（微电子学与固体电子学专业论文）非单一sio2埋层的soi新结构研究.pdf

非单一s i 0 ：埋层的s 0 l 新结构研究 摘要 探索研究新的s o i 结构成为s o i 研究领域新的热点。传统s o i 结构是以 s i 0 2 作为绝缘埋层，由于氧化硅的低热导率而使s o i 器件电路存在自加热效 应，在s o i 结构中引入新的埋层成为了解决这些问题的有效途径。本论文结 合我们承担的9 7 3 、国家自然科学基金项目等国家任务，开展了以s i 3 n 4 、 s i 0 2 s i 3 n 4 、s i 0 2 s i 3 n 4 s i 0 2 等为埋层的新型s o i 结构等材料的制备、性能及 其应用的研究。获得了以下主要结果： 采用x 射线四晶衍射仪定量测试e l t r a n 技术制备的s o l 材料的顶层 硅应变，分析了e l t r a ns o i 顶层硅应变产生原因。 采用超高真空电子束蒸发技术，以f e 为催化剂，成功的在硅和多孔硅衬 底上生长纳米硅锥阵列，结果表明这些纳米硅锥阵列具有良好的场发射性能。 为减轻传统s o i 器件电路的自加热效应，首次采用多孔硅外延转移技术 制备出以氮化硅为埋层的s o l 新结构。测试结果表明制备的新s o i 样品具有 较好的结构性能，但由于热应力的不匹配，顶层硅与氮化硅界面处有损伤存在。 这种新结构的电阻率分布均匀，绝缘埋层具有很好的绝缘性能。 为避免顶层s i s i 3 n 4 界面处存在的高界面态，成功的采用多孔硅外延转移 技术制备出以s i 0 2 s i 3 n 。为双埋层的s o i m 新结构，其中二氧化硅作为过渡层。 结果表明制备的s o i m 样品具有很好的结构性能，顶层硅电阻率分布均匀，绝 缘埋层具有很好的绝缘性能。由于二氧化硅过渡层的引入，大大减轻了氮化硅 与硅直接接触而引入的缺陷和高界面念。 采用m e d i c i 软件模拟以s i 0 2 s i 3 n 4 为理层的s o i mm o s f e t 在抑制自加 热效应方面的所表现的优越性。 为减少双埋层s o i m 片的翘曲度及减少这种结构中由于硅衬底与氮化硅 直接接触引入的高界面态，首次采用智能剥离技术成功制备出以 s i 0 2 s i 3 n 4 s i 0 2 为三埋层s o i m 新结构，其中的两个二氧化硅埋层均为过渡层： 实验结果表明三埋层的s o i m 结构具有优良的结构性能和电学特性。 中圈科学院卜海微系统与信息技术研究所博士学位论文 i 摘要 采用s m a r t c u t 技术制各了单晶硅s o g 材料，实验结果表明该结构具有良 关键词：s o l 新结构，e l t r a n ，s m a r t c u t ，自加热效应 中国科学院上海徽系统与信息技木研究所博士学位论文 h 一一 苎二! ! ! ! 堡墨竺! ! ! 堑竺塑竺查 a b s t r a c t f o r s t u d i e so fs o im a t e r i a l sw i t hn e wb u r i e di n s u l a t o r x i n y u n x i e d i r e c t e db y c h e n g l u l i na n dw e i l il i u d u et ot h ep o o rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb u r i e do x i d el a y e r ，s e l f - h e a t i n ge f f e c t i l ls o id e v i c e sl i m i t st h e a p p l i c a b i l i t yo fs t a n d a r d s o im a t e r i a l s i no r d e rt o r e s o l v et h eq u e s t i o na n dm e e tt h ed e m a n do f s p e c i a ld e v i c e c i r c u i t ，t h e r eh a sb e e n a s t r o n gi n t e r e s ti nt h ed e v e l o p m e n tn e w s o i s t r u c t u r e s r e p l a c e m e n to f t h eb u r i e d s i l i c o nd i o x i d eb yab e t t e rt h e r m a lc o n d u c t o rc o u l dm i n i m i z et h ee f f e c t e f f e c t i v e l y b a s e do nt h ed e m a n d sa n d s u p p o r t s o fs p e c i a lf u n d sf o r m a j o rs t a t e b a s i c r e s e a r c hp r o j e c t sa n dt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , w