（微电子学与固体电子学专业论文）soi材料的制备及纳米空腔吸杂.pdf

摘要 绝缘层上的硅( s 0 1 ) 技术以其独特的结构在低压、低功耗电路，高 温、抗辐照器件以及集成光电子器件方面有着广泛的应用，被誉为“2 l 世 纪的硅集成电路技术”。本论文围绕这一微电子领域发展的前沿课题，根 据国家自然科学基金和上海市青年科技启明星项目的需要，主要进行了以 下三个方面的研究：一、以氢、氦离子注入引起的纳米空腔吸除体硅和s o l 材料中的c u 杂质；二、针对高压器件、m e m s 等的需要制备了厚埋层的 s m a r t c u ts o i 材料；三、研究了以氢、氧离子共注入制各s o i 材料的新方 法，获得了如下的主要结果： 绝鲞窒膣哩苤立西! 研究了氢、氦离子注入与退火形成纳米空腔的机 制，摸索了气泡和纳米空腔形成的条件，对中等剂量的氢离子注入，4 3 0 以上退火将确保气泡及空腔的形成，更高的退火温度有助于消除氢离子 注入所产生的缺陷；将氦离子注入形成的纳米空腔分别引入到s i m o x s o i 材料和s m a r t c u ts o l 材料的氧化埋层下面，证明了尽管存在氧化埋层， 纳米空腔仍然能够有效吸除顶层硅中的c u 杂质，对两者吸附效率都超过 了8 0 。s i m o x 材料的埋层界面对c u 有一定的吸杂作用，但吸杂效率较 低且高温下吸杂不稳定，而s m a r t c u ts o i 的埋层界面比s i m o xs o l 更为 完美，纳米空腔层的吸杂效果更为明显；首次在同一硅衬底中引入了空腔 层和a l 金属沉淀层两个吸杂位置，对比研究了两种不同吸杂手段对c u 杂 质的吸除效果。在退火温度不高于1 0 0 0 。c 时，a 1 沉淀在吸杂中占据主导 地位，在更高的温度下，纳米空腔吸附的杂质量显著上升。纳米空腔对c u 杂质的吸附有着更好的稳定性，吸杂位置稳定、易控制；而a 1 沉淀层在 不同退火温度下分布曲线有很大的差异。 厘堡屋曼q ! 挝糙剑鳘壹查! 在国内首次成功制各了厚埋层的s m a r t c u t s o i 材料，各项分析测试表明，厚埋层s o i 材料的顶层硅厚度均匀，单晶 质量优良；顶层s i s i 0 2 、s i 0 2 s i 衬底界面清晰、陡直：材料的电学性能 优异。并在此基础上分析了s m a r t c u ts o i 材料中应变产生的机制，讨论认 为氧化埋层厚度的增加使得顶层硅中应力及应力梯度增大，从而引起材料 电学性能的变化，为了减少应变，可在不改变埋层厚度的前提下适当加大 顶层硅的厚度。 氢! 氢基洼厶剑备签q ! 挝魁友亘：研究了氢、氧共注入制备s o i 材料 的新技术。氢注入后退火所形成的空腔、空位等缺陷对离子注入的氧产生 强吸附作用，为氧化埋层提供了聚合中心：空位( 腔) 层在较低的温度下 己开始吸附注入的氧，将有可能显著降低常规s i m o x 工艺中的退火温度： 空位( 腔) 层能吸附氧离子注入产生的间隙原子，从而降低下界面处的缺 陷密度：吸附、沉积在纳米空腔壁上的氧，抑制了空腔的迁移与聚合，从 而防止过大的空腔形成，有利于氧化埋层的形成；在氧离子、氢离子先后 注入的情况下，相同剂量但不同能量注入的氢离子很多为氧注入的缺陷所 捕获，在高温退火后对富氧埋层的分布所起的影响差别不大；退火时，氢 注入引起的空位和氢的共同作用将有限加速氧的扩散速率，增加了氧的内 扩散和外扩散，形成了一个分布更广的富氧区域；氧离子注入后注入剂量 较大的氢离子将不利于连续的氧化埋层的形成。 关键词：绝缘层上的硅，纳米空腔，吸杂，智能剥离，注氧隔离 i v t h e s i sa b s t r a c t f o r f a b r i c a t i o no fs 0 1m a t e r i a l sa n dn a n o c a v i t i e sg e t t e r i n g b y y a n j u nw u d i r e c t e db y p r o f e s s o rm i a o z h a n g a n dp r o f e s s o rc h e n g l ul i n c o n s i d e r e da st h e t e c h n o l o g y o ft h ef u t u r em i c r o e l e c n o i n c s s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ( s o i ) h a sb e e nf o u n dg r e a tp o t e n t i a li ni n t e g r a t e dc i r c u i t s w i t hi t s u n i q u es t r u c t u r e ，w h e r e l o w e r c o n s u m p t i o n a n d h i g hs p e e d a r e r e q u i r e d ，a s w e l la si nr a d i a t i o nh a r d e n e dc i r c u i t sa n d h i g ht e m p e r a t u r e d e v i c e s f o c u s i n go nt h e s e a d v a n c e ds t u d i e si ni ct e c h n o l o g ya n db a s e do n t h ed e m a n d so ft 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 aa n dt h e s h a n g h a iy o u t hf o u n d a t i o n ，w em a d eas e r i e s o fi