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浅谈 SOI技术及其优点与应用 （李元凯 西安电子科技大学 710126）摘要：与体硅材料和器件相比，SOI具有许多的优点。比如高速度、低功耗、低软错误、抗闭锁效应、与现有的硅工艺兼容等，因此被称为二十一世纪的微电子技术。SOI技术也越来越受到业界的关注。本文综述了SOI技术及其优点与应用。 关键词：SOI(Silicon -on-insulator) 寄生电容 闭锁效应 SIMOX技术BESOI技术 Smart-Cut技术 ELTRAN技术1、前言集成电路发展到目前极大规模的纳米技术时代, 要进一步提高芯片的集成度和运行速度, 现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限, 在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战, 必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前在材料方面重点推动的绝缘体上的硅(SOI ,Silicon- on- insulator)等, 被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一,是维持Moore 定律走势的一大利器。图1 为国际上SOI材料头号供应商- - 法国Soitec 公司给出的先进材料的发展路线图。SOI、绝缘体上应变硅(sSOI)和绝缘体上锗(GOI)将成为纳米尺度极大规模集成电路的高端衬底材料。2、什么是SOI?SOI（Silicon-On-Insulator）指的是绝缘衬底上的硅。SOI技术被国际上公认为“二十一世纪的硅基础电路技术”。它是一种在硅材料与硅集成电路的巨大基础上出现的、有独特优势的、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。SOI的基本结构如图2所示： 图2：（a）绝缘体作为衬底 （b）绝缘薄膜位于绝缘体上3、SOI技术的优点 SOI是一种具有独特的“Si/ 绝缘层/Si”三层结构的新型硅基半导体材料。它通过绝缘埋层( 通常为SiO2) 实现了器件和衬底的全介质隔离, 在器件性能上具有以下优点:1) 减小了寄生电容, 提高了运行速度。与体硅材料相比, SOI 器件的运行速度提高了20- 35%;2) 具有更低的功耗。由于减小了寄生电容, 降低了漏电, SOI 器件功耗可减小35- 70%;3) 消除了闭锁效应;4) 抑制了衬底的脉冲电流干扰, 减少了软错误的发生;5) 与现有硅工艺兼容, 可减少13- 20%的工序。SOI 在高性能超大规模集成电路、高速存贮设备、低功耗电路、高温传感器、军用抗辐照器件、移动通讯系统、光电子集成器件以及MEMS(微机电)等领域具有极其广阔的应用前景.3.1 寄生电容目前的CMOS集成电路绝大部分是在体硅衬底上制造的,这主要是由于采用柴可拉斯基直拉或区熔技术能生产出电子级纯度的硅材料,且在硅上可生长高质量的氧化物,这在锗或化合物半导体上实现起来是很困难的。然而,在体硅上制造的MOSFET 的硅片厚度约500m ,但只有硅片顶层(约1m厚) 用于制作器件,器件和衬底之间的相互作用引起了一系列寄生效应,即结与衬底本体之间的电容,以及结与场氧化层下面的沟道隔离注入层之间的电容。其中源、漏扩散区与衬底之间的寄生电容随衬底搀杂浓度增加而增加。由于现代的深亚微米器件中,衬底浓度比常规MOS器件的浓度高,因此,这个寄生电容变得更大。但在SOI器件中,结与衬底的最大电容是隐埋的绝缘体电容(见图3)。该电容正比于电容材料的介电常数,而SiO的介电常数约为Si的1 /3 ,因此,隐埋二氧化硅层的寄生电容大大小于体硅结的耗尽层电容,它不随电压降低、器件尺寸缩小而增加。另外, SOI器件的布线等寄生电容,如硅衬底和多晶硅层、金属互连线之间的电容也减少了。在U LSI向深亚微米方向发展时, SOI器件的寄生电容小的优势更加明显,寄生电容的降低将明显提高电路的速度。 