SOI的簡(jiǎn)介及其制備技術(shù)

題目(中)SOI的簡(jiǎn)介及其制備技術(shù)(英)TheintroductionandpreparationtechnologySOI姓名與學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 _年級(jí)與專(zhuān)業(yè) 所在學(xué)院 SOI的簡(jiǎn)介及其制備技術(shù)[摘要]SOI材料被譽(yù)為“二十一世紀(jì)硅集成電路技術(shù)”的基礎(chǔ)，他能夠排除或減輕體硅中的體效應(yīng)、寄生效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)等，在超大規(guī)模集成電路、光電子等領(lǐng)域有廣漠的應(yīng)用前景。介紹了要緊隔離、智能隔離、硅片玻璃和外延層轉(zhuǎn)移等集中要緊的制備SOI材料的方式和近期相關(guān)的研究功效。本文將以初學(xué)者為對(duì)象，簡(jiǎn)單地介紹SOI極為制備技術(shù)。[關(guān)鍵詞]SOI硅材料多孔硅多晶硅鍵合技術(shù)[正文]SOI簡(jiǎn)介SOI，全稱(chēng)：Silicon-On-Insulator，即絕緣襯底上的硅，也稱(chēng)為絕緣體上的硅。SOI技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層，是一種具有獨(dú)特的“Si／絕緣層／Si”三層結(jié)構(gòu)的新型硅基半導(dǎo)體材料。它通過(guò)絕緣埋層（一樣為SiO2）實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離。下面就SOI的進(jìn)展、優(yōu)勢(shì)、分類(lèi)和進(jìn)展前景進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。盡管SOI技術(shù)顯現(xiàn)了好久，可是取得沖破性進(jìn)展是在20世紀(jì)80年代后期。以下是SOI技術(shù)列表（以可能進(jìn)展時(shí)刻為序）工藝縮寫(xiě)技術(shù)異質(zhì)外延硅SOS藍(lán)寶石上硅（Si/Al2O3）、尖晶石上硅、氟化鈣上硅多晶硅沉積DI電解質(zhì)隔離硅上同質(zhì)外延硅BLO橫向外延生長(zhǎng)（選區(qū)外延）液相再結(jié)晶ZMR區(qū)熔再結(jié)晶/電子束/激光/熱燈絲多孔硅FIPOS多孔氧化硅全隔離離子束合成SIMOXSIMNISIMCA注氧隔離注氦隔離注碳隔離鍵合BESOI鍵合和背面腐蝕SOI層轉(zhuǎn)移UNIBONDBLTRANNanoCleaveSmartCut/多孔硅+層轉(zhuǎn)移H+/Si+層轉(zhuǎn)移混合過(guò)程SOASilicononAnything-layertransfer混合過(guò)程SONSilicononNothing-preferentialetchingSOI材料具有了體硅等其他硅材料所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：1）速度高----全耗盡SOI器件具有遷移率高、跨導(dǎo)大、寄生電容小等優(yōu)勢(shì)使SOICMOS具有極高的速度特性。2）功耗低----全耗盡SOI器件漏電流小，靜態(tài)功耗?。唤Y(jié)電容與連線(xiàn)電容均很小，動(dòng)態(tài)功耗小。3）集成密度高----SOI采納介質(zhì)隔離，不需要制備體硅CMOS電路的阱等復(fù)雜隔離工藝，器件最小距離僅取決于光刻和刻蝕技術(shù)的限制。4）本錢(qián)低----SOI技術(shù)除襯底材料本錢(qián)高于硅材料外，其他本錢(qián)均低于體硅。SOICMOS的制造工藝比體硅至少少3塊掩模板，減少13~20%的工序。5）抗輻照特性好---全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)，完全排除體硅電路中的閂鎖效應(yīng)。且具有極小的結(jié)面積，因此具有超級(jí)好的抗軟失效，瞬時(shí)輻照和單粒子翻轉(zhuǎn)能力。SOI能夠依照它的硅膜厚度分為兩類(lèi)：薄膜全耗盡結(jié)構(gòu)（FD）和厚膜部份耗盡結(jié)構(gòu)(PD)。由于SOI的絕緣介質(zhì)把硅隔開(kāi)，因此厚膜SOI結(jié)構(gòu)上的器件正、背界面的耗盡層之間不相互阻礙，在它們中間存在一中性體區(qū)，這一中性體區(qū)的存在使得硅體處于電學(xué)浮空狀態(tài)，產(chǎn)生了兩個(gè)明顯的寄生效應(yīng)：“翹曲效應(yīng)”效應(yīng)和晶體管效應(yīng)。