SOI技术优势及制造技术

摘 要： 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。

关键词：器件结构；制造工艺；绝缘体上硅

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0710001－02

0 前言

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。

1 SOI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。

1.1 SOI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。

1.2 SOI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SOI MOSFET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。

2 SOI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SOIT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1250℃）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SIMOX SOI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。