eh a v e m a d eas e r i e so fi n v e s t i g a t i o n so nf a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fn e ws o l s t r u c t u r e s ( s i s i 3 n 4 一s is u b s t r a t e ，s i - s i 0 2 - s i c n 4 一s i s u b s t r a t ea n ds i s i q - s i s n 4 一 s i 0 2 一s is u b s t r a t e ) ，s o g ( s i l i c o n o n g l a s s ) a n do t h e rn e wm a t e r i a l s m a i nn e w r e s u l t sa r ed r a w na sf o l l o w s ： t h e p r o p e r t i e s o fs o im a t e r i a l sf a b r i c a t e d b ye p i t a x i a ll a y e r t r a n s f e r t e c h n o l o g yw e r ei n v e s t i g a t e d s i l i c o nn a n o r o d s ( a b o u t1 0 3 5 n mh e i g h t ) o ns i l i c o n a n dp o r o u ss i l i c o ns u b s t r a t e sw e r es y 】a t h e s i z e d u s i n gu l t r a h i g hv a c u u me l e c t r o n b e a me v a p o r a t i o ni nt h e p r e s e n to faf ec a t a l y s t a f mi su s e dt oe s t i m a t et h e d i m e n s i o na n dc h e c kt h em o r p h o l o g yo ft h es i l i c o nn a n o c l u s t e r s t h ee l e c t r o n f i e l de m i s s i o ni su s e dt or e v e a l st h e p r o p e r t y o fs i l i c o nn a n o r o d s g r o w no n d j f f o l e n ts u b s t r a t e s s o is t r u c t u r e sw i t hs i s n 4f i l ma sb u r i e di n s u l a t o rw e r es u c c e s s f u l l yf o r m e d u s i n ge p i t a x i a ll a y e r t r a n s f e rt e c h n o l o g yf o rt h ef i r s tt i m e t h es t r u c t u r a la n d e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h en e ws o is t r u c t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e db yx t e ma n d s r pd u et o h i g hs t r e s sb e t w e e nt h es i s i 3 n 4 ，t h e r e i sah i g hi n t e r f a c ed e f e c t 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博：匕学位论文 i i i d e n s i t y 1 n h e r e n tt os i l i c o nn i t r i d ei n t e r f a c e w eh a v es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e ds o i ms t r u c t u r e sw i t hs i 0 2 一s i 3 n 4a sb u r i e d i n s u l a t i n gf i l m su s i n ge p i t a x i a ll a y e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y x t e ma n ds r p r e s u l t s s h o wt h ef o r m e ds o i m s a m p l eh a sg o o ds t r u c t u r a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s t h e o x i