n v e s t i g a t i o n sm a i n l yo n3 a s p e c t s ：f i r s t ，g e t t e r i n g o fc u i m p u r i t i e s t on a n o c a v i t i e si n t r o d u c e d b y h y d r o g e na n dh e l i u mi o ni m p l a n t a t i o ni ns o ia n ds i l i c o nm a t e r i a l s ；s e c o n d ，t o f a b r i c a t et h i c k b o x ( b u r i e do x i d e ) s o lb ys m a r t - c u tt e c h n o l o g yf o rt h e a p p l i c a t i o no fh i g hv o l t a g es o ld e v i c e sa n dm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ；t h i r d ，t oe x p l o r e t h em e t h o do f f o r m i n g s o lm a t e r i a l s b y c o - i m p l a n t a t i o n o fh y d r o g e na n d o x y g e ni o n s m a i nr e s u l t s a r ed r a w na s f o l l o w s ： g ! ! e i 坠gq ! 虫! g ! i 婪! 卫望i 丛l qh 坠q g ! i ! i ；t h e p r o c e s sa n dt h e c o n d i t i o nf o rt h ef o r m a t i o no fn a n o e a v i t i e si n d u c e db yh y d r o g e no rh e l i u m i o n s i m p l a n t a t i o n h a sb e e n s t u d i e d ，t h a ti sw h e na n n e a l e da b o v e4 3 0 b u b b l e sa n dn a n o c a v i t i e sw i l lb ef o u n di n s i l i c o nw i t ht h em e d i u md o s e h y d r o g e n i m p l a n t a t i o n f u r t h e r m o r e ，h i g h e r a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，l o w d e f e c t sr e m a i n e di ns i l i c o n n a n o c a v i t i e sw a si n t r o d u c e di nt h es u b s t r a t e so f v b o t hs i m o xa n ds m a r t c u ts 0 1w a f e r st os t u d yc ui m p u r i t i e sg e t t e r i n g t h e r e s u i t sd e m o n s t r a t et h a tc ui m p u r i t i e si nt h et o ps il a y e rc a nd i f f u s et h r o u g h t h eb o x l a y e ro f s i m o xa n ds m a r t c u ts o la t t e m p e r a t u r ea b o v e7 0 0 。c a n d b et r a p p e db yt h en a n o c a v i t i e s ，w h i c hc a ng e t t e rn o tl e s st h a n8 0 o f t h ec u i m p u r i t i e s i nb o t hw a f e r ss o m eo fc ui l n p u r i t i e sc a l lb ec a p t u r e db yt h e i n t r i n s i cd e f e c t sa tt h eb o x i n t e r f a c eo fs i m o x ，b u tw i l lb er e l e a s e do u ta t h i g ht e l n p e r a t u r e s t h eg e t t e r i n ge f f e c to f s i m o xi n t r i n s i cd e f e c t sa tb o x i s m u c hl o w e rt h a nt h a to ft h en a n o c a v i t i e s b u tn oc ua r et r a p p e da tt h er a t h e r p e r f e c tb o x i n t e r f a c e so fs m a r t c u ts o t i na d d i t i o n ，w ep r o d u c e db o t ha 1 p r e c i p i t a t e s a n dn a n o c a v i t i e sa t d i f f e r e n t d e p t h s w i t h i no n es iw a f e