàn) 1、SOI材料是材料是SOI技術的基礎技術的基礎 SOI技術發(fā)展有賴于技術發(fā)展有賴于SOI材料的不斷進步，材料是材料的不斷進步，材料是SOI技術發(fā)展的主要障礙之一技術發(fā)展的主要障礙之一 這個障礙目前正被逐漸清除這個障礙目前正被逐漸清除 SOI材料制備材料制備目前最常用的方法：目前最常用的方法： SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN67 SDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合技術直接鍵合技術 SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧氧注入隔離注入隔離 Smart Cut智能切割智能切割

28、 ELTRAN (Epoxy Layer Transfer)外延層轉移外延層轉移68 SDB(Silicon Direct Bonding)直接鍵合技術直接鍵合技術，是采用鍵合技術形成是采用鍵合技術形成SOI結構的結構的核心技術之一。核心技術之一。1.SDB 將兩片硅片將兩片硅片通過通過表面的表面的SiO2層鍵合在一起層鍵合在一起,再把背再把背面用腐蝕等方法減薄來獲得面用腐蝕等方法減薄來獲得SOI結構結構69 當兩個平坦的具有當兩個平坦的具有親水性親水性表面的硅片（如被氧化表面的硅片（如被氧化的硅片）相對放置在一起時，即使在室溫下亦回自的硅片）相對放置在一起時，即使在室溫下亦回自然的發(fā)生鍵合。

29、然的發(fā)生鍵合。親水性是指材料表面與水分子之間有較強的親和力親水性是指材料表面與水分子之間有較強的親和力. .通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤濕通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤濕通常認為，鍵合是由吸附在兩個硅片表面上的通常認為，鍵合是由吸附在兩個硅片表面上的OH-OH-在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在在室溫下室溫下實現(xiàn)的實現(xiàn)的鍵合鍵合通常通常不牢固不牢固，所以，所以鍵合鍵合后還要進行退火后還要進行退火，鍵合的強度隨退火溫度的，鍵合的強度隨退火溫度的升高而增加。升高而增加。 鍵合后采用機械研磨或化學拋光的方鍵合后采用機械研磨或化學拋光的方法，將器件層的硅片

30、減薄到預定厚度。法，將器件層的硅片減薄到預定厚度。 70n鍵合鍵合(Bonded)技術優(yōu)缺點：技術優(yōu)缺點：n硅膜質量高硅膜質量高n埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調整埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調整n適合于大功率器件及適合于大功率器件及MEMS技術技術n硅膜減薄一直是制約該技術發(fā)展的重要硅膜減薄一直是制約該技術發(fā)展的重要障礙障礙n鍵合要用兩片體硅片制成一片鍵合要用兩片體硅片制成一片SOI襯底，襯底，成本至少是體硅的兩倍成本至少是體硅的兩倍7172SDB73SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔氧注入隔離，離，是通過是通過氧離子注入到硅片氧離子注入到硅片，

31、再，再經(jīng)高溫退火經(jīng)高溫退火過程過程消消除注入缺陷而成除注入缺陷而成. .2.SIMOX 74O2O275 采用采用SIMOX技術制備的技術制備的硅膜均勻性較好，調整氧離子注硅膜均勻性較好，調整氧離子注入劑量可使厚度控制在入劑量可使厚度控制在50400nm的范圍。的范圍。但由于需要昂貴但由于需要昂貴的高能大束流離子注入機，還要經(jīng)過高溫退火過程，所以制備的高能大束流離子注入機，還要經(jīng)過高溫退火過程，所以制備成本很高，價格非常貴。成本很高，價格非常貴。 采用采用SIMOX技術制備的技術制備的頂層頂層硅膜通常較薄硅膜通常較薄，為此，人們采，為此，人們采用在用在SIMOX基片上外延的方法來獲得較厚的頂層

32、硅基片上外延的方法來獲得較厚的頂層硅，即所謂的，即所謂的ESIMOX（Epoxy SIMOX）技術）技術。但是厚外延將在硅膜中引。但是厚外延將在硅膜中引起較多的缺陷，因此起較多的缺陷，因此SIMOX技術通常用于制備薄硅膜、薄埋氧技術通常用于制備薄硅膜、薄埋氧層的層的SOI材料。材料。 7677各層性能各層性能2020世紀世紀9090年代年代今后今后上層上層SiSi的均勻性的均勻性/ /埃埃1001002525SiOSiO2 2埋層厚度埋層厚度/um/um0.30.50.30.50.050.50.050.5SiOSiO2 2埋層的均勻性埋層的均勻性3%3%1%1%平均缺陷密度平均缺陷密度/cm/

