SOI及其制備工藝

1、1概述 SIMOXBESOISmart-cutSimbond SOI及其制備技術(shù)及其制備技術(shù)2概述SOI (Silicon On Insulator),又稱(chēng)絕緣層上硅。一種新型結(jié)構(gòu)的硅材料，通過(guò)在體硅中加入一層絕緣層，而具有一些特殊的性質(zhì)。被稱(chēng)為有望替代體硅成為新一代的集成電路襯底材料。 SOI絕 緣 層（埋氧層）頂硅層襯底（a）典型）典型 SOI CMOS橫截面示意圖橫截面示意圖（b）SOI CMOS TEM (Transmission electron microscope)側(cè)面圖側(cè)面圖3概述 SOI的技術(shù)特點(diǎn)：l速度高速度高-全耗盡SOI器件具有遷移率高、跨導(dǎo)大、寄生電容小等優(yōu)點(diǎn)使SOI

2、 CMOS 具有極高的速度特性。l功耗低功耗低-全耗盡SOI器件具有陡直的亞閾值斜率，漏電流小，靜態(tài)功耗??；結(jié)電容與連線電容均很小，動(dòng)態(tài)功耗小。l集成密度高集成密度高-SOI采用介質(zhì)隔離，不需要制備體硅CMOS電路的阱等復(fù)雜隔離工藝，器件最小間隔僅取決于光刻和刻蝕技術(shù)的限制。l完全消除閂鎖效應(yīng)完全消除閂鎖效應(yīng)。l成本低成本低-SOI技術(shù)除了襯底材料成本高于硅材料外，其他成本均低于體硅。SOI CMOS 的制造工藝比體硅至少少3塊掩模板，減少1320%的工序。l抗輻照特性好抗輻照特性好-全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)，且具有極小的結(jié)面積，因此具有非常好的抗軟失效，瞬時(shí)輻照和單粒子翻轉(zhuǎn)能力。 l SOI的技術(shù)存在

3、的問(wèn)題：l浮體效應(yīng)浮體效應(yīng)-SOI MOS的體區(qū)處于浮空狀態(tài)，器件內(nèi)部碰撞電離產(chǎn)生的載流子無(wú)法從器件中排除，影響器件性能。（FD SOI、引入復(fù)合中心）l自加熱效應(yīng)自加熱效應(yīng)-BOX熱導(dǎo)率低4典型典型1m mm CMOS工藝條件下體硅和工藝條件下體硅和SOI器件的寄生電容器件的寄生電容(pF/m mm2)電容類(lèi)型電容類(lèi)型SOI(SIMOX)體體 硅硅電容比電容比(體硅體硅/SOI)柵柵1.31.31結(jié)與襯底結(jié)與襯底0.050.20.3547多晶硅與襯底多晶硅與襯底0.040.12.5金屬金屬1與襯底與襯底0.0270.051.85金屬金屬2與襯底與襯底0.0180.0211.165概述 SOI

4、 的制備：SOI材料制造技術(shù)分類(lèi)多晶/非晶單晶化硅單晶薄膜的沉積熔融再結(jié)晶（ZMR）固相外延（SPE）束致再結(jié)晶-激光或電子束區(qū)熔再結(jié)晶-石墨條加熱或鹵素?zé)魡尉бr底的隔離氧離子注入形成SiO2埋層（SIMOX） BESOI、Smart-cut、SIMBOND工藝多孔硅氧化隔離法（FIPOS）選擇外延橫向生長(zhǎng)法（ELO）(厚膜、抗輻射)異質(zhì)外延法（SOS（污染、透明、抗輻射）,SOZ,SOM等）6SIMOX2.1 SIMOX工藝流程：SIMOX ( Separate by IMplant Oxygen ),又稱(chēng)注氧隔離技術(shù)。此方法有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：離子注入和退火。在注入過(guò)程中，氧離子被注入圓片里，

5、與硅發(fā)生反應(yīng)形成二氧化硅沉淀物。然而注入對(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好。隨后進(jìn)行的高溫退火能幫助修復(fù)圓片損壞層并使二氧化硅沉淀物的均勻性保持一致。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。 Si substrateSi substrateSi substrateSi substrateSi substrateO+離子注入離子注入SOI 材料材料高溫退火高溫退火7SIMOX2. 過(guò)程參數(shù)影響p注入劑量：控制埋氧層的厚度，提高注入劑量，埋氧層增加同時(shí)頂硅層厚度減小。p注入能量：控制離子注入的射程，從而影響頂層硅厚度。另外研究表明，注入能量越 高注入

6、粒子 分散程度越大，形成連續(xù)埋氧層所需劑量也越高。p退火溫度：高溫退火消除注入缺陷，消融頂層硅中氧沉淀，促使埋層形成。p退火氣氛：惰性氣氛通常加入少量氧，增加氧分壓防止由于形成SiO而導(dǎo)致的表面缺失。p硅片溫度：影響注入過(guò)程缺陷形成，低溫容易導(dǎo)致頂層硅的非晶化。 SIMOX 需要高溫離子注入和長(zhǎng)時(shí)間高溫離子退火，難以控制顆粒，低劑量乃至超低劑量注入難以得到完整的埋層，氧離子注入容易形成重金屬污染，不易得到陡峭的界面，工藝成本限制，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性方面無(wú)法取得更好的成果。法國(guó)SOITEC、美國(guó)IBIS和IBM相繼放棄了simox制備技術(shù)。200mm和300mmSIMOX片只有日本S.E.H、SU

