SOI材料发展动态

董尧德、丁亭亭
（浙江硅峰电子有限公司 开化 324300 电话：6161379）

论文摘要：
    SOI材料因其独特的结构以及一系列优良性能，已愈来愈引起人们的高度重视，近年来，这一技术发展迅速，并被认为是二十一世纪最重要的硅集成电路技术。本文简要地介绍了SOI材料的主要性能特点、应用前景，以及当前国内外SOI材料制备的几种主要方法。文章还指出Smart-cut SOI技术集SIMOX技术和BESOI技术的优点于一体，是当前较为理想的一种SOI制备技术。本文最后还提出了当前SOI材料需要进一步解决的一些技术问题。
    一、SOI材料的性能特点及其应用前景
    半导体处延材料是一种极其重要的信息功能材料，它是开发一系列微电子器件、光电子器件、能量转换器件以及某些特殊功能器件的关键基础材料。SOI（Silicon On Insulator）材料就是其中重要的一种。近年来，这一技术国内外发展迅速，被认为是21世纪最重要的硅集成电路技术。
    SOI材料以其特有的结构，可以实现集成电路制造中元器件的绝缘隔离，消除体硅CMOS中的寄生闩锁效应。同时，CMOS/SOI电路还具有寄生电容小、集成度高、速度快、功耗低、工作温度高（300℃）、抗辐照等一系列优点。因此，SOI材料将是更细线条（0.1μm）集成电路的主要材料之一，预计当集成度达到1Gb使用Φ300mm硅片时将主要使用上述材料。近年来，SOI材料已经有了很大的发展，片子的直径已达8″和12″，SOI层和BOX层可由50nm至数μm，波动≤±5%，寿命达102ms。
    二、当前国内外SOI材料制备的几种主要方法
    目前SOI材料的制备已经发明了许多种技术，在诸多形成SOI结构材料的技术中，氧离子注入隔离法（SIMOX）和硅片键合加腐蚀减薄法（BESOI）是制造SOI材料的主流技术。SIMOX技术比较成熟，能获得薄的均匀的顶层Si膜，目前国际上已有成品的SIMOX基片出售，但这种方法由于注氧剂量高，需要强束流（1mA~10mA）专用注氧机，价格昂贵，因而SIMOX片成本较高；近年来兴起的硅片键合加减薄腐蚀技术（BESOI）形成的SOI材料，因其上层硅膜就是体硅，其器件性能优越，但是用键合形成的SOI材料其减薄比较困难，难以得到上层硅膜比较薄的SOI材料，限制了它的应用。于是在此基础上，又发展了一种新的SOI制造技术--基于注H+的智能剥离技术（SMART CUT SOI）采用它，结合利用硅片键合技术能获得比较薄的上部硅膜的SOI材料。
    以下将简单地介绍当前国内外SOI材料制备的几种主要方法。
    1、氧离子注入隔离法（SIMOX）：
    用SIMOX法制备SOI材料，它的关键工艺是硅片注氧及注氧后硅片的高温退火。首先，用氧离子注入硅晶片，形成SOI结构。要求注入的氧离子剂量必须大于或等于临界剂量，不同的注入能量，有不同的临界剂量。SOI结构中表面硅层厚度的控制在很大程度上将取决于注入能量的大小。在注入剂量一定的情况下，能量越高，绝缘埋层离硅片表面的距离越深，表面硅层的厚度就越大。实验曾选用了180~350Kev注入能量及（1.6~2.5）×1018/cm2O+注入剂量。同时，还要求在注入时，硅片衬底的温度必须高于500℃（宜控制在500~800℃之间）。如果注入时，硅片衬底温度低于400℃，不但SOI硅片表面硅层，甚至埋层下方部分衬底硅也会变成无定形硅。另外，是注氧后硅片的高温退火。要求硅片在高温退火前表面先生长3000~5000埃的CVD-SiO2保护膜。由于大剂量注入，表面硅层中仍残留有少量的氧或硅氧化物，使表面硅层的电学性能变坏，且埋层中的SiO2也不致密，绝缘性能差，界面不陡。上述材料经高温1300℃，6~10小时长时间退火后，能使表面硅层晶体缺陷变少，电性能变好，迁移率变大，接近硅原衬底的值；埋层上下界面陡、绝缘性能变好。
    另外，为了改善SOI材料的表面和界面性能，还可以采用分步氧注入，每次注入后进行一次1000℃~1150℃，15'~30'的预退火，再进行高温长时间退火，退火后，最后用HF漂洗掉SiO2复盖层。
    2、硅片键合及腐蚀减薄法（BESOI）
    这种方法首先是将精密抛光好的衬底硅片表面进行氧化处理，在1000℃温度下，干氧、湿氧、干氧的气氛中热氧化，形成约5000埃的氧化膜，再将上述硅片与精密抛光好的工作片，经严格清洗后在一定的条件下进行键合，最后用化学腐蚀减薄的方法将工作片表面剥离减薄至所需的膜厚。
