SOI及其制备工艺
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3
典型1mm CMOS工艺条件下体硅和 SOI器件的寄生电容(pF/mm2)
电容类型 SOI(SIMOX) 1.3 0.05 0.04 体 硅 电容比(体硅/SOI) 1 4～7 2.5
栅
1.3 0.2～0.35 0.1
结与衬底
多晶硅与衬底
金属1与衬底 金属2与衬底
0.027 0.018
0.05 0.021
埋氧层由热氧化形成，具有良好的Si/SiO2界面，同时氧化层质量较高。 剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。
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
14
对顶层膜及其厚度均匀性难以精确控制，适用于制造厚膜SOI材料。
10
Leabharlann Baidu
Smart-cut
4.1 Smart-cut工艺流程： 结合了离子注入和键合的双重优势。 第一步是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。
SIMOX 需要高温离子注入和长时间高温离子退火，难以控制颗粒，低剂量乃至 超低剂量注入难以得到完整的埋层，氧离子注入容易形成重金属污染，不易得到 陡峭的界面，工艺成本限制，产品质量和稳定性方面无法取得更好的成果。 法国SOITEC、美国IBIS和IBM相继放弃了simox制备技术。 200mm和300mmSIMOX片只有日本S.E.H、SUMCO 少量供应。
SOI及其制备技术
概述 SIMOX
BESOI
Smart-cut Simbond
1
概述
SOI (Silicon On Insulator),又称绝缘层上硅。一种新型结构的硅材料，通 过在体硅中加入一层绝缘层，而具有一些特殊的性质。被称为有望替代 体硅成为新一代的集成电路衬底材料。
顶 硅 层
绝 缘 层（埋氧层）
SOI
衬 底
（a）典型 SOI CMOS横截面示意图 （b）SOI CMOS TEM (Transmission electron microscope)侧面图 2
概述
SOI的技术特点： 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。 功耗低----全耗尽SOI器件具有陡直的亚阈值斜率，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。 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。 完全消除闩锁效应。 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。 抗辐照特性好---全介质隔离结构，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的技术存在的问题： 浮体效应----SOI MOS的体区处于浮空状态，器件内部碰撞电离产生的载流子 无法从器件中排除，影响器件性能。（FD SOI、引入复合中心） 自加热效应----BOX热导率低
13
Simbond
5. SIMBOND工艺： 国内的SOI产业发展缓慢，目前上海新傲科技股份有限公司率先实现国内SOI的产业化。 陈猛等人结合了离子注入和键合技术提出了注氧键合技术，形成具有自主知识产权的 Simbond技术。14年，新傲与法国SOITEC 签订了中国地区200mm SOI晶圆独家代理协 议。 • 向器件片的键合面注入氧离子，高 温退火形成埋氧层，这个埋氧层就 是之后的腐蚀停止层。 • 与另一片支撑片键合，然后高温退 火，以形成完好的键合界面。 • 减薄过程采用了自停止腐蚀方法来 实现控制顶层硅厚度均匀性，机械 研磨快速减薄到一定厚度，该过程 要保证研磨的损伤层不在埋氧层中， 之后用TMAH溶液腐蚀顶层硅到注 入的氧化层处停止，然后去除露出 的氧化层并抛光处理，最后根据要 求外延到所需要的厚度，得到均匀 性很好的厚膜SOI材料，其顶层硅 厚度均匀性可达士0. 05um.
