绝缘体硅片(绝缘体上硅)

绝缘体硅片

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绝缘体硅片(SOI)

绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，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。随着信息技术的飞速发展，SOI技术在高速微电子器件、低压/低功耗器件、抗辐照电路、高温电子器件、微机械（MEMS）以及光通信器件等主流商用信息技术领域的优势逐渐凸现，被国际上公认为是“二十一世纪的微电子技术”、“新一代硅”。

SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘硅。随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提升、闩锁效应和短沟道效应等。为了克服这些问题，SOI技术应运而生。作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。SiO2埋层能有效地使电子从一个晶体管门电路流到另一个晶体管门电路，不让多余的电子渗漏到硅晶圆上。SOI器件具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越来越受业界的青睐，世界项级半导体厂商IBM，英特尔、TI、飞思卡尔、飞利浦、AMD、台积电和三菱等先后采用SOI技术生产各种SOI IC。为此，SOI市场发展迅速。

SOI中“工程化的”基板由以下三层构成：

（1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路

（2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层

（3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。

目前制造SOI晶圆的方法主要有两种：一是注氧隔离法（SIMOX）；二是智能剥离法（Smart-cut）。注氧隔离法是采用大束流专用氧离子注入机把氧离子注入到硅晶圆中，注入剂量约为1018/cm2，然后在惰性气体中进行≥1300℃高温退火5h，从而在硅晶圆顶部形成厚度均匀的极薄表面硅层和Si02埋层。该方法的优点是硅薄层和SiO2埋层的厚度可精确控制，其缺点是由于氧注入会引起对硅晶格的破坏，导致硅薄层缺陷密度较高，该方法的领头厂商是美国Ibis Technology公司。该公司不仅制造SOI晶圆，而且生产大束流专用氧离子输入机。但是该公司于2004年7月宣布退出SOI晶圆市场，仅提供SOI晶圆制造设备。

智能剥离法是利用中等剂量氧离子注入，在一个硅晶圆中形成气流层，然后在低温下与另一个硅晶圆（SiO2/Si）键合，再进行热处理使注氢的硅晶圆片从气流层剥离出来，最后经CMP使硅表面层光滑。该方法的优点是硅薄层缺陷密度低，硅薄层和Si02埋层厚度也易控制。该方法的领引厂商是法国Soitec公司，该公司能量产φ200/φ300mmSOI晶圆，能提供各种硅薄层和SiO2埋层厚度的SOI晶圆，主要有3个品种，PD（部分耗尽）、FD（全部耗尽）和UT（超薄）UHIBOND。

SOI晶圆分厚层和薄层晶圆两种。厚层SOI晶圆适用于制造大功率IC，高压器件、MEMS传感器和红外光学器件等；薄层晶圆适用于制造高速MPU、存储器等。厚层SOI MOS器件的硅表面层厚度大于2倍栅下最大耗尽层区宽度。薄层SOI MOS器件的硅表面层厚度小于栅下最大耗尽层的宽度[3]。当硅表面层厚度变薄时，SOI MOD器件从PD向FD转变，目前SOI器件制造商均致力于发展FD SOI器件，现在大多数PD SOI器件的硅表面层厚度为100nm；当达到50nm时，可能有一些SOI器件部分耗尽，而另一些器件则全部耗尽，当小于50nm时，SOI器件全部耗尽，ITRS2001要求2005年PD顶部硅表面层厚度达48－80nm，FD顶部硅表面厚度达10－16nm，2006年PD顶部硅表面层厚度达42－70nm，FD顶部硅表面层厚度达8－14nm。FD SOI MOS器件具有较大电流驱动能力，陡直的亚阈值斜率，较小的短沟道，窄沟道效应和完全消除Kink效应等优点，特别适用于高速、低压、低功耗电路的应用。2004年业界已采用超薄SOI晶圆推出0.1μm、1亿个晶体管的高速CMOS电路。