絕緣襯底上的硅技術(shù)SOI發(fā)展與應(yīng)用分析（一）

       摘要：SOI絕緣體上硅技術(shù)作為一種全介質(zhì)隔離技術(shù)，有著許多體硅器件不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如低功耗（泄漏電流?。⑺俣瓤欤纳娙菪。?、抗干擾強(qiáng)、集成密度高（隔離面積?。┑忍攸c(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SOI絕緣體上硅材料的制備技術(shù)，直接鍵合和智能剝離技術(shù)成為現(xiàn)階段的主流技術(shù)。SOI絕緣體上硅元器件的特征尺寸，由1μm跨越到12nm，得到廣泛應(yīng)用，涵蓋射頻、汽車電子、電源管理等領(lǐng)域。雖然由于歷史原因以及SOI絕緣體上硅技術(shù)本身的一些限制，導(dǎo)致SOI技術(shù)沒有完全超越傳統(tǒng)體硅技術(shù)。分析SOI絕緣體上硅技術(shù)的發(fā)展歷史、材料制備、技術(shù)應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)及未來(lái)趨勢(shì)。

1     引言

       1947年AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家JohnBardeen、WalterBrattain以及WilliamShockley發(fā)明世界上第一個(gè)半導(dǎo)體晶體管，70多年來(lái)，半導(dǎo)體集成電路得到快速發(fā)展。特別是自1960年代開始，芯片上的元器件數(shù)目幾乎每12個(gè)月就增加一倍，2000年后，半導(dǎo)體集成電路工業(yè)發(fā)展到了納米（nm）時(shí)代。隨著集成電路特征尺寸的逐步縮小到亞納米100nm范圍，在材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝以及可靠性等方面出現(xiàn)了一系列新的問題。主要問題包括熱載流子效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、體硅器件的閂鎖效應(yīng)、功耗、寄生電阻、電容增加等等。

       為解決這些問題，大量的科研人員進(jìn)行了大量創(chuàng)新，開發(fā)了很多新的技術(shù)，如深溝槽隔離技術(shù)、HALO結(jié)構(gòu)、應(yīng)變硅技術(shù)、HighK材料、LowK材料等等。在眾多的新結(jié)構(gòu)器件技術(shù)中，絕緣體上硅（SOI:SilicononInsulator）技術(shù)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)有效地克服了體硅集成電路的很多不足，充分發(fā)揮了體硅集成電路技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，特別是在提高開關(guān)速度、減少寄生效應(yīng)等方面。SOI絕緣體上硅技術(shù)正逐步成為制造高集成度、高速度、低功耗、高可靠性超大規(guī)模集成電路的主流技術(shù)[1-5]。

       本文就SOI絕緣體上硅技術(shù)的發(fā)展歷史、主要技術(shù)及應(yīng)用、問題與挑戰(zhàn)以及將來(lái)趨勢(shì)做出整理和分析。

2     SOI結(jié)構(gòu)

       SOI有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是硅-絕緣層型的傳SOI絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示；另一種是硅-絕緣層-硅三明治型的新型SOI結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。兩種基本結(jié)構(gòu)的主要差別是襯底類型不同。

圖1 兩種基本SOI結(jié)構(gòu)的剖面圖

       第一種結(jié)構(gòu)中，最熟悉的例子是藍(lán)寶石上外延硅（SOS:SilicononSapphire）,該結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石單晶作為襯底，在上面進(jìn)行外延生長(zhǎng)一層單晶硅的薄膜，然后在制作相應(yīng)的器件。SOS結(jié)構(gòu)是由Manasevit和Simpson[6]在1963和1964年間做出。這種結(jié)構(gòu)能提供理想的隔離，并減小PN結(jié)底部的寄生電容，適合于制作高速大規(guī)模集成電路，實(shí)現(xiàn)高速和低功耗。一般多采用這種工藝制作CMOS電路（互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成電路），即CMOS/SOS電路。SOS是一種異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，硅膜的缺陷密度較大，因而少數(shù)載流子壽命較短（1～10ns）,不適于制作雙極器件和電荷耦合器件。

       第二種結(jié)構(gòu)中，絕緣層（如SiO2）位于硅襯底上，在絕緣層上面再由一層單晶硅薄層，形成硅襯底-絕緣層-單晶硅組成的三明治結(jié)構(gòu)。由于頂層的單晶硅薄膜近乎完美的單晶硅，同時(shí)它和中間層的界面態(tài)很低，且整體應(yīng)力較小。MOS等器件能很好地在頂層的單晶硅襯底中制作，且表現(xiàn)出與體硅材料近似的性能，這使得這種結(jié)構(gòu)的SOI絕緣體上硅材料成為當(dāng)今世界制作SOI集成電路元器件的主要材料。下面將重點(diǎn)講解這種類型的SOI技術(shù)。

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