絕緣襯底上的硅技術(shù)SOI發(fā)展與應(yīng)用分析（二）

3     SOI材料的制備技術(shù)

3.1  注氧隔離技術(shù)（SIMOX）

       SIMOX（SeperationbyImplantofOxygen）技術(shù)最早由日本的Izumi等人在1970年代提出[7],原理很簡(jiǎn)單，首先將氧注入單晶硅中，為了形成符合化學(xué)配比的二氧化硅埋層，氧的注入能量為200KeV劑量為2e18cm-2的氧離子。如此高劑量注入給硅片表面帶來很高濃度的缺陷，為了防止硅在注入過程中非晶化并促使注入的氧離子形成致密的SiO2以及形成良好的Si／Si02界面，注入過程中需要在600℃的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，并且在注入后必須高溫（1300℃）長(zhǎng)時(shí)間（5h）來退火，因而SIMOX材料成本較高。

       在SIMOX技術(shù)中，注入劑量越大，注入的成本就越高，引入的缺陷就越多，針對(duì)這些問題，各地研究者進(jìn)行不斷持續(xù)的改進(jìn)，到了1990年代，Nakashima和Izumi提出了低劑量注入的方法來[8]降低表面缺陷，他們發(fā)現(xiàn)在注入能量在180KeV和劑量在1.4e18cm-2以下時(shí)，表面位錯(cuò)密度會(huì)有明顯下降，如圖2所示。但是注入的劑量不能太低，太低的話，氧的分布曲線是不對(duì)稱得高斯分布[9]，如圖3所示，形成的二氧化硅不連續(xù)。

圖2 SIMOX表面位錯(cuò)密度與氧注入劑量的關(guān)系

圖3 氧分步隨注入劑量的變化

       而劑量太大的話則容易造成Silicon空洞，如圖4所示。劑量在1.4e18cm-2時(shí)，二氧化硅層連續(xù)且均勻。

圖4 二氧化硅層形貌隨注入劑量的變化

（A:3e17cm-2,B:4e17cm-2,C:5e17cm-2;注入能量120KeV）

       隨著工藝制程的不斷進(jìn)步，對(duì)晶圓（Wafer）表面的缺陷要求也越來越高，SIMOX制備方法就遇到了瓶頸。

3.2  鍵合技術(shù)（WB）

       1980年代開始，已經(jīng)出現(xiàn)了一些鍵合技術(shù)（WB:WaferBonding），它的原理十分簡(jiǎn)單：將兩片被氧化的晶圓（或者一片被氧化）鍵合在一起，將其中的一片硅片用于研磨、拋光或者化學(xué)腐蝕等方法減薄到合適于SOI絕緣體上硅器件要求的厚度，稱為Devicewafer，另一片晶圓作為機(jī)械支撐襯底，稱為Handlewafer，如圖5所示。

       由于鍵合技術(shù)的減薄主要依賴機(jī)械拋光、研磨或者化學(xué)腐蝕等方法來實(shí)現(xiàn)，一方面表面的EPI層不可能做得很薄，一般＞2μm。另一方面，表面比較粗糙，均勻性比較差，如圖6所示，這樣就限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

圖5 典型的鍵合技術(shù)流程圖

圖6 典型的鍵合技術(shù)形成的SOI硅片表面膜厚等高圖

3.3  智能剝離技術(shù)（Smart-cut）

       智能剝離技術(shù)（Smart-cut）是由M.Bruel等人在1995年提出的[10]，它是建立在離子注入和健合兩種技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。其原理是利用H+（或者He+）注入在硅中形成注入層（深度通常小于1μm），將注氫片與另一支撐片健合（兩片中至少有一片表面有一層熱氧化的SiO2層），經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，使注氫片從粒子注入層完整分裂，形成SOI絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，如圖7所示。然后對(duì)Wafer表面進(jìn)行拋光處理，再使用外延的方式達(dá)到想要的Silicon厚度。

       Smart-cut技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要包括。①H+離子的諸如劑量約為1e16cm，比SIMOX注氧劑量要低2個(gè)數(shù)量級(jí)，可采用普通的離子注入機(jī)就可以完成。②因?yàn)槭请x子注入形成表面的Silicon，其厚膜均勻性較好，厚度可控，厚薄可用注入能量來控制。③表面缺陷小，單晶性保持較好。④埋氧化層（BOX:BuriedOxide）是由熱氧化形成的，具有良好的Si-SiO2界面。⑤玻璃下的硅片仍然可以繼續(xù)注氫鍵合，循環(huán)使用，大大降低了制備成本。

（a:4e17cm-2,b:6e17cm-2,c:1e18cm-2,d:1.2e18cm-2,e:1.8e18cm-2,f:2.4e18cm-2;注入能量200KeV）

圖7 典型的Smart-cut技術(shù)流程圖（資料來源：Soitec）

       基于上述優(yōu)點(diǎn)，Smart-cut技術(shù)在SOI絕緣體上硅材料制備技術(shù)中成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)技術(shù)。自1995年以來的短短20年里，這種技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前，法國(guó)的Soitec、日本的信越、中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓等公司已經(jīng)能使用該技術(shù)提供大量商用的絕緣體上硅SOI硅片。2014年，Soitec還和上海新傲科技股份有限公司（Simgui）達(dá)成了有關(guān)射頻和功率半導(dǎo)體市場(chǎng)200mmSOI絕緣體上硅晶圓的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系并簽署了經(jīng)銷協(xié)議，合作主要包括許可和技術(shù)轉(zhuǎn)移協(xié)議。其中，上海新傲科技可以用Soitec的Smart-Cut專利技術(shù)生產(chǎn)200mmSOI絕緣體上硅晶圓。

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