图3 ：SOI n沟道MOSFET剖面图 3.2闭锁效应闭锁( latch-up)效应,或称为可控硅效应,是体硅CMO S 电路中的一个特有问题。从图2所示CMOS的断面结构图上,可以看到其内部存在纵向N PN、横向PN P两个寄生双极晶体管,它们分别由衬底、阱和源、漏结构成。若以Rw 表示P阱的电阻,Rs 表示衬底的电阻,其它掺杂区的内阻略而不记,那么这些寄生晶体管和Rw、Rs 一起便形成了图4所示的正反馈电路构成了可控硅结构。当电流放大系数U1* U2 1,且两个晶体管的基极-发射极正向偏置,闭锁效应即可触发。如果采用SOI衬底(见图1) ,由于没有到衬底的电流通道,闭锁效应的纵向通路被切断, SOI电路将具有很好的抗闭锁性。图4：体 COMS中的寄生晶体管纵向npn和横向pnp双极晶体管4、SOI的主要制备工艺 4.1注氧隔离的SIMOX 技术注氧隔离的SIMOX 技术受到美国IBM 公司的极力推崇, 是迄今较先进和成熟的SOI 制备技术。该技术的工艺主要包括氧离子注入(用以在硅表层下产生一个高浓度的注氧层)和高温退火两个步骤。此步处理是为了消除注入损伤。一般形成的SOI 材料的质量的好坏与退火温度的高低成正比。目前SIMOX 圆片制备技术发展动向是低剂量注入和薄隐埋氧化层圆片。低剂量注入可降低品片的生产成本, 并可减少对晶片的沾污。薄的隐埋氧化层能减少短沟道效应, 改善散热, 提高抗辐射性能。4.2键合再减薄的BESOI 技术硅片键合方法首先由IBM 公司的Laskey 和东芝公司的Shimbo 等用于制备SOI 材料。该制备技术的要点是在一枚硅片上制作SiO2 绝缘层, 然后在其上面与另一枚硅片键合, 最后对键合硅片背面进行化学腐蚀减薄形成SOI 结构。这项技术工艺简单, 成本低, 易于制作大尺寸的SOI 材料等特点。4.3 Smart-Cut 技术和ELTRAN 技术由于BESOI 技术消耗两块晶片而只生产一块SOI 基片, 效率较低, 目前已被晶片键合加上薄层转移技术所普遍取代。将键合和注入相结合的Smart-Cut 技术、外延层转移的E LT RAN 技术就是目前较有竞争力的薄层转移技术。Smart-Cut 技术由Bruel , Aspar 等人提出 。法国的SOITEC 公司已利用这项技术批量生产出高质量的Unibond SOI 片。Smart-Cut 技术原理是利用H +注入在Si 片中形成气泡层, 然后再将注氢片与一个支撑片键合(两个硅片间至少一片的表面要有热氧化SiO2 覆盖层), 经适当的热处理使注氢片从气泡层完整裂开, 形成SOI 结构。它主要包括4 个步骤:(1) 离子注入。(2) 键合。(3) 两步热处理:第一步热处理使注入、键合后的硅片从注H+气泡层分开, 形成SOI 结构, 将形成的SOI 片进行第二步高温处理, 加强键合强度。(4) SOI 表面化学机抛光。Smart-Cut SOI 材料的特点是顶部硅层的厚度可通过离子注入工艺参数的变化来控制, 顶部硅层的质量相当于抛光硅片, 隐埋层完整。另外, 硅片剥离后, 还可能回收重新使用, 从而节省原料, 降低制造成本。这项技术结合了离子注入和硅片键合两种技术的优势, 这相比于SIMOX 工艺和BESOI 工艺是一个很大的竞争优势。外延层转移技术是日本CANON 公司开发的制备SOI 材料的最新技术。其工艺原理是通过在键合前在结构中引入多孔硅以获得可控的键合晶片的分裂。首先在硅晶片表面形成两个不同多孔率和机械特性的多孔硅层, 因此晶片会正好在这两层间裂开。氢气氛中热处理后, 在单晶多孔硅上外延生长硅, 在整个工艺中, 硅都保留原来晶向。随后, 这个晶片被控合到第二块氧化晶片的表面, 室温下在高压纯水的喷射下开始裂开。开裂后, 原来的晶片可循环使用, 表面成原子级光滑。ELTRAN 最突出的优点是类似于外延解决了COP 问题, 对提高薄膜SOI 器件的成品率有极大帮助。5.SOI的主要应用 1998 年以后SOI 商业用途取得了重大突破。SOI 电路的高速度、低压、低功耗和大容量等特点,使其具有广阔的商业前景。目前SOI 技术的主要应用有以下几个方面。5.1 0. 250. 18 m 级以下微处理器等高端产品领域的应用IBM 曾宣布他们第一个基于SIMOX-SOI 的产品便是服务器和工作站的微处理器。