rt o d e t e r m i n et h e i rr e l a t i v e g e t t e r i n gs t r e n g t h i t i sf o u n dt h a tc ui m p u r i t i e sa r e g e t t e r e dp r i m a r i l yi nt h er e g i o nc o n t a i n i n gt h ep r e c i p i t a t e d a 1l a y e rr a t h e rt h a n b yc a v i t i e sa tt h et e m p e r a t u r eo f7 0 0 一1 0 0 0 c w h i l e ，g e t t e r i n go f c uo c c u r si n b o t hr e g i o na t t e m p e r a t u r eo f1 2 0 0 。c i nc o m p a r i s o nw i t ha 1p r e c i p i t a t e s ， w h o s ec o n c e n t r a t i o np r o f i l ec h a n g e dg r e a t l yw i t ht e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n g t i m e ，c a v i t i e sr e m a i na ta p p r o x i m a t e l yt h es a m ed e p t h e 坠i g l i q 望q ! 墅i k 量q 嚣墨q ! 坐a ! ! l g ! ! ；t h i c kb o xs o im a t e r i a l s ， w h i c ha r ei m p o r t a n ti na p p l i c a t i o n ss u c ha sp o w e rd e v i c e s ，m e m se t e ，h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e d b yt h e s m a r t c u tp r o c e s s x t e mm i c r o g r a p h c o n f i r mst h ef o r m a t i o no ft h es o is t r u c t u r e i n a d d i t i o n ，h i g h r e s o l u t i o n x t e m i m a g eh a v ev e r i f i e dag o o dc r y s t a lq u a l i t yo ft o ps ia n dh i g hq u a l i t y s i l i c o n i n s u l a t o ri n t e r f a e e s a n ds r pr e s u l t sd e m o n s t r a t ee x c e l l e n te l e c t r i c a l p r o p e r t y o fo u rs o lm a t e r i a l t h e o r i g i n o ft h es t r e s si n s m a r t c u ts o i m a t e r i a l sw a sa n a l y z e di ti sc o n c l u d e dt h a tt h er e s i d u a ls t r e s si n t o ps i l i c o n w a se n h a n c e dw i t h i n c r e a s i n g b o xt h i c k n e s s a n dt h i ss t r e s sh a sc e r t a i n e f f e c to nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t yo fs o il a y e r t od e c r e a s et h es t r e s s ，w em a y a d dt h et h i c k n e s so f t o ps i l i c o np r o p e r l y f o r m i n g s 0 1m a t e r i a l sb yh y d r o g e na n do x v , e ni o n sc o - i m p l a n t a t i o n ： w e s y s t e m i c a l l y s t u d i e d t h en e w t e c h n o l o g y o f f o r m i n g b o x b y c o i m p l a n t a t i o n o fh y d r o g e n a n d o x y g e n i o n s t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h en a n o c a v i t i e sa n dv a c a n c i e sf o r m e d b yh y d r o g e n i m p l a n t a t i o n a n d a n n e a l i n g a c ta s h i g h l y e f f i c i e n tn u c l e a t i o nc e n t e r sf o r o x y g e np r e c i p i t a t i o n ，e v e n a t t e m p e r a t