若是將這一中性區(qū)接地，那么厚膜器件工作特性便和體硅器件特性幾乎完全相同。而基于薄膜SOI結(jié)構(gòu)的器件由于硅膜的全數(shù)耗盡完全排除“翹曲效應(yīng)”，且這種器件具有低電場(chǎng)、高跨導(dǎo)、良好的短溝道特性和接近理想的亞閾值斜率等優(yōu)勢(shì)。SOI技術(shù)適應(yīng)范圍很廣，除在集成電路中利用外，還被用于微光機(jī)電MEMS系統(tǒng)的制造，如3D反射鏡陣列開(kāi)關(guān)。此刻，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始基于SOI技術(shù)的光通信器件、微機(jī)械、傳感器和太陽(yáng)能電池的研發(fā)。東芝研發(fā)中心、Atmel公司、NXP等聞名電子材料研發(fā)公司已經(jīng)著力SOI技術(shù)的研究和革新，SOI技術(shù)正在日新月異地進(jìn)展中。SOI的進(jìn)展前景：因?yàn)镾OI材料相較于其他硅材料的龐大優(yōu)勢(shì)，和技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)日趨推動(dòng)著SOI材料的商品化，SOI材料正在以強(qiáng)盛的勢(shì)頭進(jìn)展著。隨著國(guó)際信息產(chǎn)業(yè)的迅猛進(jìn)展，作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)，尤其是SOI材料工業(yè)也將隨之強(qiáng)勢(shì)進(jìn)展。有關(guān)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在2021年以后，硅材料不管在質(zhì)量仍是在數(shù)量上，和在直徑增大上，都將上一個(gè)新的臺(tái)階。此刻的電子產(chǎn)品利用SOI材料的趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)下去，而且SOI覆蓋面將會(huì)愈來(lái)愈廣，能夠說(shuō)，SOI有良好的進(jìn)展前景。SOI制備技術(shù)：SOI技術(shù)的進(jìn)展有賴(lài)于SOI材料的不斷進(jìn)步，而缺乏低本錢(qián)、高質(zhì)量的SOI材料一直是制約SOI技術(shù)進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的首要因素。最近幾年來(lái)，隨著SOI材料制備技術(shù)的成熟，制約SOI技術(shù)進(jìn)展的材料問(wèn)題正慢慢被解決。SOI材料的制備技術(shù)歸根結(jié)底包括兩種，即以離子注入為代表的注氧隔離技術(shù)(Speration—by—oxygenim—plantation，即SIMOX)和鍵合(Bond)技術(shù)。鍵合技術(shù)包括傳統(tǒng)的BondandEtchback(BESOI)技術(shù)和法國(guó)SOITEC公司開(kāi)創(chuàng)人之一M．Bmel提出結(jié)合氫離子注入與鍵合的注氫智能剝離技術(shù)(Smart—cut)，可是由于后者的先進(jìn)性和其核心技術(shù)不單單是鍵合技術(shù)，往往人們會(huì)將其另外分類(lèi)。二者原理不同，注氧技術(shù)把薄硅層從體硅中隔離出來(lái)；而鍵合法那么是把氧化后的硅片鍵合道襯底上然后減薄的技術(shù)。注氧隔離技術(shù)：(SIMOX)是進(jìn)展最先的SOI圓片制備技術(shù)之一，曾經(jīng)也是很有希望大規(guī)模應(yīng)用的SOI制備技術(shù)之一。該技術(shù)受到美國(guó)=CA公司的極力推崇，是迄今為止比較先進(jìn)和最為成熟的6-=制備技術(shù)此方式有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：離子注入和高溫退火。在注入進(jìn)程中，氧離子被注入圓片里，與硅發(fā)生反映形成二氧化硅沉淀物。但是注入對(duì)圓片造成相當(dāng)大的損壞，而二氧化硅沉淀物的均勻性也不行。隨后進(jìn)行的高溫退火能幫忙修復(fù)圓片損壞層并使二氧化硅沉淀物的均勻性維持一致。這時(shí)圓片的質(zhì)量得以恢復(fù)而二氧化硅沉淀物所形成的埋層具有良好的絕緣性，界面峻峭均勻。需要注意的是，用氧離子注入硅晶片，形成SOI結(jié)構(gòu)，要求注入的氧離子劑量必需大于或等于臨界劑量，不同的注入能量，有不同的臨界劑量。