SOI 更新时间：2011-05-29 07:20

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SOI (Silicon-On-Insulator)是一种用于集成电路制造的新型原材料，替代目前 大量应用的体硅(Bulk Silicon) 。SOI 是指绝缘层上的硅，作为一种全介质隔离技术，SOI 材料研究已有 20 多年的历史，发展了多种 SOI 圆片制造技术，其中包括 Bonding、激光再结晶、注氧隔离（SIMOX, Separation by Implanted Oxygen） 、智能剥离（Smart-cut）以及最近发展起来的等离子浸没 。

SOI的优势

• SOI几乎在体硅电路的各个应用领域都表现出巨大的优势。

  随着体硅CMOS技术的发展，器件的特征尺寸的持续缩小正面临着巨大的挑战，即持续的特征尺寸的缩小导致的寄生电容的增加、短沟效应的恶化、热载流子的退变等。而SOI技术由于它特殊的结构使得它具有了较高的跨导、降低的寄生电容、减弱的短沟效应、较为陡直的亚阈斜率，这些特点为SOI作为CMOS LSI的主流技术奠定基础。

  当前，SOI电路和器件的一个主要应用是空间及军事电子领域，这主要归功于埋氧的存在使得SOI技术具有了抗瞬时辐射效应的能力。目前SIMOX存储器电路具有SEU失效率为10-9/位.天 并且在1011rad(si)/s的剂量率辐照下仍然能保持电路功能。这些数字表明，与体硅电路相比，SOI电路的抗辐照强度提高了100倍。SOI技术的另一应用是耐高温电路。在高温环境下，SOI器件性能明显优于体硅器件。这是由于高温下的SOI器件与体硅器件相比，由于SOI器件的源和漏结面积的减小使得泄漏电流降低很多。在SOI器件中，由于不存在隔离阱P－N结，使得高温时的泄漏电流和功耗降低的更多。据以报道的在300。C和500。C温度下仍能工作的SOI CMOS电路与工作温度上限为250。C的体硅CMOS电路的特性相比，可知SOI CMOS电路的耐高温性能。

  另外，随着器件特征尺寸的缩小和电路集成度的提高，与体硅技术相比SOI的高速、低功耗优点变得越来越明显，而这些优点为SOI在高速、低功耗的逻辑LSI电路的应用中提供了可能性。另一方面，在RF射频和模拟电路应用中，SOI技术同样具有了很多吸引人的特点如采用高阻（>1KΩ.cm）的硅衬底制作的高品质因子的无源电感和基于SOI技术的数模混合电路之间串扰的减小等。同时，基于SOI的动态阈值MOSFET结构的特征频率达到了185GHZ，这进一步推动了SOI在射频领域的应用。

  在低压应用方面，一个在0.5V工作电压下工作的采用SOI栅体连接结构的ALU已经设计成功，该ALU可以在200MHZ下工作，静态功耗为2mW。这主要是由于SOI的独立的体电势控制在泄漏电流抑制和高速工作中显现了优越性，它同时为未来的低功耗LSI系统奠定了基础。

  在存储器应用中，基于SOI的DRAM具有了较体硅快20-30％的存储速度和可以在较低的电压下工作的优点。另外，SOI－DRAM的软失效率为零。这一特点为SOI在逻辑LSI电路和imager应用中提供了进一步 的可能性。

  除了以上SOI在电路应用中所具有的体硅电路所无法比拟的优点以外，SOI在器件的不断尺寸缩小中亦显现它的优势。随着ITRS的Roadmap的不断推进，基于体硅衬底的器件特征尺寸的持续减小越来越难以实现：栅氧化层采用高K介质所带来的工艺兼容性等问题、源漏的直接隧穿电流的增加、热载流子的退变及短沟效应的恶化等等使得器件特征尺寸的进一步减小越来越趋于物理极限。而SOI由于它特殊的埋氧结构却可以减缓Roadmap的进程，通过结构的调整来获得体硅所无法比拟的优点。目前基于SOI的UTB（Ultra-Thin-Body）结构和DG（Double-Gate）结构在很大程度上解决了体硅器件连续尺寸缩小所遇到的问题，减弱了短沟效应、增大了驱动电流、改善了亚阈斜率。因此可以说，SOI技术将是器件特征尺寸进入纳米领域的首选技术，它无论是在器件的尺寸减小还是在射频亦或是在低压、低功耗等应用方面都表明它将是未来SoC的主要技术，具有非常广阔的发展前景。

