絕緣體上矽技術的外延
04 Aug 2022
就目前而言，我們看到CMOS技術是微電子工業的驅動技術，而在體矽襯底上製造集成電路的傳統方法已經出現了諸如不需要的寄生效應、閂鎖和難以製造淺結等問題。近年來，絕緣體上矽的出現已被證明在許多方面都優於其大容量同類產品，其優點包括沒有閂鎖、減少寄生源極和漏極電容、易於製作淺結、輻射硬度，在高溫下工作的能力，改進的跨導和更尖銳的亞閾值斜率。有幾種方法可用於創建 SOI 晶圓，我們在這裡討論兩種特定技術。第一的，我們試圖通過超薄矽 (UTSi) 工藝來說明異質外延技術，其中形成了高質量的藍寶石上矽 (SOS) 材料。接下來，我們研究一種稱為外延橫向過度生長 (ELO) 技術的同質外延技術，該技術旨在在絕緣體上橫向生長同質晶體。
超薄矽 (UTSi) 工藝
藍寶石上矽 (SOS) 材料於 1964 年首次推出。SOS 因其高速和低功率潛力而獲得認可。使用藍寶石晶體的 Czochralski 生長和隨後在外延反應器中沉積矽膜已被證明是低效的，因為由於晶格失配導致缺陷密度高，Si-藍寶石界面附近的缺陷密度達到平面缺陷/cm 和線缺陷/cm。這導致界面附近的低電阻率、遷移率和壽命。由於不同的熱膨脹係數，沉積的矽膜在室溫下也處於壓縮應力下，這可能會通過諸如微孿晶、堆垛層錯和位錯等晶體缺陷導致膜鬆弛。這種後果是不希望的。
因此，這些原因主張需要更好的異質外延技術，其中 UTSi 工藝是這樣一種潛在的候選者。UTSi 過程涉及的步驟如下： 參見圖 1。
步驟 1：在藍寶石上生長一層相對較厚的矽膜。矽烷 (SiH4) 通常用作 SOS 生長的矽源。它在載氣氫氣 SiH4 --> Si + 2H2 中的熱解反應導致在藍寶石襯底上沉積矽層。沉積溫度通常保持在 1050 攝氏度以下，以防止鋁從藍寶石襯底自動沉積到矽層。所需的矽取向是 ，這已在各種藍寶石取向上實現 。
步驟 2：在矽膜中註入Si，使矽膜的底部2/3非晶化，除了薄的表面層，原始缺陷密度最低。
步驟 3：然後使用低溫熱退火步驟來誘導非晶化矽的固相再生長，使用頂部矽層作為種子。
步驟 4：然後通過熱氧化將矽膜減薄到所需的厚度，然後對 SiO 進行 HF 剝離。剩下的是藍寶石上矽 (SOS) 的最終產品。
已經證明，UTSi 工藝能夠提供相對無缺陷和無應力的 SOS 材料，其中可以製造具有高有效遷移率的器件。
UTSi 工藝的一種應用見於 UTSi CMOS 晶體管。從圖 2 中可以看出，由於採用了絕緣藍寶石襯底，因此不需要深注入和保護區域，因此製造過程要簡單得多，並且由於器件現在放置在上面，因此消除了諸如漏電流、閂鎖和 RF 寄生效應等不良影響。絕緣層。CMOS 工藝的性能通過多達兩代工藝幾何尺寸的縮減而得到增強。在絕緣藍寶石上的超薄矽層中形成 CMOS 晶體管的優點包括：
* 消除基板電容，從而以更低的功率實現更高的速度，並避免電壓相關的電容失真
* 完全耗盡運行，提高線性度、速度和低電壓性能
* 出色的隔離性，允許集成多種射頻功能而不會產生串擾
所生產的 UTSi 電路與標準體 CMOS、SiGe 和 GaAs 電路相比，以更高的頻率和數據速率與更低的功耗在快速擴展的無線和光纖市場中競爭，同時仍使用標準的 CMOS 設備和處理。