33、cm-2-210105 510104 410103 310102 2樣品表面的粒子數(shù)樣品表面的粒子數(shù)注入后注入后/cm/cm-2-2( (粒子大小粒子大小) )0.750.750.0160.016退火后退火后/cm/cm-2-2( (粒子大小粒子大小) )0.0160.0160.0160.016SIMOXSIMOX材料現(xiàn)在的水平和今后的需要材料現(xiàn)在的水平和今后的需要78nSIMOXSIMOX材料：材料：n最新趨勢是采用最新趨勢是采用較小的氧注入劑量較小的氧注入劑量n顯著改善頂部硅層的質量顯著改善頂部硅層的質量n降低降低SIMOXSIMOX材料的成本材料的成本n低注入劑量低注入劑量( 4( 4

34、10101717/cm/cm2 2) )的埋氧厚度?。旱穆裱鹾穸缺。?0080010001000n退 火 溫 度 高 于退 火 溫 度 高 于 1 3 0 0 1 3 0 0 ， 制 備 大 面 積， 制 備 大 面 積( ( 300mm)SIMOX300mm)SIMOX材料困難材料困難79 Smart CutSmart Cut智能切割智能切割兼具有兼具有SDBSDB和和SIMOXSIMOX的特點，的特點，工藝流程包括工藝流程包括熱氧化、注氫、熱氧化、注氫、低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光等。這種等。這種方法制得的方法制得的硅片頂部硅膜的均勻性相當好，硅片頂部硅膜的

35、均勻性相當好，單片厚度偏差和片間偏差可控制在單片厚度偏差和片間偏差可控制在10nm10nm以內，以內，另外另外生產(chǎn)成本也可降低生產(chǎn)成本也可降低，因為不需要昂貴的，因為不需要昂貴的專用大束流離子注入機和長時間的高溫退火，專用大束流離子注入機和長時間的高溫退火，所以這是一種極有前途的所以這是一種極有前途的SOISOI制備技術。特制備技術。特別別適用于制備薄硅膜、厚埋氧層材料。適用于制備薄硅膜、厚埋氧層材料。 3.Smart Cut8081nSmart-Cut技術是一種智能剝離技術n將離子注入技術和硅片鍵合技術結合在將離子注入技術和硅片鍵合技術結合在一起一起n解決了鍵合解決了鍵合SOI中硅膜減薄問題

36、，可以中硅膜減薄問題，可以獲得均勻性很好的頂層硅膜獲得均勻性很好的頂層硅膜n硅膜質量接近體硅。硅膜質量接近體硅。n剝離后的硅片可以作為下次鍵合的襯底，剝離后的硅片可以作為下次鍵合的襯底，降低成本降低成本82H2H283Smart Cut84Smart Cut85Smart Cut86 ELTRANELTRAN技術技術(Epoxy Layer TransferEpoxy Layer Transfer)外外延層轉移延層轉移，獨特之處在于獨特之處在于在多孔硅表面上在多孔硅表面上可可生長平整的外延層生長平整的外延層，并能以合理的速率，并能以合理的速率將多將多孔硅區(qū)域徹底刻蝕掉孔硅區(qū)域徹底刻蝕掉 ，該技術保留了外延層，該技術保留了外延層所具有的原子平整性，在晶體形成過程中也所具有的原子平整性，在晶體形成過程中也不產(chǎn)生顆粒堆積或凹坑，因此具有比其它不產(chǎn)生顆粒堆積或凹坑，因此具有比其它SOISOI技術更為優(yōu)越的性能。技術更為優(yōu)越的性能。 4.ELTRAN8788ELTRAN89ELTRAN9091以上以上4 4種制備種制備SOISOI材料的方法各有所長，用戶可以根據(jù)不同的材材料的方法各有所長，用戶可以根據(jù)不同的材料要求，選擇不同的制備方法。料要求，選擇不同的制備方法。SDBSDB法法通常用于制取通常用于制取厚