SOI技术
SOI的简介及其制备技术
题目(中) SOI的简介及其制备技术(英) The introduction and preparation technology SOI姓名与学号指导教师 _年级与专业所在学院SOI的简介及其制备技术[摘要]SOI材料被誉为“二十一世纪硅集成电路技术”的基础，他可以消除或者减轻体硅中的体效应、寄生效应以及小尺寸效应等，在超大规模集成电路、光电子等领域有广阔的应用前景。
介绍了主要隔离、智能隔离、硅片玻璃以及外延层转移等集中主要的制备SOI材料的方法以及近期相关的研究成果。
本文将以初学者为对象，简单地介绍SOI极其制备技术。
[关键词] SOI 硅材料多孔硅多晶硅键合技术[正文]SOI简介SOI，全称：Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，也称为绝缘体上的硅。
SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，是一种具有独特的“Si／绝缘层／Si”三层结构的新型硅基半导体材料。
它通过绝缘埋层（通常）实现了器件和衬底的全介质隔离。
为SiO2下面就SOI的发展、优点、分类以及发展前景进行简单介绍。
虽然SOI技术出现了很久，但是取得突破性进展是在20世纪80年代后期。
以SOI材料具有了体硅等其他硅材料所无法比拟的优点：1）速度高----全耗尽SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点使SOI CMOS 具有极高的速度特性。
2）功耗低----全耗尽SOI器件漏电流小，静态功耗小；结电容与连线电容均很小，动态功耗小。
3）集成密度高----SOI采用介质隔离，不需要制备体硅CMOS电路的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅取决于光刻和刻蚀技术的限制。
4）成本低----SOI技术除了衬底材料成本高于硅材料外，其他成本均低于体硅。
SOI CMOS 的制造工艺比体硅至少少3块掩模板，减少13~20%的工序。
5）抗辐照特性好---全介质隔离结构，彻底消除体硅电路中的闩锁效应。
且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效，瞬时辐照和单粒子翻转能力。
浅谈-SOI技术及其优点与应用分析
浅谈SOI技术及其优点与应用（李元凯西安电子科技大学710126)摘要：与体硅材料和器件相比，SOI具有许多的优点。
比如高速度、低功耗、低软错误、抗闭锁效应、与现有的硅工艺兼容等，因此被称为二十一世纪的微电子技术.SOI技术也越来越受到业界的关注。
本文综述了SOI技术及其优点与应用。
关键词:SOI(Silicon —on—insulator）寄生电容闭锁效应SIMOX技术BESOI技术Smart—Cut技术ELTRAN技术1、前言集成电路发展到目前极大规模的纳米技术时代，要进一步提高芯片的集成度和运行速度, 现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限, 在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战, 必须在材料和工艺上有新的重大突破。
目前在材料方面重点推动的绝缘体上的硅(SOI ，Silicon—on- insulator）等, 被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一,是维持Moore 定律走势的一大利器。
图1 为国际上SOI材料头号供应商—- 法国Soitec 公司给出的先进材料的发展路线图。
SOI、绝缘体上应变硅(sSOI）和绝缘体上锗（GOI）将成为纳米尺度极大规模集成电路的高端衬底材料。
2、什么是SOI?SOI(Silicon-On-Insulator）指的是绝缘衬底上的硅。
SOI技术被国际上公认为“二十一世纪的硅基础电路技术”。
它是一种在硅材料与硅集成电路的巨大基础上出现的、有独特优势的、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。
SOI的基本结构如图2所示：图2：(a）绝缘体作为衬底(b)绝缘薄膜位于绝缘体上3、SOI技术的优点SOI是一种具有独特的“Si/ 绝缘层/Si”三层结构的新型硅基半导体材料.它通过绝缘埋层( 通常为SiO2) 实现了器件和衬底的全介质隔离，在器件性能上具有以下优点:1) 减小了寄生电容, 提高了运行速度。
与体硅材料相比，SOI 器件的运行速度提高了20- 35％；2）具有更低的功耗。
SOI技术的抗辐照能力报告
SOI技术的抗辐照能力报告目录SOI技术的定义： (3)SOI技术的特点： (3)空间辐射问题： (5)电子元器件所受到的辐射效应分类 (7)常用的四种抗辐射材料： (7)SOI抗辐照技术 (8)SOI技术的抗辐射指标 (8)SOI技术和体硅CMOS技术两种技术抗辐射效应的对比 (8)SOI器件实例： (9)SOI技术的应用： (10)SOI技术国际主流公司： (10)SOI产业联盟： (11)国内SOI技术研究： (11)SOI技术的市场份额： (12)SOI技术的定义：SOI技术是指：在硅衬底上嵌入绝缘体埋层，再在埋层上生长单晶硅薄膜的材料制备技术。
