3.4.16.4絕緣層 上的硅SOI (Silicon-On-Insulator, SOI)
SOI是指把一層薄薄的硅單晶覆蓋在由二氧化硅或玻璃做成的絕緣體之上(因此被命名為“絕緣襯層上的硅”，常簡稱作SOI), 其與僅僅構(gòu)建在一塊簡單的硅片上相比，在SOI薄層上構(gòu)建的晶體管，其運(yùn)算速度更快、功耗更低。
1998年8月3日，美國IBM公司宜布在世界上首次利用一種新的半導(dǎo)體村底一絕緣硅(SOI)。用SOI技術(shù)成功地研制出高速、低功耗、高可靠的微處理器芯片。其與常規(guī)的CMOS技術(shù)相比，采用SOI技術(shù)，使其晶體管開關(guān)時間比使用硅襯底減少了20%~ 25%。使芯片的功能提高了35%。又一次實(shí)現(xiàn)了摩爾定律中有關(guān)性能的跳躍發(fā)展[85]。
2000年，IBM公司宣布AS/400是第-一個 使用基于SOI微處理器芯片的計算機(jī)系統(tǒng)[86]。
由于工作速度提高了20%,相當(dāng)于在使用塊硅技術(shù)的條件下，把電路工藝水平從線寬o.22μm提高到o.18μm技術(shù)水平。這就基味著在使用相同光刻技術(shù)的情況下，sol襯底技術(shù)可以使IBM公司在處理速度領(lǐng)先業(yè)界--代的水平。
絕緣層上的硅sol是近幾年開發(fā)、研制出來用于制備抗輻射、低壓低功耗、耐高溫(其電路可在大于300匯環(huán)境下工作)、高速集成電路的首選材料，如今通常被國際上公認(rèn)為是“21世紀(jì)的硅，集成電路技術(shù)"[87,88]。
SOI材料的種類及制備方法較多，主要有[89]: 在藍(lán)寶石上進(jìn)行硅外延技術(shù);區(qū)熔再結(jié)晶ZMR技術(shù);多孔氧化硅全隔離FIPOS技術(shù);硅片直接鍵合SDB (Silicon-Wafer Direct Bonding)與背面腐蝕BESOI (Bonded and Etched-back) 技術(shù);注氧隔離SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)技術(shù);以及最近才發(fā)展起來的氫注人剝離鍵合(Smart-Cut) 技術(shù)等。目前最有競爭力的SOI制備技術(shù)是注氧隔離技術(shù)、硅片直接鍵合SDB技術(shù)和氫注人剝離鍵合技術(shù)。
(1)注氧隔離技術(shù)I它是采用大劑量氧離子注人到硅片表面內(nèi)，然后進(jìn)行高溫退火，最后得到在單晶硅表層內(nèi)形成SiO
2埋層的SOI材料。其制備過程見圖3-109所示。
” SOI,埋層
大劑量氧離子注入
硅(厚0.1~0.5um) (厚 0.2~0.8um)
、
高溫退火〉1300C
圖3-109
SIMOX制備過程示意圖
一般講，退火溫度越高，所制備的SOI材料質(zhì)量越好。退火溫度一般在1300C左右。
采用注氧隔離SIMOX技術(shù)制備的s0I材料的主要缺陷是位錯。如其位錯密度越低，則其質(zhì)量也就越好。
目前國外采用注氧隔離SIMOX技術(shù)，已能提供出直徑200mm、位錯密度小于103cm -2的商用SOI材料。
(2)硅片直接鍵合SDB技術(shù)它是將 其中的一個表面經(jīng)過熱氧化生長工藝生長一層具有一定厚度的siO2層的兩片拋光硅片，漫人具有適當(dāng)配比的酸性溶液中進(jìn)行親水處理，使硅片表面被硅醇基所覆蓋，依靠硅片之間的羧基的相互作用而達(dá)到緊密結(jié)合，再將鍵合好的硅片置于有氮?dú)獗Ｗo(hù)的高溫爐內(nèi)加熱到700C左右，使其界面發(fā)生脫水反應(yīng)，讓硅片界面形成Si- -O- -Si 結(jié)構(gòu)，然后再將爐溫度升到1000°C以上，以達(dá)到兩硅片之間的完全鍵合，見圖3-110所示。
表面減薄(膺/拋光)
硅片
高溫鍵合
SiO2層
“SiO2層、
≥1000C
圖3-110硅片直接鍵合SDB技術(shù)制備過程示意圖
鍵合后的一個硅片還要將其厚度從500μm左右進(jìn)行表面減薄處理(磨/拋光)到幾微米或更薄，以滿足制備SOI器件或電路的要求。
(3)氫注人剝離鍵合技術(shù)氫注入剝離鍵合 技術(shù)，是法國LETI公司的M.Bruel等提出的[90]。其原理是利用H+注人后在硅片中形成的氣泡層，將注氫片與另外一支撐硅片鍵合(兩個硅片之間至少有一片的表面有熱氧化SiO,覆蓋層)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎棺淦瑥臍馀輰油暾验_，形成soI結(jié)構(gòu)，最后對SOI片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。
目前都認(rèn)為氫注入剝離鍵合技術(shù)是一種比較理想的SOI材料制備技術(shù)。
氫注人剝離鍵合技術(shù)的工藝過程見圖3-111所示。
目前國際上主要的SOI材料生產(chǎn)公司是法國SOITEC公司和美國IBIS公司。