SOI的主流技术

• 1 离子束合成SIMOX技术

  离子束合成(IBS)是在靶材料如硅中注入高能量离子形成第二相的过程。包括注入O+, N+或 Co+至单晶硅中合成SiO2, Si3N4 或CoSi2埋层。目前情况下，SiO2 埋层的合成已是在商业上可以实现的SOI技术，由Izumi等人提出缩写为SIMOX（注氧隔离）。SIMOX的两步工艺包括：(a)高剂量(1×10 17 O+cm-2-2×1018 O+cm-2)注入氧离子至加热靶中，氧离子能量在50 keV到 200 keV 之间；(b)进行高温退火以消除晶体缺陷并且注入的氧再分布以形成均一、符合化学剂量比的SiO2埋层和原子级的陡直Si/ SiO2界面。图1 给出了SIMOX工艺示意图。毫无疑义，SIMOX是最成熟的SOI技术，目前商业上已经可以量产高质量的SOI基片。

  注入过程中形成的氧化层是非晶的，而且由于过量硅在氧化物中的较高迁移率使得氧化层具有符合化学剂量比的SiO2成分，甚至在持续高温（约熔点以下几度退火）过程中，氧化层仍然保持非晶结构和化学剂量比的特性，这样有可能形成高质量的SOI/SIMOX基片。

  2 薄层转移技术

  消耗两块晶片而只生产一块SOI基片的低效率 BESOI技术已经被晶片键合加上薄层转移技术所普遍代替。以下三种有竞争力的方法分别在法国，日本和美国发展起来。

  （1）Smart-cut: 此技术的先驱Bruel在1995年发表Smart-cut的文章，此工艺优点如下：(a)硅层厚度由注入的H+的范围（能量）精确定义；(b) 晶片分裂易于把薄层 (≈1 mm)从一块晶片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循环使用。通常包括注入5 ×1016 H+ cm-2至二氧化硅覆盖的晶片中，能量为5 ～70 keV。键合之后，进行两步热处理：首先在大约500℃退火，使得硅膜和整块晶片分开；随后在大约1100℃进行第二次热处理以加强转移层和基片之间的结合强度；然后稍微对表面进行化学机械抛光，去掉残留损伤，为器件制备提供光滑表面。

  （2）ELTRAN:在Canon的外延层转移(ELTRAN)工艺中，通过在键合之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之间裂开。氢气氛中热处理之后，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，这个晶片被键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。开裂之后，原来的晶片可以循环使用，表面成原子级光滑。

  （3）Nano Cleave: 这是在美国Silicon Genesis Corp发展起来的另一个层转移工艺，它是Smart-cut工艺的变种，采用注入H+形成应力层，在室温下晶片开始裂开。在这个工艺中，晶片在室温下机械开裂，形成光滑硅平面，在器件制备之前不需要抛光。

SOI技术发展的新动向

• 1 SOI制备新技术--混合过程

  Silicon-on-Anything (SOA): 此项技术由Philips开发，是把已制备IC的薄层硅膜转移到象玻璃之类的低成本绝缘基片上的技术。最近，已经采用Smart-cut工艺生产出石英上的硅（SOQ）基片。和传统的SOI相同，它产生较低的漏电流，由于其较低的寄生电容，高频下电路性能得到了提高。

  Silicon-on-Nothing (SON): 这是一项由LETI 和ST 微电子为小尺寸CMOS发展起来的高级混合技术。SON通过“空桥”结构在沟道下形成局域的绝缘体上硅。采用择优腐蚀薄外延SiGe层，在栅堆栈下形成空洞，空洞可以是空气间隙或者充满氧化物。与其他技术不一样，SON在器件制备中在沟道下自对准。如果合适的话，可以采用体硅代替较昂贵的SOI基片作为原始晶片。这是一个很有潜力的新工艺，但在目前，言其是商业上大量获得制备CMOS电路的SOI结构的可行路线尚嫌过早。

  2 不同绝缘埋层结构的SOI材料

  在标准的SOI材料中由于SiO2 绝缘埋层的低热导率，因而存在着自加热问题。因为自加热效应的影响，造成了器件迁移率、阈值电压、亚阈值以及泄漏电流退变。用其它绝缘材料来取代SOI中的埋氧层。这样的SOI结构将开辟新的应用领域并提高CMOS器件的性能。