SOI是英文Silicon On Insulator的缩写，指的是绝缘层上的硅。
SOI技术是指在绝缘层上形成一层具有一定厚度的单晶半导体硅薄膜的材料制备技术。
SOI材料可实现完全的介质隔离，与由PN结隔离的体硅相比，具有无闩锁、高速率、低功耗、集成度高、耐高温等特点，在便携式电子产品、航天、卫星通讯等领域均受到普遍重视，被称为“21世纪的微电子技术”。
SOI(Silicon-On-Insulator)字面意思是绝缘体上硅，可以理解为一种特殊结构的硅材料。
而SOI技术却包含非常丰富的内容。
SOI 技术也包括材料、器件和集成电路制造技术。
SOI技术的特点：SOI技术作为一种全介质隔离技术，有着许多体硅技术不可比拟的优越性。
在SOI技术中，器件仅制造于表面很薄的硅膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层隔开，正是这种独特的结构使得SOI技术具有了体硅器件所无法比拟的优点。
SOI CMOS器件具有功耗低、抗干扰能力强、集成密度高（隔离面积小）、速度高（寄生电容小）、工艺简单、抗辐照能力强，并彻底消除了体硅CMOS器件的寄生闩锁效应等优点。
随着SOI顶层硅膜厚度减薄到全耗尽工作状态（硅膜厚度小于有效耗尽区宽度）时，全耗尽的SOI 器件将比传统SOI 器件具有更优越的特性，这种全耗尽SOI 结构更适合于高性能ULSI 和VHSI 电路。
绝缘层硅(SOI)技术与市场
转折点: 转折点 2007- 2010 市场规模: 市场规模
– – – – – – 2000 2003 2004 2005 2007 2008-2010 $ $ $ $ $ $ 100M (Infant) 270M 400M 1,058M (Middle) 4B 8B (Mature)
Source: Gartner Dataquest, Defense Production Act Title III, Rose Associates, and USOI market research
Confidential
2
高速成长、规模庞大的 高速成长、规模庞大的SOI材料市场 材料市场
• • • 复合成长率CAGR : 47% (2004–2010) 复合成长率
(五年将成长七倍)
SOI Demand Market
U S D o lla rs in M illio n 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Years
供货商: 供货商 5 产品应用范例: 产品应用范例: CPU (8” based)
Demand: + eSOI TM-SOI
供货商: 供货商 2 产品应用范例: 产品应用范例: CPU (12” based)
Demand: +++ eSOI IS-SOI TM-SOI
Demand: ++ TKTK-SOI
Confidential
12
Smart Cut 存在的问题
• 在键合强度未达到足以抵抗氢离注入层的剥离作用力，温 度常需控制在剥离温度450℃下，否则会造成键合能不足 而使键合失败。 • 加热温度需高于500℃以下，方可确保有预期的薄膜分离 结果。假若键合材料的热膨胀系数存在较大的差异，高温 时即产生一热应力，破坏键合结构。此现象往往在转移异 质材料过程中，薄膜尚未转移，就发生热应力过程使键合 结构破裂。 • 一般加热方式是将热能转为动能，转换效率低，需耗较大 的能量进行，增加其成本。 • 对某些材料，如氧化铝基板，由Smart Cut制程中之一般 加热处理，无法产生明显的微气孔以达到薄膜转移目的。
SOI工艺
SOI 基本工艺
SOI结构 SOI工艺 SOI优点
2
SOI 结构
（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）
3
形成SOI材料的技术
注氧隔离技术（SIMOX）
通过高能量、大剂量注氧在硅中形成埋氧化层. O+ 的剂量在1.8×1018cm-2左右；能量~200kev 埋氧化层把原始硅片分成2部分，上面的薄层硅用来 做器件，下面是硅衬底
SIMOX的基本工艺
(1)氧离子注入(剂量约为3×1017～ 2×1018cm-2)；
(2)高温(1350℃)热退火1～4小时；
(3)晶片清洗(即去掉表面微粒和沾污)。
形成SOI材料的技术
键合减薄技术（BE）
把2个生长了氧化层的硅片键合在一起，两个氧化层 通过键合粘在一起成为埋氧化层 其中一个硅片腐蚀抛光减薄成为做器件的薄硅膜，另 一个硅片作为支撑的衬底
形成SOI材料的技术
智能剥离技术（smart cut）
解决了如何用键合技术形成薄膜SOI材料 可以形成高质量的薄硅膜SOI材料
氧化层
1 硅片-A 硅片-B
2
H+
H+ 注入氢离子 键合 硅片பைடு நூலகம்A
3
低温退火；注氢 处微空腔内氢气 发泡；硅片剥离
硅片-A
硅片-B
键合界面
4 高温退火 ， 增加键合强度 ， 恢复顶层硅膜中引起的损伤 ；CMP抛光使表面平整
硅片-A
硅片-B
5
形成SOI片 硅片-A SOI 片
SOI技术的优越性
1.