d e l a y e r u n d e r n e a t ht h et h i ns i l i c o nf i l mc a na v o i dah i g hi n t e r f a c ed e f e c t d e n s i t yi n h e r e n tt os i l i c o nn i t r i d ei n t e r f a c e t h es o i m s t r u c t u r e sf a b r i c a t e db yt h i s m e t h o di sag o o dc a n d i d a t et ob eu s e di nm i c r o - e l e c t r o n i ca n dm i c r o - - t e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n sw h e r ef l a e n n a l e f f e c t sa r et ob et a k e ni n t oa c c o u n t ，s p e c i a l l yw h e n t h e r m a ld i s s i p a t i o ni sn e e d e d t h ed e v i c e sb a s e do nn e ws o i m s t r u c t u r eh a sb e e nv e r i f i e di n t w o d i m e n s i o n a ld e v i c es i m u l a t i o na n di n d i c a t e dt h a tt h en e ws t r u c t u r e sr e d u c e d e v i c es e l f - h e a t i n ge f f e c ta n di n c r e a s et h ed r a i no ft h es o im o s f e t i ti st h ef i r s tt i m et h a tw ef a b r i c a t e ds o i ms t r u c t u r e sw i t hs i 0 2 一s i 3 n 4 一s i 0 2a s b u r i e di n s u l a t i n gf i l m su s i n gs m a r t c u tt e c h n o l o g y x t e ma n ds r pr e s u l t ss h o w t h es a m p l eh a sg o o ds t r u c t u r a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s t h eo x i d el a y e rb e t w e e n t h es ia n ds i 3 n 4c a na v o i dah i 【g hi n t e r f a c ed e f e c td e n s i t yi n h e r e n tt os i l i c o nn i t r i d e i n t e r f a c ea n dd e c r e a s et h eb o wt h ew a f e r f a b r i c a t e d m o n o c r y s t a l l i n e s o g ( s i l i c o n o n g l a s s ) s t r u c t u r e s b y f i e l d a s s i s t e db o n d i n gt e c h n o l o g y t h ee x p e r i e n c er e s u l t st h et o ps i l i c o nh a sg o o d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s t h ei n t e g r a t i o np r o c e s s o fs ia n dl i t a 0 3 b y s m a r t 。c u t t e c h n o l o g y w a sc r e a t e d k e yw o r d s ：n e ws o ls t r u c t u r e s ，e p i t a x i a ll a y e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y , s m a r t 。c u t s e l f - h e a t i n ge f f e c t 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 i v 非单一s i0 ，埋层的s o i 新结构研究 第一章s o i 技术与s o i 新结构 s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 是在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上 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 1 。