u r e m u c hl o w e rt h a n13 0 0 a n d o x y g e n a t o m s c a p t u r e db yn a n o c a v i t i e s ，i nt u r n ，i n h i b i t e d t h e g r o w t h o f n a n o c a v i t i e s ac o m p l e t es o is t r u c t u r ew i t hac o n t i n u o u sb o x l a y e ra p p e a r s a f t e rt h ea n n e a l i n g t h es p r e a da n dt h ed e p t ho fn a n o c a v i t i e sa n dv a c a n c i e s d e t e r m i n e st h er e l a t i v e l yc h a r a c t e r so fb o x l a y e r a sr e g a r d st h ei m p a c to f h y d r o g e no nb o xl a y e r ，i tw a sf o u n dt h a tt h ei m p l a n t e dh y d r o g e n ，t o g e t h e r w i t hd e f e c t si n d u c e db yh y d r o g e ni m p l a n t a t i o n ，e n h a n c e do x y g e nd i f f u s i o ni n s i l i c o n ，l e a d i n g t oa g r e a t l yb r o a d e n e db u r i e do x y g e n - r i c hl a y e rc o m p a r e d w i t ht h eb o x l a y e ro ft y p i c a ls i m o xs 0 1w a f e r sw i t ht h es a m ef a b r i c a t i o n p a r a m e t e r se x c e p t f o r h y d r o g e ni m p l a n t a t i o n i na d d i t i o n ，h y d r o g e na t o m s m a i n l y d i f f u s e dt ot h ed e f e c t si n d u c e d b yo x y g e ni m p l a n t a t i o nd e s p i t eo f d i f f e r e n ti m p l a n t a t i o ne n e r g y ，t h u s ，t h eb r o a d e n e db u r i e do x y g e n r i c hl a y e r s p r e a d ss i m i l a r l y b u t t h e s ee f f e c t sw i l l d oh a r mt ot h ef o r m a t i o no f c o n t i n u o u sb o x l a y e r ，i nc o n c l u s i o n ，h y d r o g e na n do x y g e nc o i m p l a n t a t i o ni s ap r o m i s i n g w a y t og e tl o wd o s es i m o xs o im a t e r i a l sw i t hh i g hq u a l i t ya n d b r o a d e n e db o x l a y e ra tl o w e rt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：s o i ，n a n o c a v i t i e s ，g e t t e r i n g ，s m a r t - c u t ，s i m o x 型竺丝坚 兰丝 ! = = ! ! ! ! = = = = ! ! = = = = = = ! = = = = = = = ；一 致谢 在本论文完成之际，在此对曾经给予我关心和帮助的各位老师、同学、 亲人和朋友表示由衷的感谢。本论文正是在他们的鼓励和帮助下完成的。 我深知，v t , 这样薄薄的论文表示对他们的谢意，与他们曾经给予我的相比， 是微不足道的。 首先，我要把本论文献给我的两位导师张苗研究员和林成鲁研究员。 两年来，他们在学习、科研和生活等多方面给予了悉心指导和热情关怀， 论文自始至终凝聚着两位导师无数的心血。他们渊博的学识、严谨的治学 态度、敏锐的科学洞察力令j , a l 4 佩，同时导师勤奋律己、精益求精的忘我 工作激情亦时刻感染着我，从他们身上我感受到了许多做人的真谛，这将 使我终生受益。 在这里，我还要感谢陈静博士、安正华博士和易万兵同学。他们在本 论文的实验方面给予了多方面的帮助，与他们的有益讨论使我的工作得到 了很大启发。 感谢本所三室的林梓鑫老师在离子注入方面的帮助，感谢复旦大学曹 永明、陈一老师在s i m s 和透镜测试上的帮助。 感谢张正选、曾俊诚、李永祥三位老师在百忙之中抽出时间评审我的 论文。 感谢本课题组邢溯、章宁琳、林青、谢欣云、安正华、万青、朱呜、 汪洋、狄增峰、刘奇斌等各位师兄弟姐妹在学习、工作和生活方面给予的 热情关心与帮助，是他们给我创造了一个富有朝气、轻松与健康向上的工作环境， 这一段生活经历令我终身难惠。 感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点 实验室各位领导和老师对我的关心、支持孝口帮助。 