【SOI技术】
拼译：silicon on insulator
它为高密度、高性能、特殊用途的集成电路提供了一种新兴的材料。其优异性能基于硅片上隔离面积和结面积的减小。SOI材料CMOS技术，基本上解决了体硅CMOS所存在的一些问题。首先，它没有寄生器件；第二，大幅度减小了PN结面积，从而减小了电容效应；第三，它的击穿电压仅受氧化层厚度限制。这样，就能够提高芯片中器件的密集程度，提高电容速度，并可在同一芯片上实现同时具有高压功率和低压逻辑功能的线路。SOI技术存在的主要问题是由于侧壁和绝缘埋层与硅衬底之间容易提供漏电通路，从而降低了器件性能。但这个问题随着氧化层质量的提高可以逐步得到解决。其次是材料本身的性质和价格。
SOI技术的研究始于60年代，首先使用了兰宝石做为衬底和绝缘体，称为SOS结构。虽然已经取得了成功，但技术上和材料上存在的问题一直阻碍其成为主流商用产品。理想的SOI技术应当突破当前技术所面临的限制，它应当能够提供与衬底绝缘的硅工作薄层(对体硅工艺的改进)，硅层应当具有与体硅完全相同的电学和材料特性(对SOS技术的改进)，应该支持更高密度的集成电路(对介质隔离技术的改进)等等。若SOI技术能够得到更为清洁的界面并提高衬底的偏置能力，则可望得到更大的发展。衬底偏置可用来控制沿衬底与硅界面的漏电流，特别是控制由辐射而引入的漏电流。SOI技术要在集成电路中占据优势，首先必须能制造高质量的SOI材料。目前较为流行的有以下4种技术。1．离子注入隐埋层SOI技术。这种技术通常称为SIMOX，其优点是：SOI材料制备只需在集成电路制造过程中，简单地增加一个步骤即可。这个步骤主要是注入参数的设置和注入后的退火过程。缺点是：形成所需要的氧注入层必须使用高压大电流的加速器。若采用电流为10mA的离子注入机，每天只能生产50片这样的硅片。要想工业化生产SIMOX硅片，必须有更大的离子注入机。2．硅片直接键合技术。也称为SDB，它首先需在两块硅片上生成热氧化层，然后将这两块硅片的热氧化层面对面的压接置入氧化炉中。两硅片间吸附的气体氧转变成SiO2，而其间所产生的部分真空便两硅片达到紧密接触。这时，硅烷键聚合形成硅网络，使两硅片发生键化学反应而达到最终键合。最后用腐蚀抛光法使硅片变薄形成SOI结构。这种方法制作的硅工作薄层可以是单晶，它的电学及材料性能均与体硅相当，且它的隐埋绝缘层厚度可以在较宽的范围调节，以适应各种不同电路的需要。它的主要缺点是硅片的均匀减薄问题。这种技术可望成为今后的SOI主流技术。3．区熔再结晶SOI技术。它首先在热生长的氧化层上淀积一层多晶硅，然后利用激光、电子束或其它手段进行区熔再结晶以形成所需要的硅膜。再结晶过程可通过有籽晶或无籽晶的方式完成。这种方法的优点是工艺简单，可以得到厚度范围较宽的绝缘埋层等。它的主要缺点是形成的硅膜中缺陷较多。4．多孔氧化硅全隔离SOI技术。这种技术最为复杂，但提供的硅膜质量较好，它利用了P硅通过阳极氧化形成多孔硅的原理。方法是首先在P－硅片表面上生成一层P层，再在其上生成一层n－层。然后将该n－层刻成n－岛，再将硅片进行阳极氧化，就能够在n－岛下形成多孔硅层，最后利用热氧化形成隔离硅岛层下的高致密热氧化层。现已采用SIMOX和SDB技术制造了具有2μm厚硅薄膜的SOI硅片。由于直接采用氧离子注入得到的SIMOX硅片的表面硅层厚度仅为0．1～0．2μm，为了得到厚度为2μm的硅膜，又在其上采用气相外延法生长了一个薄层。