SOI的简介及其制备技术

题目(中) SOI的简介及其制备技术
(英) The introduction and preparation technology SOI
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SOI的简介及其制备技术
[摘要]
SOI材料被誉为“二十一世纪硅集成电路技术”的基础，他可以消除或者减轻体硅中的体效应、寄生效应以及小尺寸效应等，在超大规模集成电路、光电子等领域有广阔的应用前景。

介绍了主要隔离、智能隔离、硅片玻璃以及外延层转移等集中主要的制备SOI材料的方法以及近期相关的研究成果。

本文将以初学者为对象，简单地介绍SOI极其制备技术。

[关键词] SOI 硅材料多孔硅多晶硅键合技术
[正文]
SOI简介
SOI，全称：Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，也称为绝缘体上的硅。

SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，是一种具有独特的“Si／绝缘层／Si”三层结构的新型硅基半导体材料。

它通过绝缘埋层（通常）实现了器件和衬底的全介质隔离。

为SiO
2
下面就SOI的发展、优点、分类以及发展前景进行简单介绍。

虽然SOI技术出现了很久，但是取得突破性进展是在20世纪80年代后期。

以
SOI材料具有了体硅等其他硅材料所无法比拟的优点：
1）速度高----全耗尽SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点使SOI CMOS 具有极高的速度特性。

2）功耗低----全耗尽SOI器件漏电流小，静态功耗小；结电容与连线电容均很小，动态功耗小。

3）集成密度高----SOI采用介质隔离，不需要制备体硅CMOS电路的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅取决于光刻和刻蚀技术的限制。

4）成本低----SOI技术除了衬底材料成本高于硅材料外，其他成本均低于体硅。

SOI CMOS 的制造工艺比体硅至少少3块掩模板，减少13~20%的工序。

5）抗辐照特性好---全介质隔离结构，彻底消除体硅电路中的闩锁效应。

且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效，瞬时辐照和单粒子翻转能力。

SOI可以根据它的硅膜厚度分为两类：薄膜全耗尽结构（FD）和厚膜部分耗尽结构(PD)。

由于SOI的绝缘介质把硅隔开，所以厚膜SOI结构上的器件正、背界面的耗尽层之间不互相影响，在它们中间存在一中性体区，这一中性体区的存在使得硅体处于电学浮空状态，产生了两个明显的寄生效应：“翘曲效应”效应和晶体管效应。

如果将这一中性区接地，则厚膜器件工作特性便和体硅器件特性几乎完全相同。

而基于薄膜SOI结构的器件由于硅膜的全部耗尽完全消除“翘曲效应”，且这类器件具有低电场、高跨导、良好的短沟道特性和接近理想的亚阈值斜率等优点。

SOI技术适应范围很广，除了在集成电路中使用外，还被用于微光机电MEMS系统的制造，如3D反射镜阵列开关。

现在，科学家已经开始基于SOI技术的光通信器件、微机械、传感器和太阳能电池的研发。

东芝研发中心、Atmel 公司、NXP等著名电子材料研发公司已经着力SOI技术的研究和革新，SOI技术正在日新月异地发展中。

SOI的发展前景：
因为SOI材料相比于其他硅材料的巨大优点，以及技术进步和市场驱动日益推动着SOI材料的商品化，SOI材料正在以强盛的势头发展着。

随着国际信息产业的迅猛发展，作为半导体工业基础材料的硅材料工业，尤其是SOI材料工业也将随之强势发展。

有关专家预测，在2012年之后，硅材料无论在质量还是在数量上，以及在直径增大上，都将上一个新的台阶。

现在的电子产品使用SOI材料的趋势将会继续下去，并且SOI覆盖面将会越来越广，可以说，SOI有良好的发展前景。

SOI制备技术：
SOI技术的发展有赖于SOI材料的不断进步，而缺乏低成本、高质量的SOI 材料一直是制约SOI技术进入大规模工业生产的首要因素。

近年来，随着SOI 材料制备技术的成熟，制约SOI技术发展的材料问题正逐步被解决。

SOI材料的制备技术归根结底包括两种，即以离子注入为代表的注氧隔离技术(Speration —by—oxygen im—plantation，即SIMOX)和键合(Bond)技术。