感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究生部、服务中心等 各部门的领导和老师对作者在学习、生活等方面给予的支持与帮助。 我还要特别感谢我的家人，虽然他们对本论文的工作知之甚少，但是 多少年来，他们一直在鼓励、支持我，他们的关心和爱护是我继续奋力前 进的动力。愿此文能给他们一些回报与安慰。 吴雁军 2o o3 6 19 口发表论文 1 巡型坠坠i 旦坠z h a n gm i a o ，a nz h e l l g h u a ，l i nc h e n g l u ，“f a b r i c a t i o n o ft h i c kb o xs o i b y s m a r t c u t t e c h n o l o g y ”，n u c l e a r s c i e n c ea n d t e c h n i q u e s ，v 0 1 1 4 ，n o2 ，m a y 2 0 0 3 ：115 - 1 18 2 型堕羔坠i 丛坠，z h a n gm i a o ，z h a n g n i n g l i n ，l i nc h e n g l u ，“g e t t e r i n g o f c o p p e ri m p u r i t yi n s i l i c o nb ya l u m i n u mp r e c i p i t a t e sa n dc a v i t i e s ”，n u c l e a r s c i e n c ea n dt e c h n i q u e s ，v o i 1 4 ，n o ，3 ，a u g u s t2 0 0 3 ：1 2 3 1 2 6 3 基壁芏，张苗，安正华，林成鲁 s o l 技术研讨会论文集( 2 0 0 2 年 厚埋层s o l 材料的制备，第五届全国 1 1 月) 4 ，z h a n g m i a o ，) 型型￥坠j h 墼，l i uw e i l i ，a nz h e n g h u a ，l 1 nc h e n g l u p a u l k c h u ，“c ug e t t e r i n gt on a n o v o i d si ns o im a t e r i a l s ”，s c i e n c ei nc h i n a ( s e r i e se ) v 0 1 4 6n o 1 ，f e b r u a r y2 0 0 3 5 z h e n g h u aa n ，x 坠i g ) 型h ，m i a oz h a n ge t c ，“r e l a x e d s i g e o n i n s u l a t o r s u b s t r a t e s b yo x y g e n i m p l a n t a t i o n i n t o p s e u d o m o r p h i c s i g e s i h e t e r o s t r u c t u r e ”，a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，v 0 1 8 2 ，n o 15 ( 2 0 0 3 ) ： 2 4 5 2 2 4 5 4 6 c h u a n l i n gm e n ，z h e n gx u ，￥a 坠i 望望型q ，z h e n g h u aa n ，x i n y u nx i e ， c h e n g l u l i n “g e o m e t r i c a ld e v i a t i o na n dr e s i d u a ls t r a i ni nn o v e l s i l i c o n o n a l u m i n u m n i t r i d eb o n d e dw a f e r s ”，c h i n p h y s l e t t v 0 1 1 9 ， n o 。11 ( 2 0 0 2 ) 7 m i a oz h a n g ，z h e n g h u a a n ，y a n j u nw u ，z e n g f e n gd i ，p a u lk c h u ， c h e n g l ul i n ，“r e l a x e d s i g e o n i n s u l a t o rs u b s t r a t e s t h r o u g hi m p l a n t i n g o x y g e ni nt o ps e u d o m o r p h i cs i g e s ih e t e r o s t r u c t u r ”，11 ”s o ic o n f e r e n c e ， e l e c t r o c h e m i c a ls o c p r o c p a i 。i s ，f r a n c e ，a p r i l2 0 0 3 口申请国家发明专利一项 1 张苗，墨巫芏，刘卫丽，安正华，林成鲁，“一种广义的绝缘体土半导体 薄膜材料及制备方法”。( 0 2 1 1 1828 0 ) 第一章引言 s o l ( s i l i c o m 0 1 1 - t ”s u l a t o r ) 技术、c u 稚线、锗硅和低k 等四种技术， 被i b m 公r 日爿一称为微f 色子技术领域的飞跃i io 相比体硅，s o l 技术具有许 多优势，如消除了r j 锁效应、提高了g ：u 47 9 照性能、改善了短沟道效应以及 热载流了效应等等。臼二卜世纪八十年代后期以来，s o i 技术在军用领域和商 、雌域都得到了迅猛发展。