法國SOITEC公司于1998年投資5千萬美元在法國Bernin建立了新的基地，以氫注入剝離鍵合技術(shù)為基礎(chǔ)，計劃在2002年SOI材料產(chǎn)量可達(dá)到100萬片/年，并計劃將直徑200mm的Smart Cut-SOI材料的產(chǎn)量由10萬片/年提高到30萬片/年。
氫離子注入
SiO2層
高溫鍵合
氣泡層
“ siO2層
熱處理
從氣泡層完整裂開
-SiO2層
硅片A
(表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光)
圖3-111氫注人剝離鍵合技術(shù)的工藝過程示意圖
美國IBIS公司主要采用大劑量氧離子注人機(jī)Ibis 1000 和Ad-vantox工藝，生產(chǎn)直徑100~200mm SIMOX-SOI材料。
據(jù)美國半導(dǎo)體協(xié)會RoseAssociatcs(LosAltos,CA)市場分析，到2005年國際市場上SOI材料的銷售將要達(dá)到硅材料市場的10%。
SOI硅片的需求，特別是高性能的以高速M(fèi)PU的薄膜sOI芯片為中心的需求量正在擴(kuò)大。2001~2007 年的SOI硅片需求的年平均增長率約為47%，預(yù)測到2007 年相同硅片的50%.是直徑300mm硅片[91]。
隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，所需用的硅片也已從純互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 材質(zhì)向SOI等低漏電材質(zhì)開發(fā)、過渡，當(dāng)前全球半導(dǎo)體大廠中已有不少投入SOI技術(shù)的研發(fā)工作，硅片的生產(chǎn)廠商亦可同時與SOI 生產(chǎn)廠商進(jìn)行聯(lián)手合作。
日本三菱Materials公司和法國Ibis Technology公司相互聯(lián)手合作。注重SIMOX硅片的生產(chǎn)和銷售。
2000年末，法國IBIS和美國IBM聯(lián)手，以使用美國IBM技術(shù)的Advantox MLD (Modified Low Dose) 為基礎(chǔ)，由日本三菱住友硅業(yè)生產(chǎn)SIMOX硅片來應(yīng)對市場的需求。德國WACKER公司讓日本新日鐵(現(xiàn)已被德國WACKER收購)開發(fā)ITOX- SIMOX硅片。此硅片在高溫下，通過內(nèi)部氧化處理，使其氧化層(BOX)的品質(zhì)得到了改善。
日本信越半導(dǎo)體公司和法國SOITEC公司聯(lián)手，法國SOI-TEC已擁有直徑200mm硅片年產(chǎn)100萬片以上的批量生產(chǎn)體系，并也已確立直徑300mm硅片批量生產(chǎn)的計劃。
ELTRAN公司、佳能公司于2001年發(fā)表直徑150mm、直徑200mmsOI硅片批量生產(chǎn)，月產(chǎn)1萬片左右和直徑300mmSOI硅片生產(chǎn)線的建設(shè)計劃。從2002年第二季度正式投產(chǎn)后，以年產(chǎn)16000片開始，并計劃到2003年，規(guī)?？蛇_(dá)年產(chǎn)8萬片。
目前，美國IBM公司與日本東芝(Toshiba)、 新力(Sony)將共同開發(fā)90nm以下的SOI材料，意法微電子公司(ST Microe-lectronics)亦與荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司(Philips)、 臺積電等就SOI技術(shù)的開發(fā)將組成策略聯(lián)盟。
關(guān)于直徑300mm SOI硅片產(chǎn)品，德國WAKER-NSCE公司認(rèn)為，目前能夠穩(wěn)定供應(yīng)的市場也只有由日本信越半導(dǎo)體、日本三菱住友硅業(yè)和德國WAKER三家公司。據(jù)美國SEMATECH和SELETE兩個國際半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)劃組織公布的未來半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展技術(shù)路線，到2005年，半導(dǎo)體工業(yè)將著眼于直徑300 ~400mm硅基材料上。故制備大尺寸，改進(jìn)、提高SOI材料的質(zhì)量已成為國際著名半導(dǎo)體公司的戰(zhàn)略重點(diǎn)。
綜上所述，根據(jù)工藝技術(shù)的要求，選擇合理的硅單晶拋光片制備的加工工藝流程，例如按彩圖3所示(供參考)，配置相應(yīng)的工藝設(shè)備及測試儀器，并選擇合理的硅片的加工工藝、技術(shù)和化學(xué)清洗工藝及進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)格的生產(chǎn)管理，就可以獲得滿足線寬小于0.13~0.10μm IC工藝要求用、高質(zhì)量的拋光片，預(yù)期可達(dá)到的技
術(shù)指標(biāo)(水平)為:
GBIR<0. 50μm
SBIR (25X25)<0. 13( ~0.08)μm
SFQR (25X25)< <0.10( ~0.07)μm
表面顆粒>0. 12μm，<30個/片
表面金屬<109 原子/cm2