每个器件都被氧化层包围，完全与周围的器件隔离， 从根本上消除了闩锁效应； 减小了pn结电容和互连线寄生电容
SOI技术
《超深亚微米IC技术》课程考试院系(所)：信息科学技术学院专业：微电子与固体电子学姓名：学号：SOI技术及其在电路设计中的应用目录1.SOI技术的背景 (3)2.SOI的主流技术 (4)2.1离子束合成SIMOX技术 (4)2.2BESOI工艺流程： (5)2.3薄层转移技术 (5)3 SOI技术发展的新动向 (6)3.1SOI制备新技术——混合过程 (6)3.2不同绝缘埋层结构的SOI材料 (6)3.3不同半导体材料的SOI结构 (7)4.SOI 技术在电路设计中的主要应用 (7)4.1抗辐照、高温、高压器件等高性能专用电路设计领域的应用 (7)4.2SOI在射频电路设计中的应用 (7)4.3三维集成电路设计方面的应用 (9)1.SOI技术的背景SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。
即晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon（硅）晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。
SOI有三层组成，表面是一层薄薄的单晶硅，用于制造器件；下面是一层依托在体硅上的绝缘材料(见图1)。
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）。
图1 体硅和SOI材料近五十年来, 半导体技术依照摩尔定律快速发展, CMOS体硅工艺也面临性能挑战，超大规模集成电路取得快速发展的动力主要源于不断减小的器件尺寸和不断增加的芯片面积，当特征尺寸减小到100nm以下时会出现以下一系列问题：<1>.器件尺寸减小，导致热载流子效应，工作电源电压必须降低。
为了保证电路性能阈值电压应随之降低，导致关态漏电流的迅速增加。
<2>.体硅中的寄生可控硅闩锁效应。
<3>.由于特征尺寸减小，电源电压降低导致软失效问题，降低了电路的抗干扰能力<4>.集成度的提高，导致电路功耗密度提高，由此引发的功耗热耗问题亟待解决。
SOI及其制备工艺ppt
外延层质量差
可能是由于外延层沉积温度过高或过低、气体流 量不稳定等因素造成的。解决方法是控制外延设 备参数，保证外延层的质量。
硅片表面裂纹
可能是由于划片过程中参数设置不当或封装测试 过程中温度和压力控制不当造成的。解决方法是 控制划片和封装测试工艺参数，避免硅片表面产 生裂纹。
THANK YOU.
技术特点
该工艺具有剥离速度快、剥离精 度高、对衬底损伤小等优点，同 时可实现自动化生产。
应用领域
广泛应用于高质量SOI结构的制 备，如高频率、高功率器件和集 成电路等。
03
SOI材料性能及特性
SOI材料的物理性能
晶格结构
SOI材料的晶格结构通常是SiC或SiO2，具有高熔点、高弹性模 量和低热膨胀系数等特点。
02
紫外线和红外线防 护性
SOI材料能够阻挡紫外线和红外 线等短波长辐射，具有较好的防 护作用。
03
高温下的光学性能
SOI材料在高温下仍能保持良好 的光学性能，具有较高的应用价 值。
04
SOI的未来发展及前景
SOI技术的发展趋势
高速、高压、高温技术
为满足电力电子器件高效率、高频、高温工作需求，SOI技术将向高速、高压、高温方向发展。
制备工艺操作步骤及注意事项
• 硅片清洗时，需要控制清洗液的温度和时间，以避免硅片表面产生划痕和氧化。 • 热氧化时，需要控制氧气或水蒸气的流量和温度，以获得高质量的二氧化硅膜。 • 外延生长时，需要控制沉积温度和压力，以获得高质量的外延层。 • 离子注入时，需要控制注入的杂质种类和剂量，以获得所需的电学性能。 • 退火时，需要控制退火温度和时间，以获得均匀的杂质分布和良好的晶体质量。 • 划片时，需要控制切割设备和工艺参数，以避免硅片表面产生裂纹和破损。 • 封装测试时，需要进行有效的质量检测和可靠性评估，以保证产品的质量和可靠性。
soi工艺技术