本章回顾了s o i 技术的发展历程，对s 0 1 材判及其 军l t 领域的应用作了简要介绍，同时概述了s o l 材判的主流制器技术和吸杂技 术， 给出了本论文工作提要。 1 1s o l 技术综述 醚 钐形彩钐缓彩钐钐彩彩 砖幸寸底 ( a ) b ) 图1 1s o i 利制的基本结构 ( a ) 绝缘体作为整个衬底；( b ) 绝缘薄膜位于硅丰寸底上 图l 一2体硅器件和s o i 器件的结构 s 0 1 ( s i l i c o n o i l i n s u l a t o r ) 指的是绝缘层上的硅，其基本结构如图1 1 所示。传统集成电路采用体硅衬底，与之相比，s o l 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。它是 一种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、能突 破归材料与硅集成电路限制的新技术，被誉为“2 1 世纪的硅集成电路技术” 2 。 1 1 is o l 技术的发展过程 存绝缘衬底上的簿硅膜中制作半导体器件的想法在几十年f 筘就已经被 提了。在】9 2 6 年l i l i e n f i e l d 的历史千牛专利中第一次描述了绝缘栅场效应 锈( g f e t ) ，后束发展为现代的余属一瓴化物一半导体( m o s f e t ) 。该与利 提出了一个三端器件，源到漏的电流m 束自棚的电场控制，栅o j 器什的其 他部分是r 乜绝缘的，w i 构成器件有源部分的是淀积庄绝缘体上的半导体薄 j j 莫。因此，在一定意义上说第一个m o s f e t 电是s o i 器件。然而，当 i 叶的披术不能使l i l i e n f i e l d 提出的器件f 常工作，随着椒极品体篱、体硅 m o s f e t 的发明，i g f e t 技术被完全掩盖了。 为了删决体硅电路的体效应以及抗辐照能力差的缺点，19 6 3 年 m a n a s e v i t 平s i p s o n 提j j j 了s o s ( s i l i c o n 一0n _ s a p p h i l e ) 的没想。该技术能 铂定程度一t - 解决体硅电路存在的难题，但 ：与蓝宝石的晶格失配，而，h 热涨系数相差很大，导致界面态很多，更重要的是监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 州高温和抗辐照电路。从八十年代丌始，人们把注意力转向了绝缘村底是 s i 0 2 的s 0 1 。在这段时间罩，s o i 衬底制备投术有相当大】f j 勺进展，主要有 b e s o i ( b o n d i n g a n de t c h b a c k s o i ) 、s i m o x ( s e p a r a t i o nb y i m p l a n t e d o x y g e n ) 、f i p o s ( f u l li s o l a t i o nb yp o r o u so 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， 质量闩益提高；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、低功耗电路的需求几益增加，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 l 3 1 。由于s 0 1 技术在低压、低 功耗领域的优势，s o l 成为实现低压、低功耗的最有希望的技术，受到空 1 葑的重视。当前，s o i 在低压、低功耗方面的应用已成为s o l 技术的主流 州。 19 9 8 年8 月3f i ，美国1 b m 公司在纽约e a s t f is h k i l l 宣布在世界上首 次利用s o i 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 一微处理器等高性能，f ! ：= 片。紧接着，s c i e n c e 5 1 以及我国中央电视台新闻 联播、“广f 1 国科学报等都相作了报道。i b m 的这一成果之所以引起如此大 的轰动，足因为其不仅在世界上首家利用s 0 1 材料制造出具有完善功能的 复杂芯h ，而 i ls o i 微处理器芯片的工作速度显著提高，功耗大幅度降低。 i b m 公i 的研究显示，与体碡c m o s 技术相比，s o l 技术使芯片的功能提 】；i 了2 0 ，而功耗却降低3 5 7 0 ，实现了摩尔定律圈上性能的跳跃，如 j ￥ 1 ，3 所h i 。 s 璺 正 当 焉 面 1 1 2 s o l 技术的优越性 、阳a lt p , t h t t o l o g yq u a l i f i e d 图1 3 摩尔定律 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。其原理图见图卜4 。当器什的尺寸碱小时闩 锁效j 屯更严藿，这是冈为寄生闸流管所包含的双极晶体管的增益增大的缘 = ：一：型型丝巡丝垄丝塑丝= 一 故。采用局部互连把接触区做在场区i i e j 上n 以减小源、漏结区，利用外延 衬底或深槽隔离能减小闩锁效应的发，i i ，然而这些技术工艺复杂，影响生 产成本和成品率。 图1 4p 阱c m o s 中门锁效应产生原理示意幽 阿s o i 披术可以很好地消除闩锁效应。图卜5 是个c m o s s o i 剖而 结构1 6 1 ，山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：氧化硅与周嗣的器件隔离。采用 s 0 1 栩料代替体硅材料i i j 以从根本上消除c m o s 产生的闩锁效廊。 