SOI技术原理与应用
1. SOI技术简介
SOI是指绝缘层上的硅，SOI材料研究已有20多年的历史，发展了多种SOI圆片制造技术，其中包括Bonding、激光再结晶、注氧隔离（SIMOX, Separation by Implanted Oxygen）、智能剥离（Smart-cut）以及最近发展起来的等离子浸没式离子注入技术（PIII）。注氧隔离是目前最成熟的SOI制造技术，也是目前研究最多的SOI材料。
SOI (Silicon-On-Insulator)是一种用于集成电路制造的新型原材料，替代目前大量应用的体硅(Bulk Silicon) 。SOI有三层组成，表面是一层薄薄的单晶硅(Top Silicon, 从200埃到几微米，取决与不同的应用) ，用于制造器件；下面是一层依托在体硅上的绝缘材料(见图一)。这种绝缘体材料和硅自然是越接近越好，所以绝缘层通常用二氧化硅制造，称为氧化埋层（BOX，Buried Oxide ，大约1000-4000埃）。SOI材料具有体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、拓宽器件工作温度范围，工艺简单、提高抗辐射性能、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，被国际上公认为是“二十一
世纪的微电子技术”和“新一代硅”，将成为今后集成电路制造的主流技术。
图1 体硅和SOI材料
2．SOI材料器件结构和特点
    我们从一个CMOS反相器剖面图来看一下SOI器件的特点，图2和图3是体硅和SOI 上的CMOS器件的剖面图，CMOS集成电路的核心是由一对互补的MOS晶体管连接组成的反相器，在体硅圆片上，MOS晶体管被制造在一对掺杂的N阱和P阱上；在SOI圆片上，MOS晶体管直接制造在顶层硅上，被BOX隔离。
图2 CMOS inverter on Bulk
图3 CMOS Inverter On SOI
MOS晶体管从源极到漏极的电流受栅极电压的控制，对于体硅上制造的MOS 晶体管，在信号转换时源极和漏极周围的区域的局部电荷必需耗尽，转换速度下降。在SOI圆片上加工的MOS晶体管，整个晶体管被氧化层隔离，源极和漏极周围被耗尽的区域较小，信号转换速度得到提高，驱动电压可以降低。同时体硅中的晶体管和硅接触的区域会聚集大量的电荷，形成输入电容和杂散电容，这样会导致器件工作频率的降低。SOI晶体管和二氧化硅接触的区域不再有电荷出现，整个芯片的工作效率也随之提高。
当反相器工作时，体硅圆片上的晶体管的漏电流从电源端Vdd流向衬底Vss（图2）；而在SOI的情况下，电流只能通过器件流动（图3）。
图4 体硅与SOI与非门的漏电流
图4 是一个与非门的例子，在体硅上泄漏电流是所有漏电流的总和，在SOI上泄漏电流由器件的最小泄漏确定。因此SOI可以大大降低器件的功耗。因为隔离的SOI器件增强了功效，电路的表面积可以减少，密度提高，每个圆片芯片数量增加。
从上面的分析我们可以清楚地看出SOI器件具有体硅/外延器件无法比拟的优势，表1进一步对它们的性能进行比较。
参数
SIMOX 优于Bulk/EPI
应用实例
速度
在相同的工作电压下，电路速度可提高20-35%
高性能微处理器，服务器，微波通讯设备
功耗
降低35~70%，最高可达到80%
低功耗便携式通信和计算设备
低电压工作
可实现1V以下工作，当保持速度优势的条件下能够降低工作电压，意味着降低功耗
高性能存储器和微处理器，低功耗系统，小于0.25 um高可靠性低电压器件
芯片面积
芯片面积减少50%
存储器, ASIC电路
工艺步骤
电路制造工艺步骤减少30%，用SIMOX圆片制造工艺的设备与现有体硅制备工艺兼容
大部分硅基电路
成本
芯片面积减少和工艺步骤减少能够IC生产成本
大部分硅基电路
工作温度
工作温度范围-273—350ºC，最高可达500ºC。基于SIMOX的器件能够在350ºC条件下工作，而体硅或外延电路极限为250º C
汽车电子，传感器，军用及太空电子
抗辐射性能
基于SIMOX的器件降低了对于α和其他射线的敏感度，可以减少软误差2-3倍
商用存储器，人造卫星系统，太空船和军用电子
3．SOI的主流技术
3.1 离子束合成SIMOX技术
离子束合成(IBS)是在靶材料如硅中注入高能量离子形成第二相的过程。包括注入O+, N+或 Co+至单晶硅中合成SiO2, Si3N4 或CoSi2埋层。目前情况下，SiO2 埋层的合成已是在商业上可以实现的SOI技术，由Izumi等人提出缩写为SIMOX（注氧隔离）。SIMOX的两步工艺包括：(a)高剂量(1×10 17 O+cm-2-2×1018 O+cm-2)注入氧离子至加热靶中，氧离子能量在50 keV到 200 keV 之间；(b)进行高温退火以消除晶体缺陷并且注入的氧再分布以形成均一、符合化学剂量比的SiO2埋层和原子级的陡直Si/ SiO2界面。图1 给出了SIMOX工艺示意图。毫无疑义，SIMOX是最成熟的SOI技术，目前商业上已经可以量产高质量的SOI基片。
注入过程中形成的氧化层是非晶的，而且由于过量硅在氧化物中的较高迁移率使得氧化层具有符合化学剂量比的SiO2成分，甚至在持续高温（约熔点以下几度退火）过程中，氧化层仍然保持非晶结构和化学剂量比的特性，这样有可能形成高质量的SOI/SIMOX基片。
