图1图2
SOI器件的一个主要应用是空间及军事电子领域，这主要归功于埋氧的存在使得SOI技术具有了抗瞬时辐射效应的能力。另一应用是耐高温电路。高温环境下，SOI器件性能优于体硅器件，SOI器件的源和漏结面积的减小使得泄漏电流降低很多。此外，随着器件特征尺寸的缩小和电路集成度的提高，与体硅技术相比SOI的高速、低功耗优点变得越来越明显，为SOI在高速、低功耗的逻辑LSI电路的应用中提供了可能性。除了以上介绍的几个方面，SOI技术在RF射频和模拟电路、存储器等方面都有广泛的应用。具体制备工艺
2.1注氧隔离技术(SeparationbyIMplantedOXygen，简称SIMOX)
SIMOXSOI材料是通过高能量、大剂量注氧在硅中形成埋氧化层。采用高能量注入，使氧离子注入到硅片表面下一定深度。离子注入后经过高温热处理，使顶部被损伤的硅膜经退火后，在硅片中再结晶形成一层埋置的二氧化硅。SIMOX方法简单易行，能得到良好的单晶层，与常规器件工艺完全相容，并适用于化合物半导体器件的隔离，是SOI技术中最成熟最具竞争力的。SIMOX的关键是离子注入工艺。因此，研发高水平的专用注氧机是提高SIMOX材料质量的关键。具体工艺可归纳为两步：(1)氧离子注入,在硅表层下产生一个高浓度的注氧层;
(2)高温退火,注入的氧与硅反应,在高浓度注氧层附近形成隐埋二氧化硅层,并消除离子注入引入的损伤。
主要涉及的设备为注氧专用机和退火炉。图3为该工艺的示意图。图3SIMOX工艺示意图
SIMOX技术成本较高，为了提高材料的质量和降低成本，SIMOX研究转向采用低能量、低剂量注入,以便在薄的埋氧化物上制备薄硅膜。ITOX是之后提出并实践的一种SIMOX改良工艺,成本比SIMOX工艺低。另外,还发展了SPIMOX工艺，该工艺是将氧源等离子化,样品浸在等离子气氛中,在一定温度下,氧注入到硅片内。此工艺氧注入更为均匀、注入时间变短,产量更大,制作成本更低,生产设备更简单。2.2键合减薄技术(BondingEtch-back，简称BE)
键合减薄法的主要工艺过程是:(1)将两个硅抛光片(其中一个表面有热氧化层)贴合,在室温下通过表面分子或原子间的作用力直接连在一起,然后键合的硅片在干氧气氛中热处理,键合变得很牢固;
(2)减薄器件有源区硅层到微米甚至亚微米厚。
主要涉及的设备：减薄机、抛光研磨机和退火炉。图4为该工艺的示意图。图4BE工艺示意图
硅片表面平整度、粗糙度及表面颗粒会影响键合的质量和强度。硅片减薄是获得适用于器件制作的SOI层的关键环节。减薄的方法有外延终止腐蚀、粗磨后化学机械抛光、化学液腐蚀等。粗磨后化学机械抛光可迅速减薄硅层,但获得的硅膜相当厚。采用化学腐蚀技术,减薄速度慢但膜厚和均匀性及平整度控制好。此技术与SIMOX技术相比，顶层硅膜的质量较好但不易形成很薄的硅膜。此外，如果硅片面积很大，键合时氧化层之间容易出现空洞。
一般来讲,BESOI材料顶部硅层质量好,键合界面附近的原子排列整齐。为了解决难以获得较薄的硅膜这个问题，出现了等离子辅助腐蚀方法(PACE)。该法使化学腐蚀局限于一产生等离子体的小小电极下,气体为等离子活化,腐蚀电极下的硅表面,不论原始SOI层多厚,很容易使之减薄,但厚度均匀性有欠缺。之后休斯公司通过对厚度的反馈控制,改善了PACE工艺过程,可重复获得厚度为50nm的硅层并具有良好的均匀性。2.3智能剥离技术(SmartCut)
智能剥离技术的工艺过程是:(1)离子注入。室温下,以一定能量向硅片A注入一定量的氢离子,在硅表面层下产生一气泡层。
(2)键合。将硅片A与另一硅片B进行严格的清洗处理后,在室温下键合。硅片A与B之间至少有一片的键合表面用热氧化法生长SiO2层,用以充当SOI结构中的隐埋绝缘层。B片将成为SOI结构中的支撑片。
(3)热处理。分两步:第一步键合后的硅片在注入氢离子的高浓度层位形成气泡层,并发生剥离,剥离掉的硅层留待后用,余下的硅层作为SOI结构中的顶部硅层;第二步高温热处理,提高键合界面的结合强度并消除SOI层中的注入损伤。
(4)SOI片化学机械抛光,降低表面粗糙度。
主要涉及的设备：离子注入机、减薄机、抛光研磨机和退火炉。图5为该工艺示意图。图5SmartCut工艺示意图
利用智能剥离技术可以形成高质量的薄硅膜SOI材料。SmartCutSOI材料的顶部硅层厚度可通过离子注入工艺参数的变化来控制。另外,硅片剥离后,还可能回收重新使用,节省了原料,降低了制造成本。这项技术结合了离子注入和硅片键合两种技术的优势。高能氢离子注入硅片中会形成严重损伤的缺陷层。因此为了解决这个问题人们在Smart-Cut工艺的基础上还发展了PIII工艺。该工艺以氢等离子体代替氢离子注入,容易提供剥离所需的高剂量氢。另一种就是PIII与RT-CCP相结合的方法。注入与PIII相同,但剥离方法与一般的SmartCut不同,它在室温下进行,剥离速度非常快,剥离后的界面要平整得多,且设备简单。2.4注氧键合技术（Simbond）
Sim-bond技术是SIMOX与bond技术的结合。可以高精度控制埋氧层厚度。注氧键合技术的工艺过程主要包括3个步骤:
(1)向器件面的键合面注入氧离子，然后高温热退火形成氧化层，在该硅片表面形成一层SiO2氧化层。这个埋氧层就是之后的腐蚀停止层。
(2)将该硅片与另外一片晶圆键合。然后进行高温退火形成完好的键合界面。
(3)减薄工艺。利用CMP技术减薄，但是与bond技术不同的是，sim-bond有自停止层，当研磨到SiO2层时，会自动停止。然后经过腐蚀去掉SiO2层。最后再抛光。
主要涉及的设备：离子注入机、抛光研磨机和退火炉。图6为该工艺示意图。图6Simbond工艺示意图
国内的SOI产业发展缓慢，上海新傲科技股份有限公司率先实现国内SOI的产业化。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。预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