    采用上述工艺，它的成功关键：一是要提高硅片的键合率，保证键合后的硅片中间无空隙。显然，它对键合Si片表面的清洁度、颗粒度以及微区粗糙度（要小于0.5nm）都有严格的要求，否则将会在键合中产生空隙。二是要求对工作片表面化学腐蚀减薄量的精确控制。
    3、智能剥离法（Smart-Cut）SOI
    它是将SIMOX技术和BESOI技术相结合的一种新技术，具有两者的优点而克服了他们的不足，是一种较为理想的SOI制备技术。
    它的工艺流程如下：
    原始抛光硅片（衬底片和工作片）的准备→氧化→Smart-Cut注入（氢）→键合→智能剥离→高温退火、抛光。
    Smart-Cut SOI制备技术的关键是：
    （1）硅片键合是Smart-cut技术的关键，且难度最大。因为硅片键合对原始硅片质量要求很高，要求硅片表面的不平整度（TIR）＜2~3μm；抛光片表面粗糙度＜5埃，一般国产抛光机较难达到这一要求。与此同时，为了获得高质量无空间的键合界面，除了要求硅片表面保证有足够的机械加工精度外，还要求硅片表面清洁、无沾污，并具有较强的能吸附羟基团的亲水性。
    （2）用常规的离子注入机注入140kev 6×1016/cm2的H+，由于注入的氢在约300℃时就可能在硅片中形成微空腔层或使硅片表面出现气泡，因此需要采用低温硅片直接键合技术，键合时的温度不超过300℃。
    （3）由于在400℃左右时键合片就会剥离，所在要在低温下（＜400℃）增强键合强度。因此Snart-cut SOI制备的又一关键技术在于低温键合技术以及采用合适的退火方法进行增强键合和顺利实现"智能剥离"。试验曾采用积聚式缓慢退火剥离方法，在390℃温度下，成功地实现了缓慢的智能剥离。
    （4）智能剥离后所形成的SOI硅片需在1000℃N2气氛下再退火一小时，以增加键合强度，并使上层硅单晶性能得到恢复。
    4、多孔硅外延层转移法
    采用多孔硅外延层转移的方法已成功地制备出了SOI材料，获得的SOI材料上层硅具有很好的品质，电阻率分布均匀，上层硅与氧化硅埋层界面陡直，试验表明P型重掺杂的硅衬底在暗场下阳极氧化后仍能保持很好的单晶性能，用超高真空电子束蒸发方法能外延出质量很好的单晶硅，并且一定浓度的HF/H2O2溶液具有较高的腐蚀选择率，保证上了上层硅厚度的均匀性。
    三、SOI材料需要解决的一些技术问题
    1、要实现硅片的无空隙键合。由于两个硅片之间是依靠氢键键合的，以后在高温下转化为Si-O-Si共价键。因此，为了保证键合后的硅片中间无空隙，对键合Si片表面的清洁度、颗粒度以及微区的粗糙度（≤0.5nm）都有严格的要求。同时还要求对键合前的硅片进行适当的清洗和活化处理，以增强硅片表面吸附羟基团的亲水性。以利于硅片键合的顺利进行。
    2、要实现Si片化学减薄或化学机械减薄的高精度控制。腐蚀机具有自动控制功能，能控制8″硅片表面TTV在1.2μm以下，标准偏差0.6μm以下。
    3、智能剥离技术。其原理是利用硅片表面注H+后，经过退火在Si片中形成含微空洞的区域，但这种剥离方法，在Si片表层裂开后，仍有一定的起伏，最后还需要有高精度的的抛光设备，对硅片表面进行抛光，使硅片表面粗糙度降为0.15nm以下。
    4、需要有强束流的注入O离子设备，且注入机能防止颗粒污染，以免引起针孔。
    5、目前为止，SOI材料所发现的缺陷有穿透位错，冲击位错环、HF缺陷、管道缺陷、BOX层中有Si沉淀以及杂质污染等。这些缺陷也有待于我们在SOI工艺改进中进一步加以控制或消除。

参考文献：
1、SOI overview in the context of CMOS Scaling: Technology and Circuit Design Issues Koushik.K.Das SSEL The University of Michigan, Ann Arbor.
2、梁骏吾《全国半导体集成电路硅材料学术会论文集》 1999.9 P5
3、卢殿通《全国半导体集成电路硅材料学术会论文集》 P165~173
4、吴东平《全国半导体集成电路硅材料学术会论文集》 P176~180

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