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文档简介

1、1,概述 SIMOX BESOI Smart-cut Simbond,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。,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: 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。 功耗低

2、-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。 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。 完全消除闩锁效应。 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。 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。 SOI的技术存在的问题: 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

3、排除,影响器件性能。(FD SOI、引入复合中心) 自加热效应-BOX热导率低,4,典型1mm CMOS工艺条件下体硅和SOI器件的寄生电容(pF/mm2),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,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,SIMOX,2.1 SIMOX工艺流程: SIMOX ( Separate by IMplant Oxygen ),又称注氧隔离技术。此方法有

4、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。,7,SIMOX,2. 过程参数影响 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。 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。 退火温度:高温退火消除注入缺陷,消融顶层硅中

5、氧沉淀,促使埋层形成。 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。 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,BESOI,3.1 BESOI(Bonding and Etch

6、 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,BESOI,3.2 腐蚀减薄工艺 通常采用两种基本

7、的减薄技术:粗磨后化学机械抛光后粗磨后背面选择腐蚀 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 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SOI材料。,11,Smart-cut,4.1 Smart-cut工艺流程: 结合了离子注入和键合

8、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。,2.硅片键合,3.低温剥离+高温键合,4.平坦化,12,Soitec公司smart-cut 工艺流程图,13,Smart-cut,4.2 Smart-cut技术优点 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。 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。 剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。,Smart-c

9、ut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,Simbond,5. 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

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