另外，SOI結(jié)構(gòu)中表面硅層厚度的操縱在專(zhuān)門(mén)大程度上將取決于注入能量的大小。在注入劑量必然的情形下，能量越高，絕緣埋層離硅片表面的距離越深，表面硅層的厚度就越大。工藝流程如以下圖：SIMOX的缺點(diǎn)在于長(zhǎng)時(shí)刻大劑量的離子注入，和后續(xù)的長(zhǎng)時(shí)刻超高溫退火工藝，致使SIMOX材料質(zhì)量和質(zhì)量的穩(wěn)固性和本錢(qián)方面難以取得有效的沖破，這是目前SIMOX難以取得產(chǎn)業(yè)界的完全同意和大規(guī)模應(yīng)用的全然緣故。SIMOX的技術(shù)難點(diǎn)在于顆粒的操縱、埋層專(zhuān)門(mén)是低劑量超低劑量埋層的完整性、金屬沾污、界面臺(tái)的操縱、界面和表面的粗糙度和表層硅中的缺點(diǎn)等，專(zhuān)門(mén)是質(zhì)量的穩(wěn)固性很難保證。SIMOX技術(shù)技術(shù)十分成熟，源于其歷史相當(dāng)悠長(zhǎng)。下面是SIMOX技術(shù)歷程：1966年：Watanabe和Tooi第一次報(bào)導(dǎo)了利用注入氧離子在硅片體內(nèi)形成埋氧層的方式，注入能量/劑量別離為60keV/cm-21978年：NTT的Izumi等利用150keV/cm-2O+注入硅中，1150度退火2小時(shí)，取得表面下380nm處形成210nm厚的SiO2層。并用5微米設(shè)計(jì)規(guī)那么制備了19級(jí)CMOS環(huán)形振蕩器。1994年，NTT提出內(nèi)熱氧化工藝（ITOX,InternalThermalOXidation）；1994年，Eaton-Sharp公司提出低能量低劑量SIMOX工藝；1998年，IBM公司利用SOI技術(shù)研制出高速、低功耗、高靠得住的微處置器芯。、片。鍵合技術(shù)：（BESOI）通過(guò)在Si和SiO2或SiO2和SiO2之間利用鍵合(Bond)技術(shù)，兩個(gè)圓片能夠緊密鍵合在一路，而且在中間形成SiO2層充當(dāng)絕緣層。鍵合圓片在此圓片的一側(cè)削薄到所要求的厚度后得以制成。那個(gè)進(jìn)程分三步來(lái)完成。一、在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另一非氧化圓片上鍵合；二、通過(guò)退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合力度；三、通過(guò)研磨、拋光及侵蝕來(lái)減薄其中一個(gè)圓片直到所要求的厚度。需要注意的是，要提高硅片的鍵合率，保證鍵合后的硅片中間無(wú)間隙，這就對(duì)Si片表面的清潔度、顆粒度和微區(qū)粗糙度（要小于）都有嚴(yán)格的要求；第二，要求對(duì)工作片表面化學(xué)侵蝕減薄量的精準(zhǔn)操縱。以傳統(tǒng)的BESOI為例，工藝流程如下：鍵合技術(shù)常經(jīng)常使用到侵蝕減薄工藝通常采納兩種大體的減薄技術(shù)：粗磨后化學(xué)機(jī)械拋光后粗磨后反面選擇侵蝕研磨+拋光：粗磨迅速減薄硅片，化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)一步精準(zhǔn)減薄硅層。由于缺乏有效的侵蝕終止操縱技術(shù)，只能取得相當(dāng)厚的頂部硅膜反面選擇侵蝕技術(shù)：預(yù)粗磨以后采納有侵蝕終點(diǎn)指示的化學(xué)侵蝕方式，侵蝕終止是采納在上層硅片下表面成立雜質(zhì)濃度梯度實(shí)現(xiàn)的。如采納重?fù)揭r底P+，在其上生長(zhǎng)輕摻的N－或P－外延層，侵蝕劑選用具有較強(qiáng)擇優(yōu)侵蝕性的試劑。第一時(shí)期，羥基（OH－）之間的氫鍵鍵合清水處置后的硅片表面有大量羥基基團(tuán),300℃以下，溫度越高氫鍵強(qiáng)度越大，面積越大第二時(shí)期，硅氧鍵（Si-O-Si）取代氫鍵該時(shí)期約為400℃左右，反映進(jìn)程中有水蒸氣生成，那么鍵合界面會(huì)顯現(xiàn)空洞稱(chēng)為“本征空洞”第三時(shí)期，水蒸氣進(jìn)一步將硅氧化，本征空洞消失，生成的H擴(kuò)散出體內(nèi)。該時(shí)期溫度為800~1100℃鍵合技術(shù)的核心問(wèn)題是表層硅厚度的均勻性操縱問(wèn)題，這是限制鍵合技術(shù)普遍推行的全然緣故。除此之外，鍵合的邊緣操縱、界面缺點(diǎn)問(wèn)題、翹曲度彎曲度的操縱、滑移線(xiàn)操縱、顆粒操縱、崩邊、界面沾污等問(wèn)題也是限制產(chǎn)業(yè)化制備鍵合SOI的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。