SOI技术

研讨报告 1

SOI工艺技术

1. SOI技术简介

SOI是指绝缘层上的硅，SOI材料研究已有20多年的历史，发展了多种SOI圆片制造技术，其中包括Bonding、激光再结晶、注氧隔离（SIMOX, Separation by Implanted Oxygen）、智能剥离（Smart-cut）以及最近发展起来的等离子浸没式离子注入技术（PIII）。注氧隔离是目前最成熟的SOI制造技术，也是目前研究最多的SOI材料。

SOI (Silicon-On-Insulator)是一种用于集成电路制造的新型原材料，替代目前大量应用的体硅(Bulk Silicon) 。SOI有三层组成，表面是一层薄薄的单晶硅(Top Silicon, 从200埃到几微米，取决与不同的应用) ，用于制造器件；下面是一层依托在体硅上的绝缘材料(见图一)。这种绝缘体材料和硅自然是越接近越好，所以绝缘层通常用二氧化硅制造，称为氧化埋层（BOX，Buried Oxide ，大约1000-4000埃）。SOI材料具有体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、拓宽器件工作温度范围，工艺简单、提高抗辐射性能、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，被国际上公认为是“二十一世纪的微电子技术”和“新一代硅”，将成为今后集成电路制造的主流技术。

图1 体硅和SOI材料

2．SOI的优越性

1. 每个器件都被氧化层包围，完全与周围的器件隔离，从根本上消除了闩锁

效应；

2. 减小了pn结电容和互连线寄生电容 3. 不用做阱，简化工艺，减小面积

4. 极大减小了源、漏区pn结面积，从而减小了pn结泄漏电流

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5. 有利于抑制短沟效应； 6. 有很好的抗幅照性能；

3．SOI的主流技术

3.1 离子束合成SIMOX技术

离子束合成(IBS)是在靶材料如硅中注入高能量离子形成第二相的过程。包括注入O+, N+或 Co+至单晶硅中合成SiO2, Si3N4 或CoSi2埋层。目前情况下，SiO2 埋层的合成已是在商业上可以实现的SOI技术，由Izumi等人提出缩写为SIMOX（注氧隔离）。SIMOX的两步工艺包括：(a)高剂量(1×10 Ocm-2×10 O+cm-2)注入氧离子至加热靶中，氧离子能量在50 keV到 200 keV 之间；(b)进行高温退火以消除晶体缺陷并且注入的氧再分布以形成均一、符合化学剂量比的SiO2埋层和原子级的陡直Si/ SiO2界面。图1 给出了SIMOX工艺示意图。毫无疑义，SIMOX是最成熟的SOI技术，目前商业上已经可以量产高质量的SOI基片。

注入过程中形成的氧化层是非晶的，而且由于过量硅在氧化物中的较高迁移率使得氧化层具有符合化学剂量比的SiO2成分，甚至在持续高温（约熔点以下几度退火）过程中，氧化层仍然保持非晶结构和化学剂量比的特性，这样有可能形成高质量的SOI/SIMOX基片。 3.2 薄层转移技术

消耗两块晶片而只生产一块SOI基片的低效率 BESOI技术已经被晶片键合加上薄层转移技术所普遍代替。以下三种有竞争力的方法分别在法国，日本和美国发展起来。

（1）Smart-cut: 此技术的先驱Bruel在1995年发表Smart-cut的文章，此工艺优点如下：(a)硅层厚度由注入的H+的范围（能量）精确定义；(b) 晶片分裂易于把薄层 (≈1 mm)从一块晶片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循环使用。通常包括注入5 ×1016 H+ cm-2至二氧化硅覆盖的晶片中，能量为5 ～70 keV。键合之后，进行两步热处理：首先在大约500℃退火，使得硅膜和整块晶片分

开；随后在大约1100℃进行第二次热处理以加强转移层和基片之间的结合强度；然后稍微对表面进行化学机械抛光，去掉残留损伤，为器件制备提供光滑表面。

（2）ELTRAN:在Canon的外延层转移(ELTRAN)工艺中，通过在键合之前在结

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+

-2

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构中引入多孔硅以获得可控的键合晶片的分裂。首先在硅晶片表面形成两个不同多孔率和机械特性的多孔硅层，因此晶片会正好在这两层之间裂开。氢气氛中热处理之后，在单晶多孔硅上外延生长硅，在整个工艺中，硅都保留原来晶向。随后，这个晶片被键合到第二块氧化晶片的表面，室温下在高压纯水的喷射下开始裂开。开裂之后，原来的晶片可以循环使用，表面成原子级光滑。

（3）Nano Cleave: 这是在美国Silicon Genesis Corp发展起来的另一个层转移工艺，它是Smart-cut工艺的变种，采用注入H+形成应力层，在室温下晶片开始裂开。在这个工艺中，晶片在室温下机械开裂，形成光滑硅平面，在器件制备之前不需要抛光。 4. SOI技术未来展望和问题

国际市场上，半导体微电子市场评估公司调查表明，1998年SOI材料市场约为4000万美元，并以每年40——50%增长率高速递增。到2005年SOI材料市场将达到4-6亿美元，折合8英寸SOI圆片约为100-150万片。另据美国半导体协会估计，到2005年，SOI将占半导体硅市场的10%，达到10亿美元，折合8英寸SOI圆片达到200万片以上。如考虑到光通信市场的需求和大功率器件市场，SOI材料及应用市场的真正需求很可能是以上预测的5-10倍，市场前景非常乐观。

我国SOI材科首先由上海新傲科技有限公司研发成功并于2002年建成的SIMOX生产线批量生产SOI材料，已开始向国内科研单位和国外供货。另外，由北京师范大学低能核物理研究所、电子科技第四十八研究所和北京大学微电子学所，共同组建北京北方晶材科技有限公司，也开始制造SOI材科，并开始基于SOI技术的光通信器件、微机械、传感器和太阳能电池的研发。

尽管我国SOI技术的研发已经有了良好的开端，但要形成产业化大生产，还必须解决好下面几个问题。

首先是SOI IC设计技术和芯片制造工艺问题，因为使用SOI技术必须对芯片进行重新设计，

而且无法利用现有的硅生产工艺进行大规模生产，必须开发全新的生产工艺，对生产线进行相当大的调整才能满足SOI的工艺要求。由于我国IC设计技术和芯片制造工艺与世界先进水平还有多年的差距，目前，SOI设计和制造技术仍然是一块空白，要自主开发SOI设计和制造技术还需要产业界做出艰巨的努

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力。

其次是我国已进入WTO，在贸易上已不能得到政府的保护，但国家可以通过政策调控有效地扶植和组织SOI技术开发，使SOI技术形成一个完整的产业链。

第三是需要促进电子整机产品的开发水平和创新能力。目前，我国的整机产业主要是来料加工为主要形式，自主开发大部分也是跟着人家的产品思路，真正是自主创新的很少。尽快推动SOI技术的开发可以带动新一代电子产品的发展，但是SOI技术的产业化也需要整机技术开发水平的全面提升。相信我国电子产业界能够抓住机遇，迎头赶上世界先进水平。

（最后是我从网上找的未来展望。）

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