硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应因此直拉硅单晶比区熔硅课件.ppt

1、1234外延的分类按制备方法分按反应室分类按材料异同分按外延温度分按反应压力分按掺杂浓度和导电类型分按外延厚度和结构分按外延生长方法5气相外延（VPE）液相外延（LPE）固相外延（SPE）分子束外延（MBE)金属有机物化学气相淀积（MOCVD）按制备方法分6汽相外延方式常用来生长汽相外延方式常用来生长Si外延材料、外延材料、GaAs外延材料等外延材料等 7将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触，处于熔点温度下缓慢降温而析出固相，沿衬底向上逐步转化为外延层。液相外延主要用于生长制造光电器件所需的化合物外延功能薄层材料 液相外延液相外延89广泛地用于获得广泛地用于获得超薄层异质结超薄层异质结外延功

2、能材料，外延功能材料，特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。10n金属有机化合物化学汽相沉淀(MOCVD)方式是采用处于液相状态的金属（、族）有机化合物同汽态的氢化物（V、族）作为沉积源原材料，以热分解反应的方式在衬底沉积、淀积形成外延薄层的一种方法。MOCVD方式可以获得-V族、-族化合物晶层及它们的多元超薄单晶层 11按反应室分类卧式立式桶式12131415按材料异同分16按外延温度分17按反应压力分18按掺杂浓度按掺杂浓度n正外延：重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层n反外延：轻掺杂衬底上生长重掺杂外延层按导电类型按导电类型nN型外延：n/n外延，n

3、/p外延nP型外延：p/n外延，p/p外延19按外延厚度和结构分20按外延生长方法：按外延生长方法：直接外延直接外延间接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面面上完成外延生长上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等如真空淀积，溅射，升华等是利用是利用化学反应在衬底表面上沉积生长化学反应在衬底表面上沉积生长外外延层，延层，广义上称为化学气相淀积广义上称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）2122nThe process o

4、f Silicon Epitaxy is essentially a CVD*process used for depositing thin films of single-crystal silicon on single crystal silicon substrate and it is used extensively in the microelectronic and semiconductor industries.The requirements of the industry from this process are highly demanding,i.e.,epit

5、axial silicon films must have an excellent thickness uniformity and excellent quality(minimum defects in the epitaxial layer).23对外延片的质量要求对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。其均匀性、位错和层错密度等。按照反应类型按照反应类型可分为可分为氢气还原法氢气还原法和和直接热分解法。直接热分解法。氢还原法氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。外延生长。直接热分

6、解法直接热分解法，利用热分解得到，利用热分解得到Si。2425生长过程生长过程2627外外 延延 硅硅 生生 长长 速速 率率 和和哪哪 些些 因因 素素 有有 关关 系系反应剂浓度反应剂浓度反应温度反应温度气流速度气流速度衬底晶向衬底晶向281.SiCl4浓度对生长速率的影响浓度对生长速率的影响29随着浓度增加随着浓度增加,生长速率先增大后减小生长速率先增大后减小.302.温度对生长速率的影响31生长过程生长过程：32333.气流速度对生长速率的影响气流速度对生长速率的影响n生长速率生长速率与总氢气与总氢气流速的平方根成正比流速的平方根成正比344.衬底晶向的影响衬底晶向的影响n生长速率生长

7、速率 35nEpitaxy:Purposen for bipolar transistornReduce collector resistance while keep high breakdown voltage.n Improve device performance for CMOS and DRAM because much lower oxygen,carbon concentration than the wafer crystal.36n硅中硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔硅单晶的氧含量要高得因此直拉硅单晶比区熔硅单晶

8、的氧含量要高得多多 n表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效 n硅中硅中碳主要来源于多晶硅碳主要来源于多晶硅。此外，直拉单晶炉。此外，直拉单晶炉中的石墨加热器和真空系统的密封材料的易挥中的石墨加热器和真空系统的密封材料的易挥发的碳化物等都能造成硅中的碳玷污。发的碳化物等都能造成硅中的碳玷污。n硅中高的碳含量将大大降低器件中的击穿电压，硅中高的碳含量将大大降低器件中的击穿电压，并使开态电压和关闭时间的乘积增加，这对功并使开态电压和关闭时间的乘积增加，这对功率器件尤为严重。率器件尤为严重。373839重点重点n外延的定义n外延按制备方法，材料异同，掺杂浓度和导电类

9、型的分类n硅气相外延方法的方法40硅的异质外延硅的异质外延-SOI-SOInSOI：Silicon-On-Insulatorn绝缘衬底上的硅SiSiSiO241器件尺寸缩小带来一系列问题n器件尺寸的缩小q各种多维及非线性效应：表面能级量子化效应、隧穿效应、短沟道效应、窄沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、亚阈值电导效应、速度饱和效应、速度过冲效应q严重影响了器件性能n器件隔离区所占芯片面积相对增大q寄生电容增加q影响集成度及速度的提高42克服上述效应，采取的措施n槽隔离技术n硅化物n高k介质n需开发新型硅材料及探索新型高性能器件和电路结构，充分发挥硅集成技术的潜力：43SOI技术的特点

