SOI及其制备工艺

1 概述 SIMOXBESOISmart-cutSimbond SOI及其制备技术 2 概述SOI (Silicon On Insulator),又称绝缘层上硅。一种新型结构的硅材料，通过在体硅中加入一层绝缘层，而具有一些特殊的性质。被称为有望替代体硅成为新一代的集成电路衬底材料。 SOI 绝 缘 层（埋氧层）顶硅层衬底（a）典型 SOI CMOS横截面示意图（b）SOI CMOS TEM (Transmission electron microscope)侧面图 3 概述 SOI的技术特点：l速度高-全耗尽SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点使SOI CMOS 具有极高的速度特性。l功耗低-全耗尽SOI器件具有陡直的亚阈值斜率，漏电流小，静态功耗小；结电容与连线电容均很小，动态功耗小。 l集成密度高-SOI采用介质隔离，不需要制备体硅CMOS电路的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅取决于光刻和刻蚀技术的限制。l完全消除闩锁效应。l成本低-SOI技术除了衬底材料成本高于硅材料外，其他成本均低于体硅。SOI CMOS 的制造工艺比体硅至少少3块掩模板，减少1320%的工序。l抗辐照特性好-全介质隔离结构，且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效，瞬时辐照和单粒子翻转能力。 l SOI的技术存在的问题：l浮体效应-SOI MOS的体区处于浮空状态，器件内部碰撞电离产生的载流子无法从器件中排除，影响器件性能。（FD SOI、引入复合中心）l自加热效应-BOX热导率低 4 典 型 1mm CMO S工 艺 条 件 下 体 硅 和SO I器 件 的 寄 生 电 容 (pF/mm2)电 容 类 型 SO I(SIMO X) 体 硅 电 容 比 (体 硅 /SO I)栅 1.3 1.3 1结 与 衬 底 0.05 0.2 0.35 4 7多 晶 硅 与 衬 底 0.04 0.1 2.5 金 属 1与 衬 底 0.027 0.05 1.85金 属 2与 衬 底 0.018 0.021 1.16 5 概述 SOI 的制备：SOI材料制造技术分类多晶/非晶单晶化 硅单晶薄膜的沉积 熔融再结晶（ZMR）固相外延（SPE）束致再结晶-激光或电子束区熔再结晶-石墨条加热或卤素灯单晶衬底的隔离氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） BESOI、Smart-cut、SIMBOND工艺多孔硅氧化隔离法（FIPOS）选择外延横向生长法（ELO） (厚膜、抗辐射)异质外延法（SOS（污染、透明、抗辐射）,SOZ,SOM等） 6 SIMOX2.1 SIMOX工艺流程：SIMOX ( Separate by IMplant Oxygen ),又称注氧隔离技术。此方法有两个关键步骤：离子注入和退火。在注入过程中，氧离子被注入圆片里，与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物。然而注入对圆片造成相当大的损坏，而二氧化硅沉淀物的均匀性也不好。随后进行的高温退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致。这时圆片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性。 Si substrate Si substrateSi substrateO+离子注入SO I 材料高温退火 7 SIMOX2. 过程参数影响p注入剂量：控制埋氧层的厚度，提高注入剂量，埋氧层增加同时顶硅层厚度减小。p注入能量：控制离子注入的射程，从而影响顶层硅厚度。另外研究表明，注入能量越 高注入粒子 分散程度越大，形成连续埋氧层所需剂量也越高。p退火温度：高温退火消除注入缺陷，消融顶层硅中氧沉淀，促使埋层形成。p退火气氛：惰性气氛通常加入少量氧，增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失。p硅片温度：影响注入过程缺陷形成，低温容易导致顶层硅的非晶化。 