3.2 薄层转移技术
消耗两块晶片而只生产一块SOI基片的低效率 BESOI技术已经被晶片键合加上薄层转移技术所普遍代替。以下三种有竞争力的方法分别在法国，日本和美国发展起来。
（1）Smart-cut: 此技术的先驱Bruel在1995年发表Smart-cut的文章，此工艺优点如下：(a)硅层厚度由注入的H+的范围（能量）精确定义；(b) 晶片分裂易于把薄层 (≈1 mm)从一块晶片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循环使用。通常包括注入5 ×1016 H+ cm-2至二氧化硅覆盖的晶片中，能量为5 ～70 keV。键合之后，进行两步热处理：首先在大约500℃退火，使得硅膜和整块晶片分
开；随后在大约1100℃进行第二次热处理以加强转移层和基片之间的结合强度；然后稍微对表面进行化学机械抛光，去掉残留损伤，为器件制备提供光滑表面。
（2）ELTRAN:在Canon的外延层转移(ELTRAN)工艺中，通过在键合之前在结构中引入多孔硅以获得可控的键合晶片的分裂。首先在硅晶片表面形成两个不同多孔率和机械特性的多孔硅层，因此晶片会正好在这两层之间裂开。氢气氛中热处理之后，在单晶多孔硅上外延生长硅，在整个工艺中，硅都保留原来晶向。随后，这个晶片被键合到第二块氧化晶片的表面，室温下在高压纯水的喷射下开始裂开。开裂之后，原来的晶片可以循环使用，表面成原子级
光滑。
（3）Nano Cleave: 这是在美国Silicon Genesis Corp发展起来的另一个层转移工艺，它是Smart-cut工艺的变种，采用注入H+形成应力层，在室温下晶片开始裂开。在这个工艺中，晶片在室温下机械开裂，形成光滑硅平面，在器件制备之前不需要抛光。
4．SOI技术发展的新动向
4.1 SOI制备新技术——混合过程
Silicon-on-Anything (SOA): 此项技术由Philips开发，是把已制备IC的薄层硅膜转移到象玻璃之类的低成本绝缘基片上的技术。最近，已经采用Smart-cut工艺生产出石英上的硅（SOQ）基片。和传统的SOI相同，它产生较低的漏电流，由于其较低的寄生电容，高频下电路性能得到了提高。
Silicon-on-Nothing (SON): 这是一项由LETI 和ST 微电子为小尺寸CMOS发展起来的高级混合技术。SON通过“空桥”结构在沟道下形成局域的绝缘体上硅。采用择优腐蚀薄外延SiGe层，在栅堆栈下形成空洞，空洞可以是空气间隙或者充满氧化物。与其他技术不一样，SON
在器件制备中在沟道下自对准。如果合适的话，可以采用体硅代替较昂贵的SOI基片作为原始晶片。这是一个很有潜力的新工艺，但在目前，言其是商业上大量获得制备CMOS电路的SOI结构的可行路线尚嫌过早。
4.2 不同绝缘埋层结构的SOI材料
在标准的SOI材料中由于SiO2 绝缘埋层的低热导率，因而存在着自加热问题。因为自加热效应的影响，造成了器件迁移率、阈值电压、亚阈值以及泄漏电流退变。用其它绝缘材料来取代SOI中的埋氧层。这样的SOI结构将开辟新的应用领域并提高CMOS器件的性能。
一个解决自加热效应的很好方案就是用AlN， Al2O3或其它绝缘材料来取代常规SOI中的埋氧层，因为它们具有更高的热传导率。这种材料仍旧是类 SOI结构，即薄Si层，高k介电材料，Si衬底。
4.3 不同半导体材料的SOI结构
GeSiOI（GeSi on Insulator）结构是另外一种近年来人们感兴趣的SOI材料。SiGe HBT比Ⅲ-Ⅴ族化合物具有更大的优点，它被称为第二代硅新技术。近年来，由于MBE，CBE，及C
VD技术的发展，使人们能够在硅衬底上生长GeSi合金，形成Si/SiGe异质结。在GeSiOI结构中，由于SiGe具有一绝缘衬底，因而兼有SOI技术和SiGe技术的优越性，能改善MOS器件性能，对制造高性能、低功耗器件是非常理想的。另外，一层或多层器件层可生长在SiGeOI平台上，如应变硅，应变锗，应变Si 1-yGey，InGaP或GaAs，这些结构可在电子与光电子中得到广泛的应用。 注入
应变Si具有比体Si更高的电子和空穴迁移率，在未来CMOS工艺中拥有很广阔的应用前景。但是，体Si衬底上的应变Si CMOS同样受到体Si CMOS器件结电容、漏电流、短沟道效应等方面的影响。因此，提出了绝缘体上的应变Si，SiGe MOSFET来消除这些障碍。
应变SOI MOSFET顶层很薄的Si通过注入形成全耗尽结构，可以获得高载流子迁移率，同时消除短沟道效应和阈值电压漂移，在亚0.1微米CMOS工艺中具有很大的应用前景。除了高载流子迁移率以及SOI器件共有的优势之外，它还具有三方面优点：（1）抑制由于空穴通过SiGe pn结产生的浮体效应；（2）薄的SiGe层可以减少自加热效应；（3）可以减少SiGe外延层的位错密度。
5 SOI技术的应用进展
1998年以后SOI商用取得了重大突破。因为 SOI电路的高速度、低压、低功耗和大容量等特点，使其具有广阔的商业前景。
SOI技术的应用主要有三方面：（1）高端产品0.25至0.18mm及以下的微外理器等高端产品；（2）抗辐照，高温器件，高压器件等高性能专用电路；（3）光电子，微机械等应用。

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