絕緣襯底上的硅技術(shù)SOI發(fā)展與應(yīng)用分析（三）

4     SOI主要制程技術(shù)及應(yīng)用

4.1  RFSOI

       當射頻芯片在體硅基上形成時,硅的半導特性引起了基板中射頻信號的衰減。同時,硅基半導體元器件特性還會導致寄生干擾(串擾噪聲)的傳輸。如將SOI應(yīng)用于高阻抗基板上能夠顯著地改善芯片的高頻特性,極大地降低電阻衰減以及串擾噪聲。

       RFSOI稱為射頻絕緣體上硅技術(shù)，該技術(shù)不僅可以提供無與倫比的集成度，還可以給窄帶物聯(lián)網(wǎng)帶來優(yōu)越的低功耗性能，如圖8所示。現(xiàn)今大多數(shù)RF應(yīng)用在智能手機、WiFi等無線通信領(lǐng)域，其中絕大多數(shù)使用了RFSOI工藝制造。RFSOI對RF射頻與系統(tǒng)芯片的集成、支持5G毫米波技術(shù)以及在超低功耗的實現(xiàn)，在手機網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向LTE或5G的過程中，設(shè)備設(shè)計會更加復(fù)雜，并且隨著5G與物聯(lián)網(wǎng)的不斷進化，RFSOI射頻絕緣體上硅技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，預(yù)計每年有15%的年增長率，如圖8所示。

(a)窄帶物聯(lián)網(wǎng)和藍牙低功耗產(chǎn)品的系統(tǒng)需求  (b)RFSOI平臺特性

圖8  RFSOI平臺的技術(shù)前景（資料來源：2018年國際SOI論壇）

       今天，世界上主要代工廠都在大力發(fā)展RFSOI技術(shù)，如GlobalFoundries(GF)、TowerJazz、臺積電、聯(lián)電、意法半導體、索尼以及國內(nèi)的中芯國際、華虹宏力等等。他們均擁有200mmRFSOI晶圓廠產(chǎn)能，較大的代工廠正在生產(chǎn)300mm RFSOI射頻絕緣體上硅技術(shù)晶圓，如GF、TowerJazz、臺積電和聯(lián)電等等，工藝節(jié)點從130nm到45nm不等。例如，GF正在兩座晶圓廠：紐約EastFishkill和新加坡推出300mmRFSOI晶圓，包括130nm和45nm工藝，表1為RFSOI技術(shù)能力及應(yīng)用市場。TowerJazz也在日本的晶圓廠增加300mmRFSOI晶圓產(chǎn)能，該工藝基于65nm。聯(lián)電和臺積電也計劃進軍300mm。

表1  Global Foundries RFSOI的技術(shù)能力及應(yīng)用市場

       300mm晶圓相比于200mm有以下優(yōu)點：①集成度是300mm晶圓最大的優(yōu)勢，元器件的特征尺寸可以做到90nm以下，可以在更小的面積內(nèi)集成更多的元器件，滿足更加復(fù)雜的設(shè)計。②300mm提供了更多的過程控制和完全自動化，產(chǎn)品的公差、可重復(fù)性和良品率優(yōu)于200mm。③300mm晶圓采用銅互連層，寄生電阻、電容大大降低，同時元器件間的干擾或耦合也可以大大降低。

4.2  FDSOI

       FD-SOI技術(shù)又稱完全耗盡型絕緣體上硅（FullyDepletedSiliconOnInsulator），是由伯克利教授胡正明在2000年發(fā)明的。FD-SOI完全耗盡型絕緣體上硅（圖9）可以實現(xiàn)對納米節(jié)點工藝制程下晶體管電流的有效控制和閾值電壓的靈活調(diào)控，因而21世紀伊始，以Leti、Soitec、STM等為代表的歐洲半導體科研機構(gòu)和公司開始投入該技術(shù)的研發(fā)[11]。

圖9  GlobalFoundry公司的FD-SOI截面圖

       與體硅材料相比，F(xiàn)D-SOI完全耗盡型絕緣體上硅具有如下優(yōu)點：①減小了寄生電容，提高了運行速度。②由于減少了寄生電容，降低了漏電，具有更低的功耗。③消除了閂鎖效應(yīng)。④抑制了襯底的脈沖電流干擾，減少了軟錯誤的發(fā)生。⑤與現(xiàn)有硅工藝兼容，還可減少工序,成本比較低。從ISBCEOHandelJones公布的數(shù)據(jù)看,目前22nmFD-SOI的成本將和28nmHKMG 成本相近。如果線寬再繼續(xù)縮小，例如到12nm節(jié)點，F(xiàn)D-SOI的成本將顯著低于FinFET，12nmFD-SOI的成本比16nmFinFET低22.4%，比10nmFinFET低23.4%，比7nmFinFET低27%。這是因為12nmFD-SOI的掩膜數(shù)量要少一些，抵消了其襯底成本高于FinFET的部分。

4.3  PowerSOI

       PowerSOI又稱為功率絕緣體上硅技術(shù)，是SOI絕緣體上硅技術(shù)應(yīng)用的另一個大的領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的體硅功率集成電路中，由元器件注入襯底的載流子往往會被與其臨近的大面積的功率器件所收集，引起不必要的串擾甚至引起功率器件的誤開啟，這些限制了以PN節(jié)為隔離的功率器件的應(yīng)用。而SOI絕緣體上硅技術(shù)，元器件在縱向可以通過埋層氧化層（BOX,BuriedOxideLayer）實現(xiàn)縱向隔離，在橫向可以通過深溝槽氧化層（DTI,DeepTrenchIsolation）實現(xiàn)橫向隔離，元器件可以分別做到不同的隔離島上，避免了以PN節(jié)為隔離體硅功率集成電路的很多缺點，如串擾、閂鎖效應(yīng)、大泄漏電流以及大面積的隔離區(qū)等問題，提高了電路的集成密度。同時，由于SOI絕緣體上硅技術(shù)具有比體硅元器件更低的泄漏電流，使其可以在更高電壓、更高的溫度下進行工作。圖13為兩種典型的功率SOI器件截面圖，圖13（a）為高壓LDMOS產(chǎn)品，圖13（b）為超高壓LDMOS產(chǎn)品，它們都分別做到不同的隔離島上，橫向、縱向都與其他元器件用介質(zhì)隔離。