相比 体硅，s o l 技术具有许多优势，如消除了闩锁效应、提高了抗辐照性能、改 善了短沟道效应以及热载流子效应等。原来它的应用主要局限在军工、航空 航天等领域来制作利高温和抗辐照电路。随着s o i 制备技术的发展，s o i 园 片成本不断降低，特别是i b m 等公司在商用s o l 电路制作的关键工艺方面获 得突破，使得s o i 进入民用成为可能。同时，随着移动通信、笔记本电脑等 便携式电子产品飞速发展，s o l 将成为实现低压、低功耗的主流技术。 一般s o l 结构是以s i 0 2 作为绝缘埋层，以硅作为顶层的半导体材料，这 样导致了一些不利的因素，限制了其应用范围。为解决这些问题和满足一些 特殊器件电路的要求，探索研究新的s o i 结构成为s o i 研究领域的新的热 点，如s o i m ( s i l i c o n o n i n s u l a t i n g m u l t i l a y e r ) ，g p s o i ( g r o u n d p l a n es o i ) ， g e s i o i ( g e s i o n i n s u l a t o r ) ，s io na 1 n ，s i c o i ( s i c 一0 1 1 一i n s u l a t o r ) ，s s o i ( s i l i c o n s i l i c i d e o n i n s u l a t o r ) 等 2 】。 本章回顾了s o i 技术的发展历程，对s o i 材料及其军民领域的应用作了 简要介绍，同时概述了s o i 材料的主流制备技术，详细的报道s o l 新结构研 究的新动向及其应用，并给出了本论文工作提要。 1 2s o l 技术综述 硅 笏魏嬲钐钐黝 _ ，。簇簿。j i 图卜1s o i 材料的基本结构：( a ) 绝缘体作为整个衬底； ( b ) 绝缘薄膜位于硅衬底上 中困科学院上海微系统与信息技术研究所博：b 学位论文 第一章s 0 1 技术与s 0 1 新结构 s o l 指的是绝缘层上的硅，其基本结构如图l 一1 所示。传统集成电路采 用体硅衬底，与之相比，s o i 技术在体硅中引入绝缘埋层( 一般为s i 0 2 ) 作 为器件基片，实现了元器件的绝缘隔离，如图1 2 所示。s o l 电路的绝缘埋 层把器件与衬底隔开，减轻了衬底对器件的影响( 即体效应) ，消除或在很 大程度上减轻了硅器件的寄生效应，大大提高了电路的性能，工作性能接近 理想器件。因此，s o i 电路能成功地应用于在高速、低压、低功耗、抗辐照、 而4 高温等领域，被国际上公认为是“二十一世纪的硅集成电路技术” 1 。 s i l l c 口n s 口l 图1 2 体硅器件和s o i 器件的结构 1 2 1s 0 1 技术的发展过程 为了解决体硅电路的体效应以及抗辐照能力差的缺点，1 9 6 3 年m a n a s e v i t 和s i p s o n 提出了s o s ( s i l i c o n o n s a p p h i r e ) 的设想。该技术能在一定程度 上解决体硅电路存在的难题，但硅与蓝宝石的晶格失配，而且热涨系数相差 很大，导致界面态很高，更重要的是蓝宝石衬底价格太昂贵，成本使商业应 用难以承受，应用主要局限在军工、航空航天等领域来制作耐高温和抗辐照 电路。从八十年代开始，人们把注意力转向了绝缘衬底是s i 0 2 的s o l 。在这 段时间里，s o i 衬底制备技术有相当大的进展，主要有b e s o i ( b o n d i n ga n d e t c h b a c ks 0 1 ) 、s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ) 、f i p o s ( f u l li s o l a t i o n b yp o r o u s o x i d i z e ds i l i c o n ) 等。但依然由于其成本及衬底质量的问题，应用领 域没有显著的扩大。进入九十年代后，随着技术的进步，以及u n i b o n ds o i 技术的出现，s o i 片的成本不断下降，质量日益提高：与此同时移动通信、 笔记本电脑等便携式电子产品风靡全球，该产品的电池供电方式对电路的驱 动电压及功耗都有严格的要求。市场对低压、低功耗电路的需求日益增加， 在1 9 9 3 年，低压、低功耗电路占整个i c 市场的4 ，而1 9 9 8 年达到4 0 3 。 由于s o i 技术在低压、低功耗领域的优势，s o i 成为实现低压、低功耗的最 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 2 非单一s i0 ，埋层的s 0 1 新结构研究 有希望的技术，受到空前的重视。当前，s 0 1 在低压、低功耗方面的应用已 成为s o i 技术的主流 4 ) 。 1 9 9 8 年8 月3 闩，美国i b m 公司在纽约e a s t f i s h k i l l 宣布在世界上首次 利用s o l 技术成功地研制出了高速、低功耗、高可靠的微电子主流产品一一 微处理器等高性能芯片，紧接着，s c i e n c e 5 等也作了相应报道。