硅谷杂志：SOI技术优势及制造技术 |
| 2012-08-07 11:04 作者：林 云 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月7日消息 《硅谷》杂志2012年第12期刊文称,介绍SOI器件结构，SOI优点，SOI制造方法；面对未来工艺设计竞争、挑战的思考。
自1959年集成电路发明以来，特别是进入七十年代以后，集成电路规模由单元电路向子系统甚至全系统（整片）集成，向超大规模集成的方向发展；半导体工艺向微细加工技术（高精光刻技术、精确控制掺杂技术、薄膜与超薄膜生长技术）发展，典型工艺经历模拟电路双极型器件工艺、I2L/双极型相容的数字和模拟兼容工艺，数字电路的NMOS、CMOS工艺，Bi-CMOS兼容工艺以及智能的BCD工艺技术。一句话，即终端产品更多希望朝向高集成、高速度、低耗电、性能可靠稳定和多功能整合方面推进。微电子发展史，各种相容技术、兼容工艺的创新无一不凝聚着先驱者的聪明才智----对半导体物理原理，电子线路，材料的性质和加工技术深刻理解和掌握的结晶。
SOI（Silicon-on-Insulator）是“绝缘体上硅”的缩略语。SOI技术是一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现、有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。和常规体硅器件相比，SOI的优点为其结漏电小、结电容小、寄生电容小，在低功耗、高工作速度、抗干扰、抗辐射性能容忍度、高集成密度等方面也都更胜一筹。因此，SOI技术被国际科技界誉为是“二十一世纪的微电子技术”、“新一代硅”，未来将大有作为！
本文对SOI器件结构、SOI器件与体硅器件差异作比较、优越性作一简明介绍。最后介绍几种SOI晶片的主流制造技术及面对发展趋势的思考。
1SOI结构及优势
SOI技术包括蓝宝石上硅、尖晶石上硅、氮化物上硅以及氧化物上硅等数种绝缘层上硅器件。氧化物上硅技术（本文所关注的也主要是氧化物上硅器件）现已步入实用化。
1.1SOI结构
制造SOI结构器件其工艺与传统工艺不同，它是在硅基板和实际有效硅层之间嵌埋一层Si02绝缘层，以此绝缘层作为基板来制造晶体管并利用氧化物介质隔离芯片上所有的元器件，该技术能在一颗芯片上实现兼容双极、CMOS和高压DMOS器件。
SOI结构器件依据沟道层的厚度不同，可以区分为二种器件结构：
1）部分耗尽SOI器件。该类器件使用较厚的硅沟道层，沟道中的耗尽区宽度不会超过硅层的厚度，其器件设计、表现类似于本体CMOS。但也有不同点，最主要差异在于SOI器件使用浮衬底。浮衬底有一缺点，它能产生浮体效应，该效应会使电流退化。其机理为：对N沟道CMOSFET来说，当NCMOS工作时，漏极附近大电场容易造成雪崩倍增，雪崩倍增产生的多数载流子由于在P衬底内没有接点（SOI结构中绝缘体将有源区Si区域和本体隔离）将其带走，这些多数载流子（空穴）将积累、储藏在衬底中，这样衬底的电势将会导致阈电压的浮动以及可能导致电流----电压特性产生增强、特征曲线出现扭结现象。以前扭结效应在SOI浮衬底器件中是常易发生的，是一种缺陷。目前已有一种专利技术，该技术通过设置接触栓利用其形成的反向偏压来消除这一缺陷，效果理想。
2）完全耗尽SOI器件。该类器件使用足够薄的硅晶层，以至于在达到阈值电压之前晶体管的沟道已完全耗尽。故器件无论在较低的电场下还是在强电场下都可以正常工作，且即使在强电场下该模式器件也不会产生扭结效应。低电场工作环境是完全耗尽SOI器件设计、应用的最佳条件。