g n + p n +p + n p + 落1 硅衬底 图1 5c 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，而且由于没有门 锁效应，可以进一步缩小器件之削的距离。在体硅c m o s 反相器中n m o s 管和p m o s 管之问必须有一定的距离，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i j 以直接靠在一起，因此在同样工艺水平f ， c m o s s o i 可以比体硅c m o s 有更高集成密度。 r 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、j 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f 乜容，影向r 乜路的l 们：划；度。 存c m o s s 0 1 中，m o s 管源、漏区的p n 结电容被源、漏区乖口裥底之 刚的氧化层电容取代，且“- f 于掩j 早埠e 化硅比较厚，这个寄生它容远小于 p n 结l u 容。另外c m o s s o i 电路1 1 连线利利底问的寄生电容也由于增加 了氧化i i 屡 珩减小。 ( 4 ) 薄麒c m o s s o i 史适合j 二深业微米v l s i 。 随崭集成皮的提离，涨件尺寸减小，1 1 1 源l 乜压必须降低，冈而器件的 闽值电压也要按比例1 f 降。闷值电压减小将使得电路在截止态时哑闽值漏 电的影响更加，1 重。另外器件尺寸减小后短沟道效应等二级效成引起器什 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 小的业闽值斜率，而且有利1 减小短沟道效心以及热电子效心等小尺、j 器 件的二一级效应。在s o i 材料上可以制作出高性能的深亚微米的c m o s 器什。 c m o s s o i 将是未来深弧微米v l s i 的候选技术 7 1 。 ( 5 ) c m o s s o i 具有低功耗特阿：。 c m o s 乜路工作是的动态功耗p = f c l v 2 d d ，h j 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f 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 结漏电和亚闽值漏电，可以降低电路的 备，【= j 功耗。因此c m o s s o i 更适合于低电压工作。用5 0 n m 的薄膜s o l 材 判制作的0 1 2 p r oc m o s 分频器电路在1 v 电源电压f 工作频率可达到 1 2 g h z ，功耗只有5 0 9 w ，它的功耗一延迟乘积比e c l 和砷化镓h b t 还 凄小。 ( 6 ) c m o s s o i 具有优良的抗辐照性能。 空问的辐照会影响电路的f 常工作，严重时会导致电路失效，造成可 怕i - f , j 果。例如宇宙辐射中的高能量0 1 粒子，。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，空穴将形成衬底电流( 对p 型硅利底1 。 a 粒了在硅中穿透深度达1 o p m 以上。由l rs o l 器件中的二氧化硅掩埋层 把器件的柯源区羽i 衬底隔离，a 粒子在衬底中激发的电子一空穴对1 i 能被 器f l 二搜集，1 i 会影砌器件的正常工作。如陶1 6 。s o i 结构d r a m 单元具 有抗软失效的性能，因而词以用较小的存储电容，这将有利于提高d r a m 的集成密度，改善电路性能。另外，c m o s s o i 比体碰c m o s 更适合1 一高 湍 ：作环境。山于c m o s s o i 的抗辐照性能及适应于各利，恶劣工f 1 ：环境的 特挫，使它兜适合在航空航天等军事电了应用领域。 辐照 辐照 图1 6 s o l 的抗辐照性能 ”绝缘层 ( 7 ) c m o s s o i 可以实现三维立体集成。 s o l 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，j + 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 7 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。 p m o s 共栅 n m o s 图1 - 7 立体的c m o s s o i 反相器 1 1 3s 0 1 技术的应用现状与进展 s o j 材制的这些优势源于绝缘层或绝缘衬底的电学隔离作用，正是这 种作用，使得s o l 利料产生了许多得天独厚的优势。利用s o l 材利与c m o s 【艺制造的集成电路具有抗辐照、酬高温、速度快、无闩锁效应等优点， 陆能l 圳显优于常规的体硅电路，可以满足航空航天、通讯等领域内的多种 应j 需求。运算放大器、模数转换器等线性s o i 电路已广泛用于石油钻井、 汽1 一、航t 航天、化工、电力传输等部门。随着材料价格的降低，s 0 1 技 术将存这领域占掘7 0 9 0 n 勺l 节场。s 0 1 披术还司以克胀或缓解汁多体 硅技术发展的极限问题，比如短沟道效应等。因而，s o i 将成为未来各利s 芯片所必须的衬底制制。 近几年来，信息技术快速发展，在笔记本电脑、蜂窝式电话、高速宽 带网络以及卫星通信的推动下，低压、低耗厂b 路成为集成电路的t 要发展 方向。这给s o i 技术带来了无限的商机，s o i 技术成为解决便携式系统和 高密、高速等产品“功耗危机”的一种关键技术。g a r n e r d a t a q u e s t 在2 0 0 1 年就曾预测，s o i 蚓片在2 0 0 5 年的市场额将达到1 1 亿美元，为1 9 9 9 年的 1 1 倍。1 9 9 8 年8 月，i b m 公司宣柿以s o i