i b m 公司的 研究显示，与体硅c m o s 技术相比，s o l 技术使芯片的功能提高了2 0 ，而 功耗却降低3 5 7 0 ，实现了摩尔定律图上性能的跳跃，如图1 3 所示。 y e a rt e c h n o l o g yq u a = f l e d 图1 3 摩尔定律 s o i 技术随着低压、低功耗电路性能的提高得到了非常大的发展。为更 好利用s o i 材料给微电子带来的优良性能，并有效的克服其带来的不利效应， 从而拓展s o i 材料的应用范围，近年来，探索研究新型s o i 结构成为s o i 研究领域新的热点，我们将在下面详细介绍s o l 新型结构及其应用。 1 2 2 s o l 技术的优越性及其应用 由于减少了结寄生效应和体硅c m o s 的体效应，c m o s s o i 具有许多体 硅c m o s 不可比拟的优点： ( 1 ) c m o s s o i 的器件之间完全用介质隔离，不存在闩锁效应。 c m o s 器件中存在闩锁效应，它是所有体硅c m o s 结构内在的p n p n 闸 流管结构的触发而引起的。而s o i 技术可以很好地消除闩锁效应。图1 4 是 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 8c毛也当；m面 第一章s o i 技术与s 0 1 新结构 一个c m o s s o i 剖面结构 6 ，由于制作器件的硅膜和硅衬底之间有二氧化硅 隔绝，这就使每个n m o s 晶体管或p m o s 晶体管都完全用二氧化硅与周围 的器件隔离。采用s o i 材料代替体硅材料可以从根本上消除c m o s 产生的闩 锁效应。 豸n + 口一 n +p +n p + 琵 硅衬底 图1 4c m o s s o i 剖面图 ( 2 ) c m o s s o i 比体硅c m o s 结构简单，工艺也简单，而且由于没有闩 锁效应，可以进一步缩小器件之间的距离。在体硅c m o s 反相器中n m o s 管和p m o s 管之间必须有一定的距离，而在c m o s s o i 中，反相器中的n m o s 管和p m o s 管的漏区可以直接靠在一起，因此在同样工艺水平下，c m o s s o i 可以比体硅c m o s 有更高集成密度。 ( 3 ) c m o s s o i 具有更高的工作速度。 在体硅c m o s 中，m o s 管源、漏区和衬底形成p n 结电容。随着器件尺 寸的减小，衬底掺杂浓度的提高，p n 结电容加大，这将增大电路的负载电 容，影响电路的工作速度。在c m o s s o i 中，m o s 管源、漏区的p n 结电容 被源、漏区和衬底之间的氧化层电容取代，且由于掩埋二氧化硅比较厚，这 个寄生电容远小于p n 结电容。另外，c m o s s o i 电路中连线和衬底间的寄 生电容也由于增加了二氧化硅层而减小。 ( 4 1 薄膜c m o s s o i 更适合于深亚微米v l s i 。 随着集成度的提高，器件尺寸减小，电源电压必须降低，因而器件的阈 值电压也要按比例下降。闽值电压减小将使得电路在截止态时亚阈值漏电的 影响更加严重。另外器件尺寸减小后短沟道效应等二级效应引起器件性能退 化的问题越来越突出。薄膜全耗尽m o s s o i 器件比体硅器件有更小的亚阀 值斜率，而且有利于减小短沟道效应以及热电子效应等小尺寸器件的二级效 应。在s o l 材料上可以制作出高性能的深亚微米的c m o s 器件。c m o s s o i 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 4 非单一s i 0 ，埋层的s o i 新结构研究 是未来深亚微米v l s i 的候选技术 7 。 ( 5 ) c m o s s o i 具有低功耗特性。 c m o s 电路工作动态功耗p = f c l v 2 叻，由于c m o s s o i 比体硅c m o s 有更小的寄生电容，因而在同样速度下将有更低的功耗。另外，c m o s s o i 电路中极大地减小p n 结漏电和亚阈值漏电，可以降低电路的功耗。因此 c m o s s o i 更适合于低电压工作。 f 6 1c m o s s o i 具有优良的抗辐照性能。 i n “蓬枷裙 图1 。5s o i 的抗辐照性能 空间的辐照会影响电路的正常工作，严重时会导致电路失效，造成可怕 的后果。例如宇宙辐射中的高能量a 粒子，a 粒子入射到硅中，将沿着它的 运动轨迹使硅原子电离，产生电子一空穴对，电子被存储高电平的n + 区收集， 将破坏原来的存储信息，空穴将形成树底电流( 对p 型硅衬底) 。o 粒子在硅 中穿透深度达1 0 1 a m 以上。由于s o i 器件中的二氧化硅掩埋层把器件的有源 区和衬底隔离，a 粒子在衬底中激发的电子一空穴对不能被器件搜集，不会 影响器件的正常工作。如图i 一5 。 ( 7 ) c m o s s o i 可以实现三维立体集成。 s o i 器件是一种平坦的多层结构，利用这种s i s i 0 2 的多层结构，可以 实现三维立体集成，充分利用硅片面积，实现更高密度的v l s i 电路。