7、MCO 少量供應(yīng)。8BESOI3.1 BESOI（Bonding and Etch back SOI）鍵合和背面腐蝕工藝流程：鍵合技術(shù)指將兩個(gè)平整表面的硅片相互靠近，硅片間的范德瓦爾斯力使兩個(gè)硅片緊密的結(jié)合在一起。鍵合技術(shù)形成的SOI材料的頂層硅膜來(lái)自于襯底硅膜，未經(jīng)過(guò)SIMOX技術(shù)中的高溫氧離子注入，所以頂層硅膜中的缺陷較少，其器件性能可以達(dá)到體硅器件的水平。BESOI過(guò)程分三步來(lái)完成。第一步第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化熱氧化圓片在另一硅片上鍵合；第二步第二步是經(jīng)過(guò)退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合鍵合力度；第三步第三步通過(guò)研磨、拋光及腐蝕來(lái)消薄消薄其中一個(gè)圓片到所要求的厚度。 硅片 A硅片 B硅片

8、 A硅片 B硅片 A硅片 B壓力硅片 A硅片 B壓力硅片 B硅片 B硅片熱氧化 高溫鍵合 腐蝕減薄9鍵合技術(shù)形成鍵合技術(shù)形成SOI 的主要工藝步驟的主要工藝步驟10BESOI3.2 腐蝕減薄工藝通常采用兩種基本的減薄技術(shù)：粗磨后化學(xué)機(jī)械拋光后粗磨后背面選擇腐蝕l研磨+拋光：粗磨迅速減薄硅片，化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)一步精確減薄硅層。由于缺乏有效的腐蝕終止控制技術(shù)只能獲得相當(dāng)厚的頂部硅膜l背面選擇腐蝕技術(shù)：預(yù)粗磨之后采用有腐蝕終點(diǎn)指示的化學(xué)腐蝕方法，腐蝕終止是采用在上層硅片上層硅片下表面表面建立雜質(zhì)濃度梯度實(shí)現(xiàn)的。如采用重?fù)揭r底P+，在其上生長(zhǎng)輕摻的N或P外延層（工藝完成后作為頂層單晶硅薄膜），首先粗磨重

9、摻雜區(qū)，然后化學(xué)腐蝕得到頂層硅膜，腐蝕劑選用具有較強(qiáng)選擇比腐蝕性的試劑。對(duì)頂層膜及其厚度均勻性難以精確控制，適用于制造厚膜對(duì)頂層膜及其厚度均勻性難以精確控制，適用于制造厚膜SOI材料材料。 11Smart-cut4.1 Smart-cut工藝流程：結(jié)合了離子注入和鍵合的雙重優(yōu)勢(shì)。結(jié)合了離子注入和鍵合的雙重優(yōu)勢(shì)。第一步第一步是在室溫的環(huán)境下使一圓片熱氧化熱氧化,并注入注入一定劑量H+。第二步第二步常溫下與另一非氧化圓片鍵合；第三步第三步低溫退火低溫退火使注入氫離子形成氣泡令硅片剝離，剝離，后高溫退火高溫退火增強(qiáng)兩圓片的鍵合鍵合力度；第四步第四步硅片表面平坦化平坦化。 硅片 B硅片 A硅片 B硅片

10、 A2.硅片鍵合硅片 A硅片 B硅片 A硅片 A硅片 B3.低溫剝離+高溫鍵合硅片 A硅片 A4.平坦化1.注入氫離子H+硅片B硅片A12Soitec公司公司smart-cut 工藝流程圖工藝流程圖13Smart-cut4.2 Smart-cut技術(shù)優(yōu)點(diǎn)lH+注入劑量為1016cm-2，比SIMOX低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可采用普通的離子注入機(jī)完成。l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。l剝離后的硅片可以繼續(xù)作為鍵合襯底大大降低成本。 Smart-cut技術(shù)已成為SOI材料制備技術(shù)中最具競(jìng)爭(zhēng)力、最具發(fā)展前途的一種技術(shù)。自1995年開(kāi)發(fā)該技術(shù)以來(lái)，已得到飛速發(fā)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14Simbond5. SIMBOND工藝： 國(guó)內(nèi)的SOI產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，目前上海新傲科技股份有限公司率先實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)SOI的產(chǎn)業(yè)化。陳猛等人結(jié)合了離子注入和鍵合技術(shù)提出了注氧鍵合技術(shù)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Simbond技術(shù)。14年，新傲與法國(guó)SOITEC 簽訂了中國(guó)地區(qū)200mm SOI晶圓獨(dú)家代理協(xié)議。 向器件片的鍵合面注入氧離子，高溫退火形成埋氧層，這個(gè)埋氧層就是之后的腐蝕停止層。與另一片支撐片鍵合，然后