键合技术包括传统的Bond and Etch back(BESOI)技术和法国SOITEC公司创始人之一M．Bmel
提出结合氢离子注入与键合的注氢智能剥离技术(Smart—cut)，但是由于后者的先进性以及其核心技术不仅仅是键合技术，往往人们会将其另外分类。

两者原理不同，注氧技术把薄硅层从体硅中隔离出来；而键合法则是把氧化后的硅片键合道衬底上然后减薄的技术。

注氧隔离技术：(SIMOX)
是发展最早的SOI圆片制备技术之一，曾经也是很有希望大规模应用的SOI 制备技术之一。

该技术受到美国=CA 公司的极力推崇，是迄今为止比较先进和最为成熟的6-= 制备技术
此方法有两个关键步骤：离子注入和高温退火。

在注入过程中，氧离子被注入圆片里，与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物。

然而注入对圆片造成相当大的损坏，而二氧化硅沉淀物的均匀性也不好。

随后进行的高温退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致。

这时圆片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性，界面陡峭均匀。

需要注意的是，用氧离子注入硅晶片，形成SOI结构，要求注入的氧离子剂量必须大于或等于临界剂量，不同的注入能量，有不同的临界剂量。

另外，SOI 结构中表面硅层厚度的控制在很大程度上将取决于注入能量的大小。

在注入剂量一定的情况下，能量越高，绝缘埋层离硅片表面的距离越深，表面硅层的厚度就越大。

工艺流程如下图：
SIMOX的缺点在于长时间大剂量的离子注入，以及后续的长时间超高温退火工艺，导致SIMOX材料质量和质量的稳定性以及成本方面难以得到有效的突破，这是目前SIMOX难以得到产业界的完全接受和大规模应用的根本原因。

SIMOX的技术难点在于颗粒的控制、埋层特别是低剂量超低剂量埋层的完整性、金属沾污、界面台的控制、界面和表面的粗糙度以及表层硅中的缺陷等，特别是质量的稳定性很难保证。

SIMOX技术技术十分成熟，源于其历史相当悠久。

下面是SIMOX技术历程：1966年：Watanabe和Tooi 首次报道了利用注入氧离子在硅片体内形成埋氧层的方法，注入能量/剂量分别为60keV/1.5x1018 cm-2
1978年：NTT的Izumi等利用150keV/1.2x1018 cm-2 O+注入硅中，1150度退
层。

并用5微米设计规则火2小时，得到表面下380nm处形成210nm厚的SiO
2
制备了19级CMOS环形振荡器。

1994年， NTT 提出内热氧化工艺（ITOX, Internal Thermal OXidation）；
1994年，Eaton-Sharp公司提出低能量低剂量SIMOX工艺；
1998年，IBM公司利用SOI技术研制出高速、低功耗、高可靠的微处理器芯。

、片。

键合技术：（BESOI）
通过在Si和SiO
2或SiO
2
和SiO
2
之间使用键合(Bond)技术，两个圆片能够紧
密键合在一起，并且在中间形成SiO
2
层充当绝缘层。

键合圆片在此圆片的一侧削薄到所要求的厚度后得以制成。

这个过程分三步来完成。

一、在室温的环境下使一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合；二、经过退火增强两个圆片的键合力度；三、通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直到所要求的厚度。

需要注意的是，要提高硅片的键合率，保证键合后的硅片中间无空隙，这就对Si片表面的清洁度、颗粒度以及微区粗糙度（要小于0.5nm）都有严格的要求；其次，要求对工作片表面化学腐蚀减薄量的精确控制。

以传统的BESOI为例，工艺流程如下：
键合技术经常用到腐蚀减薄工艺
通常采用两种基本的减薄技术：粗磨后化学机械抛光后粗磨后背面选择腐蚀研磨+抛光：粗磨迅速减薄硅片，化学机械抛光进一步精确减薄硅层。

由于缺乏有效的腐蚀终止控制技术，只能获得相当厚的顶部硅膜背面选择腐蚀技术：预粗磨之后采用有腐蚀终点指示的化学腐蚀方法，腐蚀终止是采用在上层硅片下表面建立杂质浓度梯度实现的。

