【半导体先进工艺制程技术系列】SOI技术（上）

2024-02-06 08:27| 来源: 网络整理| 查看: 265

SOI技术简介

20世纪80年代，研究人员利用在衬底和表面硅薄层之间嵌入一层绝缘层材料，研发出新的绝缘体上硅（SOI）材料，SOI材料的结构是表面硅薄层–二氧化硅绝缘层材料–硅衬底，集成电路制造在表面硅薄层。

无论是一般的硅衬底晶圆还是SOS晶圆，都是在底部单晶上生长出来的，但是在氧化物上是没有办法生长出单晶的，业界制造SOI晶圆的方法都是利用嵌入或者键和的方法形成埋层氧化物隔离顶层硅薄膜层和硅衬底。

制造SOI晶圆的技术主要有三种：第一种是注入氧分离技术（Separation by Implanted Oxygen - SIMOX）；第二种是键合回蚀技术（Bond and Etch-back SOI - BESOI）；第三种是智能剪切技术（Smart-Cut）。

SIMOX技术

SIMOX技术是最早出现的SOI晶圆制备技术之一，它是利用离子注入技术把氧离子注入到硅中形成氧化隔离埋层，通过氧化隔离埋层隔离衬底和顶层硅薄膜层。

SIMOX技术制备SOI晶圆流程如下图所示：

(a)是晶圆衬底裸片； (b)是氧离子注入，通过高能量（120 - 200keV）把高剂量（0.3 - 1.8e18cm-2）的氧离子注入到硅晶圆，高能量注入的氧离子会分布在硅晶圆表面下方； (c)是高温退火，通过3~6小时的高温（1350℃）退火，硅晶圆里的氧离子和硅发生化学反应，在硅晶圆表面下方形成一层厚度大约400nm的二氧化硅绝缘层材料。

BESOI技术

BESOI技术是通过键合技术把两片晶圆紧密键合在一起，晶圆与晶圆之间形成的二氧化硅层作为氧化物埋层，再利用回刻技术把一侧的晶圆的厚度削薄到所要求的厚度后形成SOI晶圆。

BESOI技术制备SOI晶圆流程如下图所示：

(a)准备两片晶圆衬底裸片A和裸片B； (b)对晶圆B进行热氧化处理，利用热氧化在晶圆B上生成一层二氧化硅绝缘层，同时控制氧化环境的温度使氧化层和硅层界面低缺陷和低杂质； (c)把晶圆A和晶圆B进行低温键和，利用硅熔融键合（Silicon Fusion Bonding - SFB）把另外一片未氧化的晶圆键合到氧化层上。 (d)利用回刻技术形成顶层硅薄膜，通过回刻技术去除多余的晶圆，最后利用退火和CMP形成平滑清洁的BESOI晶圆表面。

Smart-Cut技术

Smart-Cut技术是从BESOI技术衍生而来，先准备两片硅晶圆，利用热氧化在一片晶圆生成一层二氧化硅绝缘层，再通过离子注入将氢离子注入该硅晶圆，这是处理一片晶圆的过程，另外一片晶圆不需要经过特别加工。

Smart-Cut技术制备SOI晶圆流程：

(a)是准备两片晶圆衬底裸片A和裸片B； (b)对晶圆B进行热氧化和氢离子注入处理； (c)把晶圆A和晶圆B进行低温键和； (d)利用热反应剥离晶圆B形成顶层硅薄膜，利用高温热退火加固键和，以及CMP处理。

PD-SOI技术、翘曲效应、寄生双极晶体管效应、自加热效应、体接触、FD-SOI工艺流程见《【半导体先进工艺制程技术系列】SOI技术（下）》