3.4.16.4绝缘层 上的硅SOI (Silicon-On-Insulator, SOI)

SOI是指把一层薄薄的硅单晶覆盖在由二氧化硅或玻璃做成的绝缘体之上(因此被命名为“绝缘衬层上的硅”，常简称作SOI), 其与仅仅构建在一块简单的硅片上相比，在SOI薄层上构建的晶体管，其运算速度更快、功耗更低。
1998年8月3日，美国IBM公司宜布在世界上首次利用一种新的半导体村底一绝缘硅(SOI)。用SOI技术成功地研制出高速、低功耗、高可靠的微处理器芯片。其与常规的CMOS技术相比，采用SOI技术，使其晶体管开关时间比使用硅衬底减少了20%~ 25%。使芯片的功能提高了35%。又一次实现了摩尔定律中有关性能的跳跃发展[85]。
2000年，IBM公司宣布AS/400是第-一个 使用基于SOI微处理器芯片的计算机系统[86]。
由于工作速度提高了20%,相当于在使用块硅技术的条件下，把电路工艺水平从线宽o.22μm提高到o.18μm技术水平。这就基味着在使用相同光刻技术的情况下，sol衬底技术可以使IBM公司在处理速度领先业界--代的水平。
绝缘层上的硅sol是近几年开发、研制出来用于制备抗辐射、低压低功耗、耐高温(其电路可在大于300汇环境下工作)、高速集成电路的首选材料，如今通常被国际上公认为是“21世纪的硅，集成电路技术"[87,88]。
SOI材料的种类及制备方法较多，主要有[89]: 在蓝宝石上进行硅外延技术;区熔再结晶ZMR技术;多孔氧化硅全隔离FIPOS技术;硅片直接键合SDB (Silicon-Wafer Direct Bonding)与背面腐蚀BESOI (Bonded and Etched-back) 技术;注氧隔离SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)技术;以及最近才发展起来的氢注人剥离键合(Smart-Cut) 技术等。目前最有竞争力的SOI制备技术是注氧隔离技术、硅片直接键合SDB技术和氢注人剥离键合技术。
(1)注氧隔离技术I它是采用大剂量氧离子注人到硅片表面内，然后进行高温退火，最后得到在单晶硅表层内形成SiO₂埋层的SOI材料。其制备过程见图3-109所示。
 

” SOI,埋层
大剂量氧离子注入
硅(厚0.1~0.5um) (厚 0.2~0.8um)
、
高温退火〉1300C
图3-109
 
 
 
SIMOX制备过程示意图
 
一般讲，退火温度越高，所制备的SOI材料质量越好。退火温度一般在1300C左右。
采用注氧隔离SIMOX技术制备的s0I材料的主要缺陷是位错。如其位错密度越低，则其质量也就越好。
目前国外采用注氧隔离SIMOX技术，已能提供出直径200mm、位错密度小于103cm -2的商用SOI材料。
 
 (2)硅片直接键合SDB技术它是将 其中的一个表面经过热氧化生长工艺生长一层具有一定厚度的siO2层的两片抛光硅片，漫人具有适当配比的酸性溶液中进行亲水处理，使硅片表面被硅醇基所覆盖，依靠硅片之间的羧基的相互作用而达到紧密结合，再将键合好的硅片置于有氮气保护的高温炉内加热到700C左右，使其界面发生脱水反应，让硅片界面形成Si- -O- -Si 结构，然后再将炉温度升到1000°C以上，以达到两硅片之间的完全键合，见图3-110所示。
 
 
表面减薄(膺/抛光)
硅片
高温键合
SiO2层
“SiO2层、
≥1000C
图3-110硅片直接键合SDB技术制备过程示意图
 
 
 