1.2SOI器件优势
有关研究发现S01器件与本体Si器件相比有如下诸多优点：①功耗小，在相同的工作速度下，功耗可降低50％～65％；②工作速度快，在相同的特征尺寸下，工作速度可提高35％；③静电电容小，寄生电容小；④抗辐射性能好，抗辐射强度是Si器件的50-100倍；⑤可靠性高SOIMOSFET中的热电子退变要比体硅弱，SOI的寿命更长，可靠性更高。⑥集成密度高，比传统方法能更进一步有效提高IC芯片的集成度；⑦光刻版数减少元器件被绝缘层相互隔离，无需复杂的阱结构，光刻版可相对减少，利于降低生产成本。
无闭锁效应是SOI器件的突出优势。CMOS工艺是目前超大规模集成电路的主流工艺，但体硅CMOS器件寄生可控硅效应使电路设计者大伤脑筋，要花大力气去防范。而SOICMOS器件其基本单元反相器中PMOS管、NMOS管分别制作在SOI材料顶部薄Si层中，二管是相互隔离的，不具备（存在）pnpn寄生可控硅结构，则闩锁现象也就不复存在。
2SOI晶圆制造方法制备SOI晶圆的方法很多，但近年来最流行、最成熟、充当主力的则是以下三种：注氧隔离法（SIMOX）、硅片键合法、智能切割法。这三种技术各有优点，都有可能在VLSI中得到广泛应用。2006年公开的一种SOI—T型有源结构若不涉及专利技术限制，则制程方法更易推广。
2.1注氧隔离法SIMOX
氧离子注入隔离法是一种采用离子注入机把氧离子注入到硅晶圆衬底内，然后在惰性气体中进行高温退火处理便形成Si/SiO2/Si结构的SOI晶圆片之方法。
SIMOX的基本工艺包括：
1）氧离子注入（一般能量取150～200Kev，剂量大于1×1018/cm2）。
2）高温（大于12500C）热退火1-4h。
3）晶园清洗。
离子注入工艺优劣决定SIMOX技术晶片的产量、成本和基材质量参数。最新的研究报导〕，使用轻掺杂衬底，BOX厚度可降至50nm，而不影响电路和速度的功耗特性；低的注入能量和注入剂量能降低晶片的沾污；薄的BOX层能减少短沟道效应，改善散热，提高抗总辐射剂量。低剂量、薄隐埋氧化层（150-200nm）是SIMOXSOI材料的发展趋势。
2.2硅片键合技术
硅片键合法又称粘合法，它由热氧化、注氢（或氦），低温粘合、剥离、退火和CMP（化学机械抛光）等工序完成。
基本工艺过程：
1）首先在两个硅晶圆上都形成一层氧化物，由于氧化物表面之间具有亲和力，一旦面对面粘合并通过加热，便可使它们牢固粘合（键合）在一起上。
2）有源区硅层利用机械研磨和（化学）抛光将其中一片减薄到规定所需的厚度，即形成SOI结构。
该法技术成本较高，如何简化工艺，提高设备产出率是降本手段。
2.3智能切割技术
智能切割技术综合了SIMOX和硅片键合两种方法的优点：其一，成功的解决了键合法纪中硅膜的减薄问题，可获得均匀性很好的顶层硅膜，且硅膜质量接近于体硅；其二，剥离下来的硅片可再利用，可作为下一次键合的衬底，大大降低了硅片成本。智能切割的独创性在于通过注H+并在加热的情况下形成气泡，使晶片在注入深度处发生断裂，达到减薄的目的。
工艺主要包括四个步骤：
1）H+离子注入长有介电层SiO2硅片A中。典型的注入剂量为3.5×1016～1×1017。
2）对主片A和支撑片B清洗，然后低温键合。B起到“加热板”的作用。
3）两步热处理：1）400～600OC使A在H原子分布峰处剥离，其中一薄层单晶硅和支撑片B形成SOI结构；2）在1100OC氮气气氛下高温再处理，以增强键合强度和恢复顶层硅膜的注入损伤。
4）表面抛光，指标粗糙度≤0.15um。
2.4SOI-T型有源结构（专利）