为了与体硅进行比较，同时制造了在n－衬底上生长6μm厚n－外延层的体硅硅片。通过对EPI(体硅)、SIMOX及SI)B3种材料膜厚的比较可以得出如下结论：SIMOX膜厚的平均值非常接近目标值2μm，其变化约为4%，与外延工艺的变化相类似(标准的外延工艺厚度变化的典型即为4%)；氧注入剂量的不均匀性对硅膜厚度的影响并不大，因为注入剂量均匀性的指标为±5%，而导致硅膜厚度的变化仅为0．02μm左右，小于外延工艺造成的膜厚变化；隐埋绝层厚度直接反映了注入剂量的变化；键合硅片的平均厚度也接近目标厚度2μm，但它的分布较为散开，这个分布直接与电化学腐蚀和抛光工艺有关。由此可知，SIMOX技术制造的SOI硅片可以极好地控制硅膜厚度，因为它不依赖于任何腐蚀和抛光工艺。其最小的硅膜厚度可达0．1μm，厚度的变化大约为0．02μm，如果硅膜厚度大于0．2μm则需增加外延工艺，其厚度起伏的典型值为4%。SIMOX技术限制了隐埋缘绝层的厚度，其原因是由于氧注入必须受到保留硅籽晶层的约束。通常的离子注入机所形成的隐埋缘绝层厚度约为0．3～0．5μm。如果采用高能量的离子注入机，则可增加这个厚度。直接键合技术可以很方便地提供不同隐埋缘绝层厚度的SOI硅片，其最小的硅膜厚度约为0．5μm左右，这是由抛光工艺的限制所决定的。膜厚的变化可以控制在±0．3μm，在实验室水平下，膜厚的变化甚至可达±0．01μm。隐埋氧化层厚度不受其它工艺的影响，可以在很宽的范围内变化，一般为0．4～4μm。直接键合硅片可以具有良好的单晶质量的硅膜，这对于许多应用场合也是非常有吸引力的。为了使直接键合硅片进一步均匀减薄，人们已提出了腐蚀自停止等方法。如果彻底解决了均匀减薄问题，使其最小硅膜厚度可控制在0．1μm左右，则直接键合硅片的应用前景将是非常光明的。表给出了3种材料制成的器件参数，包括阈值电压和击穿电压。从表中可以看到，各种管子的阈值电压均为该工艺所允许的正常值，它们的击穿电压也是相近的，平均值为14～15V。直接键合硅片的n沟管击穿电压平均值略小一点，是由于其中有几个管子表现了低击穿电压，这也是由于减薄不均匀所致。直接键合硅片的大部分管子所表现的击穿电压分布几乎与体硅器件相同。表1 三材料制成的器件参数的比较
I=I0exp(qV／nkT)
对于以扩散电流为主的理想二极管，n=1．0。直接键合器件与体硅器件是较为一致的，而SIMOX器件由于复合电流的影响，偏差较大。但这些值仍是可以接受的，表明它的原始材料相对较好。SIMOX和SDB器件均有一定的抗辐射性。SDB器件的软失效率比体硅器件大为降低，两者相差达数百倍。这是由于SOI器件的硅膜较薄，α粒子等辐射在SOI硅膜中产生的少子较少，使SOI器件的软失效率大为降低，故抗辐射能力增强。各种SOI技术都具有自己的特点。从所获得的硅膜质量来看，直接键合硅片提供了电学性能最好的硅膜，而SIMOX和ZMR硅片中由于含有较多缺陷，引起漏电流的增大。从提供所需的SOI结构和适当控制的能力来看，SOI技术还有不足之处。从抗辐射的角度来看，SIMOX和SDB硅片均有一定的抗辐射性。从应用角度来看，由于SIMOX器件表现了较好的参数一致性，对于高密度和抗辐射CMOS集成电路，特别是对需要很薄硅膜(如亚微米级)的应用场合，应选用SIMOX技术。而SDB硅片由于具有较低的漏电流，对某些先进的双极型器件和高温高压应用场合是适宜的。在这些应用场合需要的硅膜相对较厚，从而降低了最小膜厚和膜厚不均匀的重要性。(东南大学陈军宁、童勤义撰)