图1 - 6 是一种立体结构的c m o s s o i 反相器，把p m o s 晶体管叠置在n m o s 晶体 管上方，极大地节省了硅片的平面面积。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 l 第一章s 0 1 技术与s o i 新结构 p m o s 共栅 n m o s 图1 6 立体的c m o s s o i 反相器 如果在s i o z 上能生长硅的单晶薄膜并能反复多次进行，则我们就能实 现三维j c 结构。s o i 技术是三维i c 的基础技术。用s o i 材料制备三维集成 电路仍处于探索阶段。3 d 器件集成能通过提高晶体管堆积密度降低芯片面积 及连线要求。利用制备的s o i 多重结构可以制造三维集成电路。如果能把高 性能器件置于多层结构上，就能制备出高压缩、高功能、高可靠性微电子系 统。 图1 7 以s e g 和e l o 形成3 d s o i 结构的示意图 美国p u r d u e 大学的g w n e u d e c k 利用选择性外延( s e g ) 和横向外延 生长( e l o ) 相结合的方法获得3 d s o i 结构，其结构如图1 7 。并且利用 中国科学院上辩徽系统与信息技术砭歼究所博士学位论文 非单一s i 0 ：埋层的s 0 1 新结构研究 陔结构制各出性能优良的深亚微米级s o im o s f e t 器件。在2 0 0 0 年的i e e e i n t e r n a t i o n a ls o i c o n f e r e n c e 上，法国的c m a l e v i l l e 等人报道利用多重智能剥 离技术制备多重s o i 结构 8 。多层s o i 结构上器件与器件、层与层之间绝缘 隔离可通过s o l 结构中的s i 0 2 层来实现。另外，滤光器、微机械、传感器等 的制造过程中，多层s o l 结构也是很理想的选择。我们根据制备器件的要求 制备多层s o i 结构，并把该结构直接制成器件，也可在制备出符合要求的s o i 结构后，在此结构上制备三维集成电路。 1 2 3s o l 主流技术 近十几年来，s 0 1 技术得到了飞速的发展，出现了许多s o i 的制备方法。 s o i 最初的制备方法是在绝缘体上异质外延单晶硅，其衬底有蓝宝石、二氧 化锆、尖晶石、氟化钙等；对于s i s i 0 2 一s i 结构的制备方法可分为三类：第 一类是在氧化层上直接制备单晶硅，如激光再结晶法、卤素灯或条形加热器 再结晶法、固相横向外延法等，一般来说，这些方法难以形成质量很好的上 层单晶硅：笫二类是采用隔离技术在单晶硅中引入绝缘埋层，如注氧隔离技 术、注氮隔离技术、注氮氧隔离技术、多孔硅氧化隔离技术等；第三类是硅 片直接键合的方法，如智能剥离( s m a r t c u t ) s o i 技术、键合及背面腐蚀 ( b e s o i ) 技术等。从s o i 技术的最新发展来看，这三类方法并不是在孤立 地发展，而是有相互渗透、相互结合的趋势。下面介绍最具竞争力的几种s o i 制备的主流技术：s i m o x 技术、s m a r t c u t 技术、原子层剥离( a t o m i cl a y e r c l e a v i n g ) 技术，并详细介绍e l t r a n ( e p i t a x i a ll a y e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y ) 技术。 1 2 3 1 注氟隔离技术( s i m o x ) s i m o x 最早由日本的i z u m i 等人 1 提出，其原理很简单，如图1 - 8 所示。 首先将氧注入到单晶硅中，为了形成符合化学配比的二氧化硅埋层，氧的注 入剂量高达i 8 1 0 8 e m - 。另外，为了防止硅在注入过程中非晶化，衬底温 度在注入过程中必须保持5 0 0 6 5 0 。c 。这种方法的主要限制是需要昂贵的大 柬流注氧专用机。此外为消除氧注入损伤，实现表面硅层固相再结晶，形成 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章s 0 1 技术与s o i 新结构 良好的s i s i o = 界面，必须用专用退火炉进行高温( 1 3 0 0 。c ) 长时间( 5 小时) 退 火，因而s i m o x 材料成本较高。 图1 - 8s i m o x 形成原理图 1 2 3 2 智能剥离技术( s m a r t - c u t ) 图1 - 9s m a r t c u t 技术示意图 s m a r t c u t 技术是法国l e t l 公司的m b r u e l 等提出的【9 】，原理是利用氢 离子注入在硅片中形成气泡层，将注氢片与另一支撑片键合( 两个硅片之间至 少一片的表面要有热氧化s i 0 2 覆盖层) ，经适当的热处理使注氢片从气泡层 处完整裂开，形成s o l 结构。s m a r t ，c u t 技术是一种较理想的s o i 制备技术， 主要包括三个步骤：( 1 ) 离子注入：室温下，以一定能量向硅片a 注入一定 剂量的h + ，用以在硅表层下产生个气泡层。