硅单晶薄 膜的沉积
选择外延横向生长法（ELO） (厚膜、抗辐射)
异质外延法（SOS（污染、透明、 抗辐射）,SOZ,SOM等）
5
SIMOX
2.1 SIMOX工艺流程： SIMOX ( Separate by IMplant Oxygen ),又称注氧隔离技术。此方法有两个关键步骤：离子注 入和退火。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。
硅片A
H+
硅片B 1.注入氢离子
硅片 B 硅片 A
硅片 B
硅片 A
硅片 A
2.硅片键合
3. 低温剥离 + 高温键合
4.平坦化
11
Soitec公司smart-cut 工艺流程图
12
Smart-cut
4.2 Smart-cut技术优点
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。
O
+
Si substrate
离子注入
Si substrate
高温退火
Si substrate
SOI 材料
6
SIMOX
2. 过程参数影响 注入剂量：控制埋氧层的厚度，提高注入剂量，埋氧层增加同时顶硅层厚度减小。 注入能量：控制离子注入的射程，从而影响顶层硅厚度。另外研究表明，注入能量越 高注入粒子 分散程度越大，形成连续埋氧层所需剂量也越高。 退火温度：高温退火消除注入缺陷，消融顶层硅中氧沉淀，促使埋层形成。 退火气氛：惰性气氛通常加入少量氧，增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失。 硅片温度：影响注入过程缺陷形成，低温容易导致顶层硅的非晶化。
1.85 1.16
4
概述
SOI 的制备：
熔融再结晶（ZMR） 束致再结晶---激光或电子束
多晶/非晶 单晶化
固相外延（SPE）
区熔再结晶---石墨条加热或卤素灯
SOI材料 制造技术 分类
氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） 单晶衬底 的隔离
多孔硅氧化隔离法（FIPOS）
BESOI、Smart-cut、SIMBOND工艺
压力
硅片 A 硅片 B
硅片 A 硅片 B
硅片 B
硅片热氧化
高温键合
腐蚀减薄
8
键合技术形成SOI 的主要工艺步骤
9
BESOI
3.2 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（工艺完成后作为顶层单晶硅薄膜），首先粗磨重掺杂区，然后化学 腐蚀得到顶层硅膜，腐蚀剂选用具有较强选择比腐蚀性的试剂。
7
BESOI
3.1 BESOI（Bonding and Etch back SOI）键合和背面腐蚀工艺流程： 键合技术指将两个平整表面的硅片相互靠近，硅片间的范德瓦尔斯力使两个硅片紧密 的结合在一起。键合技术形成的SOI材料的顶层硅膜来自于衬底硅膜，未经过SIMOX技 术中的高温氧离子注入，所以顶层硅膜中的缺陷较少，其器件性能可以达到体硅器件 的水平。 BESOI过程分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆 片在另一硅片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第三步通过研磨、 抛光及腐蚀来消薄其中一个圆片到所要求的厚度。
典型1mm CMOS工艺条件下体硅和 SOI器件的寄生电容(pF/mm2)
电容类型 SOI(SIMOX) 1.3 0.05 0.04 体 硅 电容比(体硅/SOI) 1 4～7 2.5
栅
1.3 0.2～0.35 0.1
结与衬底
多晶硅与衬底
金属1与衬底 金属2与衬底
0.027 0.018
0.05 0.021
埋氧层由热氧化形成，具有良好的Si/SiO2界面，同时氧化层质量较高。 剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。
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
14
对顶层膜及其厚度均匀性难以精确控制，适用于制造厚膜SOI材料。
10
Leabharlann Baidu
Smart-cut
4.1 Smart-cut工艺流程： 结合了离子注入和键合的双重优势。 第一步是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。
SIMOX 需要高温离子注入和长时间高温离子退火，难以控制颗粒，低剂量乃至 超低剂量注入难以得到完整的埋层，氧离子注入容易形成重金属污染，不易得到 陡峭的界面，工艺成本限制，产品质量和稳定性方面无法取得更好的成果。 法国SOITEC、美国IBIS和IBM相继放弃了simox制备技术。 200mm和300mmSIMOX片只有日本S.E.H、SUMCO 少量供应。
SOI及其制备技术
概述 SIMOX
BESOI
Smart-cut Simbond
1
概述
SOI (Silicon On Insulator),又称绝缘层上硅。一种新型结构的硅材料，通 过在体硅中加入一层绝缘层，而具有一些特殊的性质。被称为有望替代 体硅成为新一代的集成电路衬底材料。
顶 硅 层
绝 缘 层（埋氧层）
SOI
衬 底
（a）典型 SOI CMOS横截面示意图 （b）SOI CMOS TEM (Transmission electron microscope)侧面图 2
概述