(a)高壓產(chǎn)品(意法半導體公司)    (b)超高壓產(chǎn)品(NXP公司)

圖10  兩種典型的功率SOI器件截面圖

5     SOI技術(shù)的主要問題與挑戰(zhàn)

       雖然SOI技術(shù)比傳統(tǒng)的體硅技術(shù)具有隔離效果好、寄生效應(yīng)小、泄漏電流低、集成密度高等優(yōu)點，但還有很多不足，限制了該技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用。

5.1  SOI晶圓成本偏高

       現(xiàn)有SOI絕緣體上硅晶圓的制造成本比較昂貴，在采購價格上比普通硅基晶圓要貴出幾倍甚至幾十倍，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用?，F(xiàn)有世界上主流的技術(shù)有WB技術(shù)和Smart-cut技術(shù)，其中，WB技術(shù)是由兩片晶圓經(jīng)過鍵合、減薄、拋光等一系列步驟完成，增加了額外的工藝成本；同時，其中的一片會犧牲掉，也將計算在SOI的成本之中。而Smart-cut技術(shù)，目前還是Soitec的專利，其他廠商需要得到專利授權(quán)、轉(zhuǎn)讓等方式才能獲得；同時，該技術(shù)也需要注入、分離、拋光、外延等工序，工藝成本也比較昂貴。

5.2  浮體效應(yīng)

       SOI絕緣體上硅晶體管相對襯底會形成一個寄生電容。電荷在電容上積累，而造成不利的效應(yīng)，被稱作浮體效應(yīng)。由于浮體效應(yīng)導致寄生雙極晶體管效應(yīng)、記憶效應(yīng)、遲滯效應(yīng)、Kink效應(yīng)等等。研究發(fā)現(xiàn)，浮體效應(yīng)不僅可以嚴重影響模擬電路的特性，還會引起數(shù)字電路的邏輯失真和功耗增大。為了抑制浮體效應(yīng)，研究人員使用了各種方法，如用氬（Ar）注入引入復(fù)合中心、源區(qū)注入鍺（Ge）減小禁帶寬度、使用超薄FDSOI等等，但是這些工藝復(fù)雜，控制困難，往往達不到理想的效果。近年來材料及器件制備技術(shù)的發(fā)展，問題有了明顯改善。

5.3  SOI晶圓導熱性能差

       SOI產(chǎn)品的縱向隔離BOX層次以及橫向隔離的溝槽中，往往采用SiO2、Poly等材質(zhì)，這些材質(zhì)在隔離泄漏電流、提高耐壓的同時，也使得SOI元器件的散熱性能變得比傳統(tǒng)的體硅器件差很多。特別是針對功率的SOI元器件，散熱性能差使得安全工作區(qū)（SOA，SafeOperationArea）縮小，限制了其使用范圍。除非增加晶圓表面的金屬面積來增加散熱，或者通過額外的工藝，使隔離島中器件的熱從襯底中散出。這些一方面增加了元器件的面積，另一方面增加工藝的難度，提高了生產(chǎn)成本。

5.4  背柵效應(yīng)

       SOI絕緣體上硅元器件中，背面柵壓通過襯底、埋氧化層對器件的體區(qū)產(chǎn)生影響。在不同的背柵條件下，體區(qū)的耗盡層寬度會隨著襯底電壓變化，進而影響到器件的性能。例如閾值電壓電壓隨著背面柵壓的增加而線形減小。器件的耐壓也隨著背面柵壓的變化而變化，對于具有上下管（highside和lowside）的器件，需要兼容在不同背面柵壓下耐壓都能滿足需求，有時會設(shè)計出更高耐壓的器件，這樣在面積上便會有一定的犧牲。

5.5  SOI產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善

       經(jīng)過幾年的發(fā)展，雖然在全球逐漸打造出較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋材料、設(shè)計、代工、封測、應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)，具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但是起步晚、欠完善，導致SOI沒能大規(guī)模地應(yīng)用，與傳統(tǒng)的FinFET展開競爭。隨著各個廠商的努力，特別是中國力量的加入，SOI具有無與倫比的優(yōu)勢，將會帶動SOI產(chǎn)品更大規(guī)模的應(yīng)用。隨著5G、IoT、智能駕駛時代的來臨，SOI技術(shù)將得到更加廣泛的使用。

6     結(jié)語

       SOI技術(shù)從1960年代誕生以來，人們研究開發(fā)了多種SOI絕緣體上硅技術(shù)，在眾多的技術(shù)中，直接鍵合和智能剝離技術(shù)在獲得SOI材料中最具潛力，特別是智能剝離技術(shù)，已大量應(yīng)用于現(xiàn)有產(chǎn)品中。如RFSOI、FDSOI、PowerSOI等技術(shù)，已在5G、loT、汽車、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然SOI技術(shù)也有一些劣勢、產(chǎn)業(yè)鏈還不很完善，但是它有傳統(tǒng)體硅器件無法比擬的優(yōu)勢，相信在不久的未來，SOI技術(shù)將大規(guī)模地爆發(fā)。

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