外延橫向過度生長 (ELO) 技術
這種技術允許矽上的矽同質外延生長，重點放在在絕緣體上橫向生長晶體。在 ELO 中，我們可以在大氣或減壓外延反應器中執行此操作。該技術包括從 SiO 島或用絕緣體覆蓋的器件上的種子窗口外延生長矽。
ELO 技術涉及的步驟如下：
步驟 1：在(100)矽片上生長一層氧化層。接下來，在氧化物上進行圖案化以劃分窗口。窗口的邊緣沿方向定向。
步驟 2：進行晶片的清洗
步驟 3：將晶圓裝入外延反應器並進行高溫氫烘烤，以去除晶種窗口中的原生氧化物。
步驟 4：接下來進行外延生長，使用例如：SiHCl +H+ HCL氣體混合物。
步驟 5：應用原位 HCl 蝕刻步驟，去除在外延生長過程中由於隨機取向的小矽晶體成核而可能在氧化物上形成的任何微晶。
步驟 6：一旦小核被去除，執行新的外延生長步驟，然後是蝕刻步驟，重複此過程直到氧化物被外延矽覆蓋。
需要注意的一點是，外延生長是從晶種窗口垂直和橫向進行的，而矽晶體受晶面和晶面的限制。當從氧化物的相對側播種的兩個生長前沿連接在一起時，形成了連續的絕緣體上矽膜，其中包含兩個生長前沿相交的低角度亞晶界。在 SOI 區域的中心觀察到一個凹槽。當更多的增長完成時，這個凹槽就會消失。
儘管這是一種實現同質外延生長的簡單技術，但主要缺點是橫向與縱向的生長比接近 1:1。另一方面，厚厚的ELO薄膜使設計工程師只需根據需要將晶圓拋光到所需的深度，即可輕鬆獲得不同厚度的SOI薄膜。此外，實施 ELO-SOI 所需的低缺陷密度和低熱預算被認為優於其他技術，例如 SIMOX（注入氧分離）或其他用於亞微米器件的 SOI 工藝。
已經在三維和雙柵極器件中看到了這種技術的應用。
在“隧道外延”、“受限橫向選擇性外延”（CLSEG）或“圖案約束外延”（PACE）中見證了 ELO 技術的變化，從而創建了 SiO2“隧道”，迫使外延矽改為橫向傳播的垂直。實際上，已經獲得了 7:1 的橫向與縱向增長比，這比原始方法更有效。
超薄矽 (UTSi) 工藝
藍寶石上矽 (SOS) 材料於 1964 年首次推出。SOS 因其高速和低功率潛力而獲得認可。使用藍寶石晶體的 Czochralski 生長和隨後在外延反應器中沉積矽膜已被證明是低效的，因為由於晶格失配導致缺陷密度高，Si-藍寶石界面附近的缺陷密度達到平面缺陷/cm 和線缺陷/cm。這導致界面附近的低電阻率、遷移率和壽命。由於不同的熱膨脹係數，沉積的矽膜在室溫下也處於壓縮應力下，這可能會通過諸如微孿晶、堆垛層錯和位錯等晶體缺陷導致膜鬆弛。這種後果是不希望的。
因此，這些原因主張需要更好的異質外延技術，其中 UTSi 工藝是這樣一種潛在的候選者。UTSi 過程涉及的步驟如下： 參見圖 1。
步驟 1：在藍寶石上生長一層相對較厚的矽膜。矽烷 (SiH4) 通常用作 SOS 生長的矽源。它在載氣氫氣 SiH4 --> Si + 2H2 中的熱解反應導致在藍寶石襯底上沉積矽層。沉積溫度通常保持在 1050 攝氏度以下，以防止鋁從藍寶石襯底自動沉積到矽層。所需的矽取向是 ，這已在各種藍寶石取向上實現 。
步驟 2：在矽膜中註入Si，使矽膜的底部2/3非晶化，除了薄的表面層，原始缺陷密度最低。