SOI的技术特点： 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。 功耗低----全耗尽SOI器件具有陡直的亚阈值斜率，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。 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。 完全消除闩锁效应。 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。 抗辐照特性好---全介质隔离结构，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的技术存在的问题： 浮体效应----SOI MOS的体区处于浮空状态，器件内部碰撞电离产生的载流子 无法从器件中排除，影响器件性能。（FD SOI、引入复合中心） 自加热效应----BOX热导率低
13
Simbond
5. SIMBOND工艺： 国内的SOI产业发展缓慢，目前上海新傲科技股份有限公司率先实现国内SOI的产业化。 陈猛等人结合了离子注入和键合技术提出了注氧键合技术，形成具有自主知识产权的 Simbond技术。14年，新傲与法国SOITEC 签订了中国地区200mm SOI晶圆独家代理协 议。 • 向器件片的键合面注入氧离子，高 温退火形成埋氧层，这个埋氧层就 是之后的腐蚀停止层。 • 与另一片支撑片键合，然后高温退 火，以形成完好的键合界面。 • 减薄过程采用了自停止腐蚀方法来 实现控制顶层硅厚度均匀性，机械 研磨快速减薄到一定厚度，该过程 要保证研磨的损伤层不在埋氧层中， 之后用TMAH溶液腐蚀顶层硅到注 入的氧化层处停止，然后去除露出 的氧化层并抛光处理，最后根据要 求外延到所需要的厚度，得到均匀 性很好的厚膜SOI材料，其顶层硅 厚度均匀性可达士0. 05um.
硅单晶薄 膜的沉积
选择外延横向生长法（ELO） (厚膜、抗辐射)
异质外延法（SOS（污染、透明、 抗辐射）,SOZ,SOM等）
5
SIMOX
2.1 SIMOX工艺流程： SIMOX ( Separate by IMplant Oxygen ),又称注氧隔离技术。此方法有两个关键步骤：离子注 入和退火。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。
硅片A
H+
硅片B 1.注入氢离子
硅片 B 硅片 A
硅片 B
硅片 A
硅片 A
2.硅片键合
3. 低温剥离 + 高温键合
4.平坦化
11
Soitec公司smart-cut 工艺流程图
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Smart-cut
4.2 Smart-cut技术优点
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。
O
+
Si substrate
离子注入
Si substrate
高温退火
Si substrate
SOI 材料
6
SIMOX
2. 过程参数影响 注入剂量：控制埋氧层的厚度，提高注入剂量，埋氧层增加同时顶硅层厚度减小。 注入能量：控制离子注入的射程，从而影响顶层硅厚度。另外研究表明，注入能量越 高注入粒子 分散程度越大，形成连续埋氧层所需剂量也越高。 退火温度：高温退火消除注入缺陷，消融顶层硅中氧沉淀，促使埋层形成。 退火气氛：惰性气氛通常加入少量氧，增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失。 硅片温度：影响注入过程缺陷形成，低温容易导致顶层硅的非晶化。
1.85 1.16
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概述
SOI 的制备：
熔融再结晶（ZMR） 束致再结晶---激光或电子束
多晶/非晶 单晶化
固相外延（SPE）
区熔再结晶---石墨条加热或卤素灯
SOI材料 制造技术 分类
氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） 单晶衬底 的隔离
多孔硅氧化隔离法（FIPOS）
BESOI、Smart-cut、SIMBOND工艺
压力
硅片 A 硅片 B
硅片 A 硅片 B
硅片 B
硅片热氧化
高温键合
腐蚀减薄
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键合技术形成SOI 的主要工艺步骤
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BESOI
3.2 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（工艺完成后作为顶层单晶硅薄膜），首先粗磨重掺杂区，然后化学 腐蚀得到顶层硅膜，腐蚀剂选用具有较强选择比腐蚀性的试剂。
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BESOI
3.1 BESOI（Bonding and Etch back SOI）键合和背面腐蚀工艺流程： 键合技术指将两个平整表面的硅片相互靠近，硅片间的范德瓦尔斯力使两个硅片紧密 的结合在一起。键合技术形成的SOI材料的顶层硅膜来自于衬底硅膜，未经过SIMOX技 术中的高温氧离子注入，所以顶层硅膜中的缺陷较少，其器件性能可以达到体硅器件 的水平。 BESOI过程分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆 片在另一硅片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第三步通过研磨、 抛光及腐蚀来消薄其中一个圆片到所要求的厚度。