  一个解决自加热效应的很好方案就是用AlN， Al2O3或其它绝缘材料来取代常规SOI中的埋氧层，因为它们具有更高的热传导率。这种材料仍旧是类 SOI结构，即薄Si层，高k介电材料，Si衬底。

  3 不同材料的SOI结构

  GeSiOI（GeSi on Insulator）结构是另外一种近年来人们感兴趣的SOI材料。SiGe HBT比Ⅲ-Ⅴ族化合物具有更大的优点，它被称为第二代硅新技术。近年来，由于MBE，CBE，及CVD技术的发展，使人们能够在硅衬底上生长GeSi合金，形成Si/SiGe异质结。在GeSiOI结构中，由于SiGe具有一绝缘衬底，因而兼有SOI技术和SiGe技术的优越性，能改善MOS器件性能，对制造高性能、低功耗器件是非常理想的。另外，一层或多层器件层可生长在SiGeOI平台上，如应变硅，应变锗，应变Si 1-yGey，InGaP或GaAs，这些结构可在电子与光电子中得到广泛的应用。

  应变Si具有比体Si更高的电子和空穴迁移率，在未来CMOS工艺中拥有很广阔的应用前景。但是，体Si衬底上的应变Si CMOS同样受到体Si CMOS器件结电容、漏电流、短沟道效应等方面的影响。因此，提出了绝缘体上的应变Si，SiGe MOSFET来消除这些障碍。

  应变SOI MOSFET顶层很薄的Si通过注入形成全耗尽结构，可以获得高载流子迁移率，同时消除短沟道效应和阈值电压漂移，在亚0.1微米CMOS工艺中具有很大的应用前景。除了高载流子迁移率以及SOI器件共有的优势之外，它还具有三方面优点：（1）抑制由于空穴通过SiGe pn结产生的浮体效应；（2）薄的SiGe层可以减少自加热效应；（3）可以减少SiGe外延层的位错密度。

SOI的前景及面临的问题

• 国际市场上，半导体微电子市场评估公司调查表明，1998年SOI材料市场约为4000万美元，并以每年40--50%增长率高速递增。到2005年SOI材料市场将达到4-6亿美元，折合8英寸SOI圆片约为100-150万片。另据美国半导体协会估计，到2005年，SOI将占半导体硅市场的10%，达到10亿美元，折合8英寸SOI圆片达到200万片以上。如考虑到光通信市场的需求和大功率器件市场，SOI材料及应用市场的真正需求很可能是以上预测的5-10倍，市场前景非常乐观。

  我国SOI材科首先由上海新傲科技有限公司研发成功并于2002年建成的SIMOX生产线批量生产SOI材料，已开始向国内科研单位和国外供货。另外，由北京师范大学低能核物理研究所、电子科技第四十八研究所和北京大学微电子学所，共同组建北京北方晶材科技有限公司，也开始制造SOI材科，并开始基于SOI技术的光通信器件、微机械、传感器和太阳能电池的研发。

  尽管我国SOI技术的研发已经有了良好的开端，但要形成产业化大生产，还必须解决好下面几个问题。

  首先是SOI IC设计技术和芯片制造工艺问题，因为使用SOI技术必须对芯片进行重新设计，

  而且无法利用现有的硅生产工艺进行大规模生产，必须开发全新的生产工艺，对生产线进行相当大的调整才能满足SOI的工艺要求。由于我国IC设计技术和芯片制造工艺与世界先进水平还有多年的差距，目前，SOI设计和制造技术仍然是一块空白，要自主开发SOI设计和制造技术还需要产业界做出艰巨的努力。

  其次是我国已进入WTO，在贸易上已不能得到政府的保护，但国家可以通过政策调控有效地扶植和组织SOI技术开发，使SOI技术形成一个完整的产业链。

  第三是需要促进电子整机产品的开发水平和创新能力。目前，我国的整机产业主要是来料加工为主要形式，自主开发大部分也是跟着人家的产品思路，真正是自主创新的很少。尽快推动SOI技术的开发可以带动新一代电子产品的发展，但是SOI技术的产业化也需要整机技术开发水平的全面提升。相信我国电子产业界能够抓住机遇，迎头赶上世界先进水平。