SIMOX 需要高温离子注入和长时间高温离子退火，难以控制颗粒，低剂量乃至超低剂量注入难以得到完整的埋层，氧离子注入容易形成重金属污染，不易得到陡峭的界面，工艺成本限制，产品质量和稳定性方面无法取得更好的成果。法国SOITEC、美国IBIS和IBM相继放弃了simox制备技术。200mm和300mmSIMOX片只有日本S.E.H、SUMCO 少量供应。 8 BESOI3.1 BESOI（Bonding and Etch back SOI）键合和背面腐蚀工艺流程：键合技术指将两个平整表面的硅片相互靠近，硅片间的范德瓦尔斯力使两个硅片紧密的结合在一起。键合技术形成的SOI材料的顶层硅膜来自于衬底硅膜，未经过SIMOX技术中的高温氧离子注入，所以顶层硅膜中的缺陷较少，其器件性能可以达到体硅器件的水平。BESOI过程分三步来完成。第 一 步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另一硅片上键合；第 二 步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第 三 步通过研磨、抛光及腐蚀来消薄其中一个圆片到所要求的厚度。 硅 片 A硅 片 B硅 片硅 片 硅 片 A硅 片 B压 力硅 片硅 片压 力 硅 片 B硅 片硅片热氧化 高温键合 腐蚀减薄 9键合技术形成SOI 的主要工艺步骤 10 BESOI3.2 腐蚀减薄工艺通常采用两种基本的减薄技术：粗磨后化学机械抛光后粗磨后背面选择腐蚀 l研磨+抛光：粗磨迅速减薄硅片，化学机械抛光进一步精确减薄硅层。由于缺乏有效的腐蚀终止控制技术只能获得相当厚的顶部硅膜l背面选择腐蚀技术：预粗磨之后采用有腐蚀终点指示的化学腐蚀方法，腐蚀终止是采用在上层硅片下表面建立杂质浓度梯度实现的。如采用重掺衬底P+，在其上生长轻掺的N或P外延层（工艺完成后作为顶层单晶硅薄膜），首先粗磨重掺杂区，然后化学腐蚀得到顶层硅膜，腐蚀剂选用具有较强选择比腐蚀性的试剂。对顶层膜及其厚度均匀性难以精确控制，适用于制造厚膜SO I材料。 11 Smart-cut4.1 Smart-cut工艺流程：结 合 了 离 子 注 入 和 键 合 的 双 重 优 势 。第 一 步是在室温的环境下使一圆片热氧化,并注入一定剂量H+。第 二 步常温下与另一非氧化圆片键合；第 三 步低温退火使注入氢离子形成气泡令硅片剥离，后高温退火增强两圆片的键合力度；第 四 步硅片表面平坦化。 硅 片 B硅 片 A硅 片硅 片2.硅片键合硅 片 A硅 片 B硅 片硅 片硅 片3.低温剥离+高温键合硅 片 A硅 片4.平坦化1.注入氢离子H+硅 片 B硅 片 A 12Soitec公司smart-cut 工艺流程图 13 Smart-cut4.2 Smart-cut技术优点l H+注入剂量为1016cm-2，比SIMOX低两个数量级，可采用普通的离子注入机完成。 l埋氧层由热氧化形成，具有良好的Si/SiO2界面，同时氧化层质量较高。l剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。 Smart-cut技术已成为SOI材料制备技术中最具竞争力、最具发展前途的一种技术。自1995年开发该技术以来，已得到飞速发展，法国SOITEC公司已经能够提供Smart-cut技术制备的商用SOI硅片，并拥有其专利 14 Simbond5. SIMBOND工艺： 国内的SOI产业发展缓慢，目前上海新傲科技股份有限公司率先实现国内SOI的产业化。陈猛等人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。14年，新傲与法国SOITEC 签订了中国地区200mm SOI晶圆独家代理协议。 向器件片的键合面注入氧离子，高温退火形成埋氧层，这个埋氧层就是之后的腐蚀停止层。与另一片支撑片键合，然后高温退火，以形成完好的键合界面。减薄过程采用了自停止腐蚀方法来实现控制顶层硅厚度均匀性，机械研磨快速减薄到一定厚度，该过程要保 证研磨的损伤层不在埋氧层中，之后用TMAH溶液腐蚀顶层硅到注入的氧化层处停止，然后去除露出的氧化层并抛光处理，最后根据要求外延到所需要的厚度，得到均匀性很好的厚膜SOI材料，其顶层硅厚度均匀性可达士0. 05um.