步驟 3：然後使用低溫熱退火步驟來誘導非晶化矽的固相再生長，使用頂部矽層作為種子。
步驟 4：然後通過熱氧化將矽膜減薄到所需的厚度，然後對 SiO 進行 HF 剝離。剩下的是藍寶石上矽 (SOS) 的最終產品。
已經證明，UTSi 工藝能夠提供相對無缺陷和無應力的 SOS 材料，其中可以製造具有高有效遷移率的器件。
UTSi 工藝的一種應用見於 UTSi CMOS 晶體管。從圖 2 中可以看出，由於採用了絕緣藍寶石襯底，因此不需要深注入和保護區域，因此製造過程要簡單得多，並且由於器件現在放置在上面，因此消除了諸如漏電流、閂鎖和 RF 寄生效應等不良影響。絕緣層。CMOS 工藝的性能通過多達兩代工藝幾何尺寸的縮減而得到增強。在絕緣藍寶石上的超薄矽層中形成 CMOS 晶體管的優點包括：
* 消除基板電容，從而以更低的功率實現更高的速度，並避免電壓相關的電容失真
* 完全耗盡運行，提高線性度、速度和低電壓性能
* 出色的隔離性，允許集成多種射頻功能而不會產生串擾
所生產的 UTSi 電路與標準體 CMOS、SiGe 和 GaAs 電路相比，以更高的頻率和數據速率與更低的功耗在快速擴展的無線和光纖市場中競爭，同時仍使用標準的 CMOS 設備和處理。
外延橫向過度生長 (ELO) 技術
這種技術允許矽上的矽同質外延生長，重點放在在絕緣體上橫向生長晶體。在 ELO 中，我們可以在大氣或減壓外延反應器中執行此操作。該技術包括從 SiO 島或用絕緣體覆蓋的器件上的種子窗口外延生長矽。
ELO 技術涉及的步驟如下：
步驟 1：在(100)矽片上生長一層氧化層。接下來，在氧化物上進行圖案化以劃分窗口。窗口的邊緣沿方向定向。
步驟 2：進行晶片的清洗
步驟 3：將晶圓裝入外延反應器並進行高溫氫烘烤，以去除晶種窗口中的原生氧化物。
步驟 4：接下來進行外延生長，使用例如：SiHCl +H+ HCL氣體混合物。
步驟 5：應用原位 HCl 蝕刻步驟，去除在外延生長過程中由於隨機取向的小矽晶體成核而可能在氧化物上形成的任何微晶。
步驟 6：一旦小核被去除，執行新的外延生長步驟，然後是蝕刻步驟，重複此過程直到氧化物被外延矽覆蓋。
需要注意的一點是，外延生長是從晶種窗口垂直和橫向進行的，而矽晶體受晶面和晶面的限制。當從氧化物的相對側播種的兩個生長前沿連接在一起時，形成了連續的絕緣體上矽膜，其中包含兩個生長前沿相交的低角度亞晶界。在 SOI 區域的中心觀察到一個凹槽。當更多的增長完成時，這個凹槽就會消失。
儘管這是一種實現同質外延生長的簡單技術，但主要缺點是橫向與縱向的生長比接近 1:1。另一方面，厚厚的ELO薄膜使設計工程師只需根據需要將晶圓拋光到所需的深度，即可輕鬆獲得不同厚度的SOI薄膜。此外，實施 ELO-SOI 所需的低缺陷密度和低熱預算被認為優於其他技術，例如 SIMOX（注入氧分離）或其他用於亞微米器件的 SOI 工藝。
已經在三維和雙柵極器件中看到了這種技術的應用。
在“隧道外延”、“受限橫向選擇性外延”（CLSEG）或“圖案約束外延”（PACE）中見證了 ELO 技術的變化，從而創建了 SiO2“隧道”，迫使外延矽改為橫向傳播的垂直。實際上，已經獲得了 7:1 的橫向與縱向增長比，這比原始方法更有效。