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外延片(EPI)
藍寶石外延片

藍寶石襯底上矽外延技術
藍寶石襯底上矽技術本質(S0S)是一個異質外延的過程,即藍寶石晶圓上生長一層SI薄層(典型厚度小于0.6微米)S0S隸屬CMOS技術中絕緣體襯底上的矽外延技術(S0I)因爲與生俱來的耐輻射特性,S0S主要用于航天和軍事應用。通常情況下使用的是高純度人工栽培的藍寶石晶體。通常是由加熱分解矽烷,後使之沈澱于藍寶石襯底上得到矽。SOS的優勢在于其極好的電絕緣性可有效防止散電流造成的輻射擴散到附近元件。但S0S 商業化遙遙無期,因爲很難適用于在現代品體管的高密變應用。這是S0S過程中矽和藍寶石晶格之間的差異所引起的錯位、結對和堆垛缺陷形成的結果。此外,在最接近的界面的矽會受到來自襯底的鋁汙染。

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商品詳情
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矽的異質外延
       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。
藍寶石(a-Al2O3)和尖晶石(MgO·Al2O3)是良好的絕緣體,以它們爲襯底外延生長矽制作集成電路,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,增強抗輻射能力和降低功耗,還可以提高集成度和實現雙層布線,是大規模、超大規模集成電路的理想材料。

1.襯底材料的選擇

       在選擇異質外延襯底材料時,首先要考慮的是外延層與襯底材料之間的相容性。其中晶體結構、熔點、蒸氣壓、熱膨脹系數等對外延層的質量影響很大,其次還必須考慮襯底對外延層的沾汙問題。目前,作爲矽外延的異質襯底最合適的材料是藍寶石和尖晶石。表5-4列出了這兩種材料與矽的一些主要的物理性質,以供比較。
       從晶體結構來看,藍寶石是六方晶系,尖晶石是立方晶系,並且三個矽晶胞和兩個尖晶石晶胞相吻合,兩者沿(100方向計算的失配爲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隨Al2O3的含量增加而減小,結果失配增大另一方面,襯底和外延層的熱膨脹系數相近是得到優良異質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産生較大的應力,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定性。
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       從晶格匹配、熱匹配、減少自摻雜和電容效應等方面來考慮,尖晶石是比藍寶石更好的襯底材料。然而,尖晶石上矽外延層的性質強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于藍寶石襯底上的矽外延層,但由于再現性差,加上藍寶石的熱導率高,制備工藝比較成熟所以當前工業生産上廣泛使用藍寶石作矽外延襯底。

2.SOS外延生長

       SOS外延生長的設備和基本工藝過程與一般矽同質外延相同。襯底的切磨抛及清洗也大體相同,只是藍寶石比矽硬,磨、抛時間要長一些。
       SOS外延生長時,值得注意的是自摻雜效應比較嚴重,因爲在外延生長的條件下,襯底表面將發生如下反應:
Al2O3(s)+2HCl(g)+2H2(g)=2A1Cl(g)↑+3H20(g)
       低價鋁的氯化物是氣態,它使襯底被腐蝕,導致外延層産生缺陷。另外,H2和澱積的矽也會腐蝕襯底,其反應爲:
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,上述腐蝕反應都在進行。在襯底表面被覆蓋之後,這些腐蝕反應還會在襯底背面發生。造成A1O等沾汙。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。因爲SiCl4對襯底的腐蝕大于SiH4,所以SOS外延生長,采用SiH4熱分解法更爲有利。
       爲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)。然後,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SiCl4H2兩個體系的優點。即第一步用SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面,然後第二步再用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械損傷以及生長組分和襯底之間的腐蝕作用晶格失配、價鍵不當、應變效應等因素,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,它們起複合、散射和俘獲中心的作用使載流子濃度、遷移率和少數載流子壽命下降,因此SOS外延層的質量趕不上同質外延層,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,今後,提高SOS外延層的晶體完整性,降低自摻雜,使其性能接近同質矽外延層的水平並且有良好的熱穩定性,是SOS技術發展的重要課題。
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