键合后的一个硅片还要将其厚度从500μm左右进行表面减薄处理(磨/拋光)到几微米或更薄，以满足制备SOI器件或电路的要求。
 
(3)氢注人剥离键合技术氢注入剥离键合 技术，是法国LETI公司的M.Bruel等提出的[90]。其原理是利用H+注人后在硅片中形成的气泡层，将注氢片与另外一支撑硅片键合(两个硅片之间至少有一片的表面有热氧化SiO,覆盖层)，经过适当的热处理使注氢片从气泡层完整裂开，形成soI结构，最后对SOI片表面进行化学机械抛光。
目前都认为氢注入剥离键合技术是一种比较理想的SOI材料制备技术。
氢注人剥离键合技术的工艺过程见图3-111所示。
目前国际上主要的SOI材料生产公司是法国SOITEC公司和美国IBIS公司。
法国SOITEC公司于1998年投资5千万美元在法国Bernin建立了新的基地，以氢注入剥离键合技术为基础，计划在2002年SOI材料产量可达到100万片/年，并计划将直径200mm的Smart Cut-SOI材料的产量由10万片/年提高到30万片/年。
 
 
氢离子注入
SiO2层
高温键合
气泡层
“ siO2层
热处理
从气泡层完整裂开
-SiO2层
硅片A
(表面进行化学机械抛光)
图3-111氢注人剥离键合技术的工艺过程示意图
 
 
美国IBIS公司主要采用大剂量氧离子注人机Ibis 1000 和Ad-vantox工艺，生产直径100~200mm SIMOX-SOI材料。
据美国半导体协会RoseAssociatcs(LosAltos,CA)市场分析，到2005年国际市场上SOI材料的销售将要达到硅材料市场的10%。
SOI硅片的需求，特别是高性能的以高速MPU的薄膜sOI芯片为中心的需求量正在扩大。2001~2007 年的SOI硅片需求的年平均增长率约为47%，预测到2007 年相同硅片的50%.是直径300mm硅片[91]。
随着集成电路技术的不断发展，所需用的硅片也已从纯互补式金属氧化物半导体(CMOS) 材质向SOI等低漏电材质开发、过渡，当前全球半导体大厂中已有不少投入SOI技术的研发工作，硅片的生产厂商亦可同时与SOI 生产厂商进行联手合作。
日本三菱Materials公司和法国Ibis Technology公司相互联手合作。注重SIMOX硅片的生产和销售。
2000年末，法国IBIS和美国IBM联手，以使用美国IBM技术的Advantox MLD (Modified Low Dose) 为基础，由日本三菱住友硅业生产SIMOX硅片来应对市场的需求。德国WACKER公司让日本新日铁(现已被德国WACKER收购)开发ITOX- SIMOX硅片。此硅片在高温下，通过内部氧化处理，使其氧化层(BOX)的品质得到了改善。
日本信越半导体公司和法国SOITEC公司联手，法国SOI-TEC已拥有直径200mm硅片年产100万片以上的批量生产体系，并也已确立直径300mm硅片批量生产的计划。
ELTRAN公司、佳能公司于2001年发表直径150mm、直径200mmsOI硅片批量生产，月产1万片左右和直径300mmSOI硅片生产线的建设计划。从2002年第二季度正式投产后，以年产16000片开始，并计划到2003年，规模可达年产8万片。
目前，美国IBM公司与日本东芝(Toshiba)、 新力(Sony)将共同开发90nm以下的SOI材料，意法微电子公司(ST Microe-lectronics)亦与荷兰飞利浦半导体公司(Philips)、 台积电等就SOI技术的开发将组成策略联盟。
关于直径300mm SOI硅片产品，德国WAKER-NSCE公司认为，目前能够稳定供应的市场也只有由日本信越半导体、日本三菱住友硅业和德国WAKER三家公司。据美国SEMATECH和SELETE两个国际半导体发展规划组织公布的未来半导体工业发展技术路线，到2005年，半导体工业将着眼于直径300 ~400mm硅基材料上。故制备大尺寸，改进、提高SOI材料的质量已成为国际著名半导体公司的战略重点。
综上所述，根据工艺技术的要求，选择合理的硅单晶抛光片制备的加工工艺流程，例如按彩图3所示(供参考)，配置相应的工艺设备及测试仪器，并选择合理的硅片的加工工艺、技术和化学清洗工艺及进行科学、严格的生产管理，就可以获得满足线宽小于0.13~0.10μm IC工艺要求用、高质量的抛光片，预期可达到的技
 
术指标(水平)为:
GBIR<0. 50μm
SBIR (25X25)<0. 13( ~0.08)μm
SFQR (25X25)< <0.10( ~0.07)μm
表面颗粒>0. 12μm，<30个/片
表面金属<109 原子/cm2