( 2 ) 键合：将硅片a 与另一硅 片b 进行严格清洁处理后，在室温下键合。硅片a 、b 之间至少有一片的表 面用热氧化法生长s i 0 2 层，用以充当未来s o i 结构中的绝缘层。( 3 ) 两步 热处理：第一步热处理使注入、键合后的硅片( a 片) 从注h + 气泡层分开，形 成s o l 结构，a 片其余的部分可循环作支撑片使用；最后将形成的u n i b o n d 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博= l 学位论文 8 非单一s i 0z 埋层的s o l 新结构研究 s o i 片进行高温处理，进一步提高s o i 的质量并加强键合强度( 主要过程如 图1 。9 所示) 。 s m a r t c u t 技术中，氧化埋层是用热氧化法制备的，无漏电通道，不会出 现s 1 m o x 技术中常见的埋层硅岛等问题，性能优异。发明此技术的法国 s o i t e c 公司已用s m a r t c u t 技术提供商品化的s o l 材料。 1 2 3 3 原子层剥离( a t o m i cl a y e rc l e a v i n g ) 技术 s i g e nn a n o c l e a v e l m s o lw a f er 。p r o c e s s 图1 一t 0 原子层剥离技术示意图 原子层剥离技术是由s i g e n 公司开发的一种独具特色的s o l 材料制备方 法，又称为n a n o c l e a v e t m ，其主要过程如图l 一1 0 所示，包括等离子体注入 ( p i l l ) ，键合，独特的、利用n 2 气流使键合片分裂等几个步骤。s i g e n 公司 声称，这种方法制备的s o l 晶片的突出优点在于具有很好的表面粗糙度 ( 0 2 04 n mr m s ) ，不需额外的c m p ( 化学机械抛光) 过程即可用于流片。 1 2 3 4 多孔硅外延层转移技术( e l t r a n ) 多孔硅是u l r i c h 1 0 在研究硅的电化学抛光时发现的，他发现当电流密 度小于一定的值时，硅的表面会形成一层多孔结构。研究还发现多孔硅的氧 化速率比普通的单晶硅大得多 1 1 】，1 9 8 1 年k i m a i 1 2 利用这个性质提出 f i p o s 技术。但是由于多孔硅氧化后体积的膨胀，上层硅中的应力较大，甚 至翘曲；另外，侧向氧化前需要进行光刻，因此只能形成一些硅岛，这些都 限制了f i p o s 的发展和应用。研究表明 1 3 ，多孔硅在h f h 2 0 2 溶液中腐蚀 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 9 第一章s o i 技术与s 0 1 新结构 速率是硅的十万倍，因此可以结合b e s o i 的方法，将多孔硅作为腐蚀终止层， 这样既克服了b e s o i 由于腐蚀选择率不够高难以精确控制上层硅厚度的缺 点，又继承了键合的优点。1 9 9 4 年，c a n o n 公司发明了e l t r a n 的方法 1 4 。 图1 1 1 是c a n o n 公司开发e l t r a n 技术的进程 1 5 。从图表中看出， e l t r a n 技术作为制备s o l 材料的一种新型技术，其发展相当迅速。下面我 们详细介绍这种方法。 c l a s st 0 0 - 1 0 0 0 一卜斗- c i a s s1 图1 1 1e l t r a n 从研发到产业化的历史发展进程 ( a )工艺过程： 图1 1 2e l t r a n 技术制备s o l 示意图 中国科学院上海擞系统与信息技术研究所博士学位论文 o 非单一s i0 。埋层的s o i 斯结构研究 e l t r a n 技术制备s o l 的工艺流程如图1 1 2 所示。首先在多孔硅上外 延单晶硅，将外延片氧化后与硅片键合，然后用机械抛光方法将衬底硅去除， 或用水冲将其劈开，最后将残余的多孔硅去除，即形成s o i 。这种方法c a n o n 公司已经实现批量生产，并且可以制备出直径3 0 0 r a m 的s o i 晶片。 ( b ) 应用的新技术 c a n o n 公司采用e l t r a n 技术制备s o l 材料过程中应用了如下几个新技 术以提高材料的质量。 ( i ) 制备双层多孔结构 为得到高质量的s o l 材料，e l t r a n 技术中最关键的一步工艺就是在多 孔硅上外延生长出高质量的单晶硅。由于多孔硅表面的缺陷存在，势必会对 外延硅造成很大影响，而且空洞越大对外延硅的影响就越大，这就要求多孔 硅层的孔隙率( 材料中孔隙的总体积与整个材料的体积之间的比率) 不超过 一定的限度。但在后续剥离过程中为使顶层硅与外延衬底片容易分离，要求 多孔硅的孔隙率达到一定的要求。为解决这两方面的矛盾，c a n o n 公司采用 制备双层多孔硅的方法：在制备多孔硅过程中，采用不同的电流大小，开始 时电流较小，生长的多孔硅孔隙率较小，然后电流变大，生长一层孔隙率较 大的多孔硅层，这样就会形成两层多孔硅，双层多孔硅的结构图如1 1 3 。 l 一1 3 采用不同电流条件制备的双层多孔硅 制各双层多孔硅不仅能有效的减少外延硅的缺陷密度，在以后的剥离过 程中，由于在双层多孔硅界面处存在较大的应力【1 6 ，使得双层多孔硅的剥 离比单层多孔硅的剥离更容易。