成品率和本錢(qián)問(wèn)題是鍵合產(chǎn)品被量產(chǎn)客戶(hù)同意的核心商業(yè)問(wèn)題。智能剝離法：（Smart-Cut）智能剝離法是將SIMOX技術(shù)和BESOI技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)，具有二者的優(yōu)勢(shì)而克服了他們的不足，是一種較為理想的SOI制備技術(shù)。硅片鍵合是Smart-cut技術(shù)的關(guān)鍵，且難度最大。因?yàn)楣杵I合對(duì)原始硅片質(zhì)量要求很高，要求硅片表面的不平整度（TIR）＜2~3μm；拋光片表面粗糙度＜5埃，一樣國(guó)產(chǎn)拋光機(jī)較難達(dá)到這一要求。與此同時(shí)，為了取得高質(zhì)量無(wú)空間的鍵合界面，除要求硅片表面保證有足夠的機(jī)械加工精度外，還要求硅片表面清潔、無(wú)沾污，并具有較強(qiáng)的能吸附羥基團(tuán)的親水性。因?yàn)閷?duì)鍵合技術(shù)的要求如此嚴(yán)苛，有人將Smart-cut歸類(lèi)為鍵合技術(shù)。另外，離子注入技術(shù)也是關(guān)鍵之一。由于注入的氫在約300℃時(shí)就可能在硅片中形成微空腔層或使硅片表面顯現(xiàn)氣泡，因此需要采納低溫硅片直接鍵合技術(shù)，鍵合時(shí)的溫度不超過(guò)300℃。由于在400℃左右時(shí)鍵合片就會(huì)剝離，所在要在低溫下（＜400℃）增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。因此Snart-cutSOI制備的又一關(guān)鍵技術(shù)在于低溫鍵合技術(shù)和采納適合的退火方式進(jìn)行增強(qiáng)鍵合和順利實(shí)現(xiàn)"智能剝離"。實(shí)驗(yàn)曾采納積聚式緩慢退火剝離方式，在390℃溫度下，成功地實(shí)現(xiàn)了緩慢的智能剝離。智能剝離后所形成的SOI硅片需在1000℃N2氣氛下再退火一小時(shí)，以增加鍵合強(qiáng)度，并使上層硅單晶性能取得恢復(fù)。

Smart-cut工藝流程（見(jiàn)以下圖）：第一步：在室溫的環(huán)境下使一圓片熱氧化,并注入必然劑量H+；第二步：常溫下與另一非氧化圓片鍵合；第三步：低溫退火使注入氫離子形成氣泡令硅片剝離，后高溫退火增強(qiáng)兩圓片的鍵合力度；第四步：硅片表面平坦化。相較于前兩種SOI制備技術(shù)，Smart-cut技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯：1）H+注入劑量為1016cm-2，比SIMOX低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可采納一般的離子注入機(jī)完成。2）埋氧層由熱氧化形成，具有良好的Si/SiO2界面，同時(shí)氧化層質(zhì)量較高。3）剝離后的硅片能夠繼續(xù)作為鍵合襯底大大降低本錢(qián)。因此，Smart-cut技術(shù)已成為SOI材料制備技術(shù)中最具競(jìng)爭(zhēng)力、最具進(jìn)展前途的一種技術(shù)。自1995年開(kāi)發(fā)該技術(shù)以來(lái)，已取得飛速進(jìn)展，法國(guó)SOITEC公司已經(jīng)能夠提供Smart-cut技術(shù)制備的商用SOI硅片，并擁有其專(zhuān)利。結(jié)語(yǔ)：隨著電子產(chǎn)品的普及，電子市場(chǎng)的日趨擴(kuò)張，硅材料作為市場(chǎng)最要緊的半導(dǎo)體材料，進(jìn)展強(qiáng)勢(shì)；但是新的技術(shù)要求新的加倍有效的產(chǎn)品，SOI技術(shù)及時(shí)解決了這一難題，隨著SOI技術(shù)的日漸成熟和完善，SOI在以后必然日趨精進(jìn)，給人類(lèi)的生活帶來(lái)方便。[參考文獻(xiàn)]一、《SOI薄膜（FD）器件模擬技術(shù)—深亞微米全耗盡SOIMOSFET閾值電壓模型及新器件結(jié)構(gòu)的研究》，許劍，中國(guó)知網(wǎng)2020年03期。二、《深亞微米薄膜全耗盡SOIMOSFET的強(qiáng)反型電流模型》，汪紅梅，《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》1998年10期。3、《半導(dǎo)體硅材料最新進(jìn)展?fàn)顩r》，蔣榮華、肖順珍，《半導(dǎo)