2021.11.11

单晶硅片——绝缘片(SOI)

绝缘片(SOI)

为了提高集成电路的集成度和速度,降低功耗必须缩小器件的尺寸。但当器件的尺寸缩小到亚微米范围以内时,常规的结构就不适应了,从而导致SOI( Silicon On Insulator或Semi- conductor On Insulator)结构的发展,也就是把器件制作在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。SOI结构开始是针对亚微米CMOS器件提出来以取代不适合要求的常规结构以及已经应用的sos结构(sos可以看成是SOI的一种形式),但SOI结构很快也成为实现高速集成电路及三维集成电路的新途径(但不是所有的SOI结构都可以用来做三维集成电路),是当前半导体材料研究的一个热点问题。

Diameter		4″	5″	6″	8″
Device Layer	Dopant	Boron, Phos, Arsenic, Antimony, Undoped
	Orientation	<100>, <111>
	Type	SIMOX, BESOI, Simbond, Smart-cut
	Resistivity	0.001-20000 Ohm-cm
	Thickness (um)	0.2-150
	The Uniformity	<5%
BOX Layer	Thickness (um)	0.4-3
	Uniformity	<2.5%
Substrate	Orientation	<100>, <111>
	Type/Dopant	P Type/Boron , N Type/Phos, N Type/As, N Type/Sb
	Thickness (um)	300-725
	Resistivity	0.001-20000 Ohm-cm
	Surface Finished	P/P, P/E
	Particle	<10@.0.3um

SOI结构的优点大致可以归纳为如下几个方面：

(1)由于它是介质隔离,寄生电容小,对高速和高集成度的IC电路特别有利

(2)由于介质隔离,降低了噪声,并提高了线路和器件的抗辐射性能。

(3)抑制了CMOS电路的“锁住”( latch-u-up)问题。

SOI与SOS相比,SOI材料的完整性比sos好得多,比SOS应用的范围也广泛CMOS电路中采用SOI结构,可以减少掩蔽次数,也不需要隔离扩散,使线路布局简化,提高集成度。SOS中Si与Al2O3的热膨胀系数不匹配,硅层内有压缩应力。此外,SO1的功耗和衬底成本都比SOS低得多,SOS没有实现三维器件结构功能。

从目前情况来看,有的SOI技术已初步走向实用化,只要能进一步克服工艺和材料质量问题,实用化是没有问题的,某些SOI技术可以用于三维IC的制造SOI结构材料制备的方法有很多种,下面简要介绍几种主要的方法:

1.熔化横向生长

这种方法的基本工艺是在硅衬底上形成一层SO膜,然后在膜上淀积多晶或非晶硅所淀积的多晶或非晶硅局部熔化,移动熔区则在熔区前的多晶或非晶硅熔化,而熔区后面则进行再结晶。这种方法由于形成熔区的热源不同可分成:①激光束熔化再结晶;②电子束熔化再结晶;③石墨带状加热横向有籽晶再结晶;光照熔融再结晶法等四种。由于其加热方式不同,所以设备和具体工艺有很大的差别,结果也不一样,各自有自己的优缺点。早期这类方法研究得比较活跃。

2.CVD横向生长

CVD横向生长法是在SiO2上进行侧向铺伸外延生长,简称ELO( Epitaxial Lateral Over growth)法。它是在选择外延上发展起来的,很受人们重视。这是因为硅外延生长技术比较成熟,处理温度低(1050~1150℃),远低于Si熔化温度,不会引起严重的衬底杂质的再分布,并且有希望用于三维IC的制作

本方法的基本过程是,在SiO2膜上用光刻技术开出衬底的窗口,在窗口处外延生长硅,抑制在SiO2表面上硅成核。当窗口区长满硅后,再以足够大的横纵向生长速度比进行侧向铺伸外延。这个方法的关键在于如何抑制在SiO2上成核,目前利用生长/腐蚀工艺来解决这个问题,即每生长一段时间后停止生长,通入HCl气相腐蚀,以除去在SiO2上淀积的硅。然后进行第二次生长/腐蚀,直到窗口长满,继续重复生长/腐蚀进行侧向生长,最后硅膜连成一片并长到要求的厚度、所得的SOI结构的硅膜电学性质和器件性质和相同条件下常规外延生长的膜相近。现在还不能完全除去SiO2膜上的多晶核,使ELO膜的质量受到影响,另外横向生长的宽度还不是很宽。

3.氧离子注入形成SOI结构

这种方法也叫做 SIMOX法(Separation by Implanted Oxygen)。它是利用注氧离子形成符合化学计量比的SiO2埋层的方法。注入的氧离子量约为1.2~1.8×10/cm2。埋层深度和注入能量有关,若埋层深度为0.5μm,则注入能量约为500keV,若深度为1um,则需要1MeV

氧离子注入时,为了得到突变的Si—SiO2界面,通常把注入剂量适当过量,略大于1.8×1018/cm2。剂量不足时,在上界面处会出现孪晶层。图5-22是注入剂量与SiSIO2界面状态的示意图。

氧离子注入后,必须进行高温退火热处理,使O与Si作用形成SiO2并消除晶格的损伤,处理温度为1150~1250℃,时间为2h。退火前,在硅片表面淀积一层SiO2能有助于提高退火效果并能减少表面缺陷。

SIMOX法简单易行,能得到良好的单晶层与常规硅器件工艺完全相容。它可以说是目前SOI技术中最引人注意的,但不足的是它无法做成三维的器件。

4.硅片面键合法

这种方法是将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄获得SOI结构。实施的办法之一是,将两片硅的抛光片一片氧化形成SiO2膜,将另一片贴在其上,在氧气氛中热处理,在氧化热处理过程中通过界面的硅氧键的聚合作用而黏结在一起。这种方法比较简单,但减薄处理比较困难,另外对片子的平整度要求高,否则整个界面很难完全贴合。这种方法目前发展较快。

SOI技术已经研究很多年,取得一些结果,各先进工业国都投入不少力量进行研究,一旦获得突破性的进展,其应用前景是十分广阔的。

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