单层和双层多孔硅剥离过程如图1 1 4 1 7 ， 从图中可以看出，单层多孔硅剥离过程中会损伤顶层硅，而双层多孔硅结构 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 1 1 第一章s o l 技术与s o i 新结构 在剥离过程不易损伤顶层硅。 1 1 4 单层与双层多孔硅剥离过程的示意图 ( 2 ) 外延生长前多孔硅表面的预处理 在多孔硅上外延生长单晶硅之前，首先在c v d 生长腔内对多孔硅表面 进行预处理。预处理的方法就是在1 0 0 0 1 1 0 0 。c 在氢气气氛中烘烤 1 7 。图 1 一1 5 是氢退火处理过程中表面缺陷降低的机制。在这个图中给出了两种不 同的工艺过程，第一个是氢烘烤过程中不添加气态硅原子，这种工艺在外延 单晶硅过程中会引入缺陷；另一个是氢烘烤过程中加入气态硅原子，在氢烘 烤过程中通入少量的气态硅原子，这部分硅原子就会填充在表面空洞处，弥 补填充原子的不足，使得表面缺陷进一步降低，这样会大大的降低了外延单 品硅中的缺陷【l8 1 9 1 2 0 。 1 1 5 表面处理过程中降低缺陷的机制过程 中国科学院l 二海微系统与信息技术研究所博士学位论文 非单一s i 0 ：埋层的s o l 新结构研究 ( c ) e l t r a ns o i 材料的质量 与目前较为流行的s i m o x 、s m a r t c u t 相比，多孔硅外延层转移技术具有 如下的优越性：( 1 ) 体硅中存在o 1 一o 2 u r n 的c o p s ( c r y s t a l o r i g i n a l e d p a r t i c l e f r e e ) ，而在外延层上并无c o p s 存在。体硅、外延片、用s m a r t c u t 方法和s i m o x 方法得到的s 0 1 片及e l t r a n 方法的的外延s o i 片中c o p 分布情况如图1 1 6 。如果把用智能剥离技术和注氧方法得到的s 0 1 片放入 h f 溶液中，c o p s 将会变成针孔，埋层氧化物将会被腐蚀( h f 缺陷) 。现在 随着电路集成密度的不断增大，要求硅片的质量越来越高，有源层中微小空 洞的存在无疑会降低制备的器件，电路成品率。因此，随着器件的进一步微细 化，s o i 外延片在将来具有很大的应用前景。( 2 ) 薄膜的厚度容易控制：顶 层硅是用外延方法形成的，埋层氧化物是通过热氧化法得到，因而厚度容易 控制，表面均匀性可达到5 甚至更好。( 3 ) 剥离以后，把残留的多孔硅清洗 掉，留下的硅片可重新利用。( 4 ) 在e l t r a n 技术制备s o l 材料过程中，不 需经过离子注入过程，这样就可以避免离子注入引入缺陷到顶层硅，并且可 以大大的降低生产成本。 1 1 6 在体硅、外延h 、s o i 片及外延s o i 片中c o p 分布情况 表1 1 半导体工业协会关于1 9 9 9 年半导体国际技术指标数据 、 l a t e s ts i a - i n t r s ( f u l l yd e p l e t e d )e i j r a n t h i c k n e s s3 0 - 4 0 2 0 0 - 4 0 01 0 0 1 0 0 ( s o i b o x ) n m t s o l 】 1 0 1 4 1 0 1 4 1 0 1 3 折射率 3 51 4 62 0 52 15 中国科学院匕海微系统与信息技术研究所博士学位论文 1 4 非单一s i 0 ，埋层的s 0 i 新结构研究 表1 2 列出了s i ，s i 0 2 ，s i 3 n 4 ，a 1 2 0 3 和a i n 在3 0 0 k 时的某些重要性质。 从表中可看出，同为绝缘物质的s i 0 2 ，s i 3 n 4 ，a 1 2 0 3 和a 1 n ，其中s i 3 n 4 ，a 1 2 0 3 ， a i n 的热导率均比s i 0 2 高。另外也可以看出，这几种绝缘物质具有各自的特 点，因而我们可以根据所需电路器件的要求来选择以那种物质作为s o l 的绝 缘衬底。 第二类：非s i 顶层的s o i 结构。为了满足一些特殊器件电路的要求和充 分利用s o l 结构的带来有利因素，人们在探索研究改用新的半导体材料( 如 g e s i ，s i c 等) 来代替s o i 结构中的顶层硅，这种新的s o i 结构兼有s o l 技 术和其它半导体材料的优越性。 现在s o i 技术己得到一个前所未有发展机会。然而，s o i 最终要取代或 部分取代体硅材料成为主流技术，除了降低生产成本外，还要不断的充分利 用s o l 技术为材料带来的优点，克服其缺点，从而拓宽其应用范围。相信随 着s o i 新结构的研究进展，将出现更高性能的s o i 电路。 1 3 1 s o l 新结构及其应用 1 3 1 1 第一类s o i 新结构 1 ) s o i m 结构( s i l i c o n o n i n s u l a t i n g m u l t i l a y e r ：多层绝缘薄膜s o i m 结构) ( 如图1 1 7 ) 图1 1 7s o i m