在1998 年他们进行了基于SOI 技术的CMOS-7S 技术生产(0. 28 m), 2000 年中期IBM 进入了0. 18 m 工艺上的CMOS-8S 体硅微处理器制备, 并在2000 年初更新到8S-SOI 技术, 其远行速度超过了1 GHz 。2001 年他们又开始研发0. 18 0. 13 m SOICMOS工艺。5.2抗辐照、高温、高压器件等高性能专用电路领域的应用(1) 抗辐照电路体硅材料制作的电路在受到瞬时辐射或重离子轰击时会产生较大的光电流, 降低电路性能, 甚至损坏电路。而SOI 电路由于全介质隔离, 无闩锁效应, 可减小上述现象的产生, 抗辐照性能得以很大提高。(2) 耐高温集成电路由于SOI CMOS 电路在高温下漏电流小、无热激闩锁效应、阈值电压漂移小, 因此SOI CMOS 很适合在高温环境下工作, 如在油井或气井探测、汽车的点火与排气、航天飞行的引擎监测及民用核能等方面的应用。300 以上时用SOI 制作的4 k , 16 k 及256 k RAM 和500 以上时SOI CMOS 振荡器电路都获得了满意的效果 。5.3 医学生物方面的应用例如利用SOI 材料可以制作软衬底SOI 视网膜模拟器植入人的眼内。对于植入的器件, 一方面需要满足医学方面的要求使电路集成的体积做到最小化。另一方面, 植入体又要具有平面上的灵活性,通过施加相当小的力就可以形成视网膜的形状。开发的SIMOX 衬底硅结构技术就能满足上述机械特性方面的要求。6，结束语SOI 技术具有诸多体硅不可比拟的优点, 但经多年的发展, SOI 技术仍然没有取代体硅成为IC 的主流技术, 其中一个主要原因便是缺乏低成本高质量的SOI 衬底材料 。近年来由于对SOI 研究的深入, 制备技术取得了重大的进步, 随着低剂量SIMOX技术 以及Smart-Cut 和ELTRAN 等制备技术的出现, 这个障碍正在逐渐消除。与CMOS 相比, SOI 器件具有较小的漏电容和体效应等特性, 且SOI 的批量化生产技术正在逐步走向成熟, 这些都为SOI技术的发展带来了新的契机。因此, 加大对SOI新技术的研究投入具有非常重要的战略意义 参考文献1，J.P.Collinge， SOI Technology:Materials t VLSI，Kluwer Academic Pub.(1991) 2，SOI材料的发展历史、应用现状与发展新趋势（上） 上海新傲科技有限公司 陈猛 王一波 中国集成电路 （2007）3，SOI-二十一世纪的硅集成技术 中国科学院电子研究所 伍志刚 凌荣唐 微电子学 （2001）4，SOI-二十一世纪的微电子技术 中国科学院上海冶金研究所信息功能材料国家重点实验室 林成鲁 张苗 功能材料与器件学报 （1999）5，SOI技术的发展思路 同济大学电子科学与技术系 陈昕 电子器件 （2010）6，ASPAR B , BRUEL M , MORICEA U H , et a l. 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Journal of High Speed Electronics and Systems Introduction to SOI technology and its advantages and application(Yuankai Li ;XIDIAN University 710126) Abstract: Compared with the bulk silicon material and devices, SOI has many advantages, Such as high speed, low power consumption and low soft error, anti blocking effect, compatible with the existing technology and so on, therefore it is called microelectronics technology in the 21st centur