10、44体硅体硅CMOS技术技术45SOI技术技术:绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅46SOI技术的特点n速度高：q迁移率高：器件纵向电场小，且反型层较厚，表面散射作用降低q跨导大q寄生电容小：寄生电容主要来自隐埋二氧化硅层电容，远小于体硅MOSFET中的电容，不随器件按比例缩小而改变，SOI的结电容和连线电容都很小4748SOI技术的特点n功耗低：q静态功耗：Ps=ILVddq动态功耗：PA=CfVdd2n集成密度高：qSOI电路采用介质隔离，它不需要体硅CMOS电路的场氧化及井等结构，器件最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大幅度提高49SOI技术的特点n成本低：qSOI技术除原始材料

11、比体硅材料价格高之外，其它成本均少于体硅qCMOS/SOI电路的制造工艺比典型体硅工艺至少少用三块掩膜版，减少1320的工序q使相同电路的芯片面积可降低1.8倍，浪费面积减少30以上q美国SEMATECH的研究人员预测CMOS/SOI电路的性能价格比是相应体硅电路的2.6倍50SOI技术的特点n 特别适合于小尺寸器件：q短沟道效应较小q不存在体硅CMOS电路的金属穿通问题，自然形成浅结q泄漏电流较小51SOI技术的特点n特别适合于低压低功耗电路：q在体硅CMOS集成电路中，由于体效应的作用，降低电源电压会使结电容增加和驱动电流减小，导致电路速度迅速下降q对于CMOS/SOI集成电路，这两个效应

12、都很小，CMOS/SOI电路与相应体硅电路相比具有更高的速度和更小的功耗52SOI技术的挑战53SOI技术的挑战n1、SOI材料是SOI技术的基础qSOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术发展的主要障碍之一q这个障碍目前正被逐渐清除qSOI材料制备的两个主流技术SIMOX和BOUNDED SOI最近都有了重大进展54SOI技术的挑战nSIMOX材料：q最新趋势是采用较小的氧注入剂量n显著改善顶部硅层的质量n降低SIMOX材料的成本n低注入剂量(41017/cm2)的埋氧厚度薄：8001000n退 火 温 度 高 于 1 3 0 0 ，制 备 大 面 积(300mm)SIMOX

13、材料困难55SOI技术的挑战n键合(Bonded)技术：q硅膜质量高q埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整q适合于功率器件及MEMS技术q硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍q键合要用两片体硅片制成一片SOI衬底，成本至少是体硅的两倍56SOI技术的挑战nSmart-Cut技术是一种智能剥离技术q将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起q解决了键合SOI中硅膜减薄问题，可以获得均匀性很好的顶层硅膜q硅膜质量接近体硅。q剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底，降低成本57SOI技术的挑战nSOI材料质量近几年有了惊人进步n生产能力和成本成为关键问题nSmart-Cut技术和低剂量SIMOX技术是两个最有竞

14、争力的技术5859SOI技术的挑战n2、浮体效应是影响SOI技术广泛应用的另一原因q对SOI器件的浮体效应没有一个清楚的认识q如何克服浮体效应导致的阈值电压浮动、记忆效应、迟滞效应等对实际电路的影响，还不很清楚q浮体效应可以导致数字电路的逻辑失真和功耗的增大60SOI技术的挑战n抑制浮体效应qAr注入增加体/源结漏电qLBBC结构q在源区开一个P区通道q肖特基体接触技术q场屏蔽隔离技术q这些技术都存在各种各样的自身缺陷，不能被广泛接受61SOI技术的挑战n全耗尽SOI MOSFET可以抑制浮体效应，并有良好的亚阈特性和短沟效应q控制超薄FD SOI MOSFET的阈值电压比较困难q阈值电压与硅

15、膜厚度的关系极为敏感q较大的寄生源漏电阻等62SOI技术的挑战nSOI器件与电路的EDA技术发展缓慢，已经成为影响SOI技术广泛应用的一个重要原因q体硅的EDA工具已经非常完善qSOI的EDA工具相对滞后：SOI器件是一个五端器件，建立SOI器件、电路模型要比体硅器件复杂得多63SOI技术的挑战n3、体硅技术迅速发展和巨大成功抑制了人们投入SOI技术研究的热情q工业界不愿花时间和金钱在SOI工艺的优化上，使SOI技术的优越性不能得以充分发挥q现在形势正在发生微妙变化，手提电脑、手提电话迅速兴起，促发了人们对低压、低功耗及超高速电路的需求，体硅CMOS电路在这些方面有难以逾越的障碍qSOI技术发展的新机遇