如采用重掺衬底P+，在其上生长轻掺的N－或P－外延层，腐蚀剂选用具有较强择优腐蚀性的试剂。

第一阶段，羟基（OH－）之间的氢键键合
清水处理后的硅片表面有大量羟基基团,300 ℃以下，温度越高氢键强度越大，面积越大
第二阶段，硅氧键（Si-O-Si）取代氢键
该阶段约为400 ℃左右，反应过程中有水蒸气生成，则键合界面会出现空洞称为“本征空洞”
第三阶段，水蒸气进一步将硅氧化，本征空洞消失，生成的H扩散出体内。

该阶段温度为800~1100 ℃
键合技术的核心问题是表层硅厚度的均匀性控制问题，这是限制键合技术广泛推广的根本原因。

除此之外，键合的边缘控制、界面缺陷问题、翘曲度弯曲度的控制、滑移线控制、颗粒控制、崩边、界面沾污等问题也是限制产业化制备键合SOI的关键技术问题。

成品率和成本问题是键合产品被量产客户接受的核心商业问题。

智能剥离法：（Smart-Cut）
智能剥离法是将SIMOX技术和BESOI技术相结合的一种新技术，具有两者的优点而克服了他们的不足，是一种较为理想的SOI制备技术。

硅片键合是Smart-cut技术的关键，且难度最大。

因为硅片键合对原始硅片质量要求很高，要求硅片表面的不平整度（TIR）＜2~3μm；抛光片表面粗糙度＜5埃，一般国产抛光机较难达到这一要求。

与此同时，为了获得高质量无空间的键合界面，除了要求硅片表面保证有足够的机械加工精度外，还要求硅片表面清洁、无沾污，并具有较强的能吸附羟基团的亲水性。

因为对键合技术的要求如此严苛，有人将Smart-cut归类为键合技术。

另外，离子注入技术也是关键之一。

由于注入的氢在约300℃时就可能在硅片中形成微空腔层或使硅片表面出现气泡，因此需要采用低温硅片直接键合技术，键合时的温度不超过300℃。

由于在400℃左右时键合片就会剥离，所在要在低温下（＜400℃）增强键合强度。

因此Snart-cut SOI制备的又一关键技术在于低温键合技术以及采用合适的退火方法进行增强键合和顺利实现"智能剥离"。

试验曾采用积聚式缓慢退火剥离方法，在390℃温度下，成功地实现了缓慢的智能剥离。

智能剥离后所形成的SOI硅片需在1000℃N2气氛下再退火一小时，以增加键合强度，并使上层硅单晶性能得到恢复。

Smart-cut工艺流程（见下图）：
第一步：在室温的环境下使一圆片热氧化,并注入一定剂量H+；第二步：常温下与另一非氧化圆片键合；第三步：低温退火使注入氢离子形成气泡令硅片剥离，后高温退火增强两圆片的键合力度；第四步：硅片表面平坦化。

相比于前两种SOI制备技术，Smart-cut技术优点十分明显：
1）H+注入剂量为1016cm-2，比SIMOX低两个数量级，可采用普通的离子注入机完成。

2）埋氧层由热氧化形成，具有良好的Si/SiO
界面，同时氧化层质量较高。

2
3）剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。

因此，Smart-cut技术已成为SOI材料制备技术中最具竞争力、最具发展前途的一种技术。

自1995年开发该技术以来，已得到飞速发展，法国SOITEC公司已经能够提供Smart-cut技术制备的商用SOI硅片，并拥有其专利。

结语：
随着电子产品的普及，电子市场的日益扩张，硅材料作为市场最主要的半导体材料，发展强势；然而新的技术要求新的更加实用的产品，SOI技术及时解决了这一难题，随着SOI技术的日渐成熟和完善，SOI在将来必定日益精进，给人类的生活带来方便。

[参考文献]
1、《SOI薄膜（FD）器件模拟技术—深亚微米全耗尽SOIMOSFET阈值电压模型及新器件结构的研究》，许剑，中国知网2009年03期。

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10、《21世纪的硅材料——SOI》，苗文生，《甘肃科技》2004年07期。