soi工艺技术SOI工艺技术，也即硅绝缘体工艺技术（SOI：Silicon on Insulator），是一种用于集成电路制造的先进工艺技术。
SOI工艺技术通过在硅衬底和晶片间加入绝缘层，限制了电流的流动，从而提高电路的性能和可靠性。
SOI工艺技术的关键技术就是制备高质量的硅绝缘体材料。
硅绝缘体材料是一种特殊的材料，它具有很高的电阻率和绝缘性能。
通过将硅绝缘体材料嵌入到晶片中，可以有效地隔离晶片和硅衬底之间的电流，并减小晶体管的功耗和热量输出。
SOI工艺技术相比传统的CMOS工艺技术具有多方面的优势。
首先，SOI工艺技术可以显著提高电路的性能。
由于硅绝缘体材料限制了电流的流动，在晶体管工作时可以减少漏电流和串扰现象，提高了电路的速度和准确性。
此外，SOI工艺技术还可以降低电路的功耗。
由于晶片和硅衬底之间有绝缘层的存在，电流只能在晶背膜上流动，而无法通过硅衬底散热，从而降低了功耗，提高了电路的工作效率和稳定性。
SOI工艺技术还具有较好的集成度和可靠性。
由于绝缘层的存在，继电器之间的互相影响和干扰减少，因此可以实现更高的集成度。
同时，SOI工艺技术还可以提高电路的可靠性，减少硅衬底上的电子元件受到辐射或电磁波干扰的影响。
然而，SOI工艺技术也存在一些挑战和限制。
首先，SOI工艺技术的制造成本较高。
嵌入硅绝缘体材料需要额外的材料和设备，增加了制造成本。
其次，SOI工艺技术对设备和工艺有较高的要求。
制造SOI器件需要高精度的掺杂、整合和退火等工艺步骤，因此对设备和工艺工程师的技术水平要求较高。
总之，SOI工艺技术是一种具有广阔应用前景的先进制造技术。
它可以显著提高集成电路的性能和可靠性，降低电路的功耗，并实现更高的集成度和稳定性。
尽管SOI工艺技术面临一些挑战和限制，但随着技术的不断进步和成本的降低，相信其在未来会得到进一步的应用和推广。
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智能剥离法 (Smartcut）
利用中等剂量氢离子注入，在 一个硅晶圆 中形成气流层，然后在低温下与另一个硅 晶圆 (SiO2／Si)键台，再进行热处理使注氢 的硅晶圆片从气流层剥离来，最后经 CMP 使硅表面层光滑。 该方法克服了注氧隔离法 的缺点。
发展现状和趋势
IBM是SOI技术和应变硅技术的开拓者和应 用的佼佼者，其已采用SOI技术量产多种处 理器。 至今SOI技术已步入实用化阶段。SOI器件 SOI SOI 广泛用于高速，低功耗ห้องสมุดไป่ตู้变高可靠电路， 应用领域已从宇航军事、高温和工业转向 数字处理，通信、光电子MEMS和消费类 电子等
SOI技术
SOI技术
SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，先在 硅晶圆上嵌埋层SiO2绝缘层，然后以此绝 缘层作为基底 ，在表面硅层制作晶体管。 主要是利用离子注入等微制造工艺实现。
SOI技术
漏极漏电流
埋入氧化层
P－衬底 －
制造方法
目前制造 SOI晶圆的方法主要有两种，一 是注氧隔离法 (SIMOX)；二是智能剥离法 (Smartcut）。
应用
注氧隔离法 (SIMOX)
采用大束流专用氧离子注入机把氧离子注 入到硅晶圆中，注入剂量约为 10 18／cm2, 然后在惰性气体中进行≥1 300℃高温退火5 h，从而在硅晶园顶部形成厚度均匀的极薄 表面硅层和 SiO2埋层。
注氧隔离法 (SIMOX)
优点——硅薄层和SiO2埋层的厚度可精确 控制。 缺点——由于氧注入会引起对硅晶格的破 坏，导致硅薄层缺陷密度较高。
发展现状和趋势
SOI技术是降低晶体管漏电流的有效措施， 是推动IC向纳米尺度发展的有效技术。前 景一片光明。
应用
超薄SOI技术应用于MOS器件制作，易实 现耗尽性器件，适用于高速、低压、低功 耗电路。业界已采用超薄SOI晶圆推出0.1 um、 1亿个晶体管的高速CMOS电路。
应用
应变硅SOI技术有效提高了载流子迁移率。 世界顶级IC公司此技术应用于65nm/45nm 节点技术中。