该法形成的SOI形状结构包含T型有源结构和用于反向偏压的体接触¬¬。结构优势：T型有源结构用于降低通常阻碍体晶体管效率的短沟道效应及结电容；反向偏压装置用于将所产生的空穴离开SOI晶体管区域的渠道，到起降低浮体效应之之作用。
基本工艺流程：
Si衬底〈100〉→淀积SiO2（0.1μm）→淀积Si3N4（0.01μm）→淀积SiO2（0.1μm）→涂胶→光刻腐蚀（刻Si3N4层上SiO2）→去胶→涂胶→光刻（相当于栅下的Si3N4）→刻蚀Si3N4、SiO2层→去胶→刻蚀Si3N4（清胶后暴露的Si3N4层）→热氧化（0.01μm，补救底部Si表面刻蚀损伤）→去除薄热氧化层→外延生长（以形成有源区晶体管T型结构基材）→化学抛光（平整外延表面）→热氧化（0.01μm，补救因抛光引起的Si表面损伤）→阱注入（对SOICMOS工艺而言，N管P阱，P管N阱）→栅极放置（多晶硅生长、刻蚀）→注入源、漏极（按N管P管不同而作，到此T型晶体管结构形成）→后续工艺与传统工艺相同，注意加做工艺兼容的接触栓（即反向偏压的体接触）。
SOI-T型有源结构制程方法易推广，但涉及专利技术制约。
3结束语
SOI结构器件因是全介质隔离的元件、无闩锁效应、有源区面积小、寄生电容小、泄漏电流小、有着诸多体硅结构器件不可比拟的优点，尤其能工作在各种恶劣环境中，因此，SOI技术无疑将在抗辐照电路、耐高温电路、亚微米及深亚微米VLSI、低压低功耗电路及各式消费类集成电路中有着广泛的应用。
目前SOI技术国际上已步入实用化，主要厂家分布在美国、欧洲、日本、韩国以及台湾等地区，核心技术仍掌握在少数世界顶尖半导体公司手中。国内SOI技术研究起步还是较早的，自1994年以来到2006全国大型技术研讨会已经召开过六届，每届通过技术交流、总结，都有力地推动、促进了我国SOI技术的研究、应用与提高。但现阶段我国在SOI器件、电路产品产业化仍是薄弱、不强。不过，SOI材料（晶园基材）方面获得了突破。上海新傲公司2001年已成为国内首家商业化绝缘体（SOI）晶圆厂，采用SIMOX工艺技术生产，具备年产3万片生产能力，其质量在绝缘体上硅领域处于国内领先地位，解决了我国SOI材料的需求，并且高质量的SOI晶圆也被美国英特尔、三星和德国西门子等批量采购使用。北京有色金属研究总院采用在SOI衬底上连续外延生长Si缓冲层、SiGe层和Si帽层，随后进行原位低温热处理方法也获得了应变的Si/SiGe/SiSOI异质结构晶园。应变硅能够提高电子和空穴的迁移率，有希望成为高性能金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFETs）的n型和p型沟道材料，此项技术整合了绝缘体上硅和SiGe技术的优点。
观察整个IC行业技术走向，由于SOI技术出色的产品性能、卓越的集成密度、对未来产品竞争是非常有利的。SOI技术必将成为IC制程的主流工艺之一，建议电路设计者应密切关注、详加留意此趋势，与代工工厂密切合作，建立相关技术储备。
本文的写作有感于对TDA8932T的解剖工作；完成本文还得感谢同事张殿军提供、整理的资料。
作者简介：
林云（1958-），广西陆川人，1982年元月毕业于武汉大学物理系半导体物理专业，82年以来一直从事集成电路的设计和研制工作，先后获“七•五“、”八•五“国家重点科技攻关荣誉证书；获省、部科技进步奖三项，现为华润矽科微电子有限公司高级工程师。（原文载于《硅谷》杂志2012年第12期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）
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