SOI简介.ppt

1 SOI材料简介 2 主要内容 概述SIMOXBESOISmart cut应用 3 概述 1什么是SOI SOI SiliconOnInsulator 又称绝缘层上硅 一种新型结构的硅材料 通过在体硅中加入一层绝缘层 而具有一些特殊的性质 被称为有望替代体硅成为新一代的集成电路衬底材料 体硅 SIMOX Bonding Smart cut 顶硅层 衬底 4 概述 2为什么是SOI 体硅的问题 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 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 体硅中的寄生可控硅闩锁效应 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 器件间隔离区占芯片面积比例增大 寄生电容增大 5 概述 2为什么是SOI SOI的技术优势 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SOICMOS具有极高的速度特性 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 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 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 SOICMOS的制造工艺比体硅至少少3块掩模板 减少13 20 的工序 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 6 概述 3如何实现SOI SOI材料制造技术分类 多晶 非晶单晶化 硅单晶薄膜的沉积 熔融再结晶 ZMR 固相外延 SPE 束致再结晶 激光或电子束 区熔再结晶 石墨条加热或卤素灯 选择外延横向生长法 ELO 异质外延法 SOS SOZ SOM等 7 概述 3如何实现SOI SOI技术列表 以大概发展时间为序 8 概述SIMOXBESOISmart cut应用 9 SIMOX 2 1SIMOX工艺流程 SIMOX SeparatebyIMplantOxygen 又称注氧隔离技术 此方法有两个关键步骤 离子注入和退火 在注入过程中 氧离子被注入圆片里 与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物 然而注入对圆片造成相当大的损坏 而二氧化硅沉淀物的均匀性也不好 随后进行的高温退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致 这时圆片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性 10 SIMOX 2 2SIMOX机理 形核 长大 熟化 联合 11 SIMOX 2 3过程参数影响注入剂量 控制埋氧层的厚度 提高注入剂量 埋氧层增加同时顶硅层厚度减小 注入能量 控制离子注入的射程 从而影响顶层硅厚度 另外研究表明 注入能量越高注入粒子分散程度越大 形成连续埋氧层所需剂量也越高 退火温度 高温退火消除注入缺陷 消融顶层硅中氧沉淀 促使埋层形成 退火气氛 惰性气氛通常加入少量氧 增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失 硅片温度 影响注入过程缺陷形成 低温容易导致顶层硅的非晶化 12 SIMOX 2 3过程参数影响注入剂量 控制埋氧层的厚度 提高注入剂量 埋氧层增加同时顶硅层厚度减小 0 225x1018cm 2 0 45x1018cm 2 0 675x1018cm 2 1 125x1018cm 2 1 135x1018cm 2 0 9x1018cm 2 1 575x1018cm 2 1 8x1018cm 2 200keV 1325 16h 13 SIMOX 2 3过程参数影响注入能量 控制离子注入的射程 从而影响顶层硅厚度 另外研究表明 注入能量越高注入粒子分散程度越大 形成连续埋氧层所需剂量也越高 160keV 130keV 100keV 4 5x1017cm 21300 5h 14 SIMOX 2 3过程参数影响退火温度 高温退火消除注入缺陷 消融顶层硅中氧沉淀 促使埋层形成 未退火 1350 1300 1200 15 SIMOX 2 3过程参数影响退火气氛 惰性气氛通常加入少量氧 增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失 埋氧层 顶硅层 埋氧层 顶硅层 纯Ar Ar 60 O2 高温 650 130keV 9x1017cm 2 低温 30 130keV 1015cm 2 1300 5h 16 SIMOX 2 3过程参数影响硅片温度 影响注入过程缺陷形成 低温容易导致顶层硅的非晶化 Theeffectofimplantationconditionsonmicrostructuralevolutioninoxygenimplantedsilicon 17 SIMOX 2 4改进SIMOX材料质量的途径选择合理靶片温度与退火温度研究结果表明当注入温度低于500 时 材料缺陷密度较高要获得较高质量的材料 通常靶片温度选择在600 700 可以获得较高质量的顶层硅膜 只有当退火温度高于1250 时才能将顶层硅中的氧沉淀消融 并降低缺陷 通常退火温度在1300 时间为5 6小时 多重注入和退火高剂量离子注入会将缺陷和应力引入顶部硅层 实验表明把常规的一次注入和退火 如200keV 1 8x1018cm 2 1300 5h退火 变为三次注入和退火 200keV 0 6x1018cm 2 1300 5h退火 反复三次 可明显降低顶层硅缺陷 18 SIMOX 2 4改进SIMOX材料质量的途径选择合理的能量剂量窗口 19 SIMOX 2 4改进SIMOX材料质量的途径低能量注入近年来SIMOX材料研究已进入低能量低剂量注入时代 这样可以在薄的隐埋层上形成薄的顶硅层 该结构有以下优点 具有更好的抗总剂量辐射能力直接形成薄的顶硅层 有利于薄膜器件的制造注入时间短 降低成本 提高产量ITOX工艺指低剂量注入后继以高温热氧化处理 增加隐埋氧化层质量 20 SIMOX 2 5SIMOX技术历程1966年 Watanabe和Tooi首次报道了利用注入氧离子在硅片体内形成埋氧层的方法 注入能量 剂量分别为60keV 1 5x1018cm 21978年 NTT的Izumi等利用150keV 1 2x1018cm 2O 注入硅中 1150度退火2小时 得到表面下380nm处形成210nm厚的SiO2层 并用5微米设计规则制备了19级CMOS环形振荡器 1994年 NTT提出内热氧化工艺 ITOX InternalThermalOXidation 1994年 Eaton Sharp公司提出低能量低剂量SIMOX工艺1998年 IBM公司利用SOI技术研制出高速 低功耗 高可靠的微处理器芯片 21 SIMOX 2 6SIMNI SIMON技术SIMNI SeparatebyIMplantNItrogen 注氮隔离技术 通过向硅中注入氮并退火形成Si3N4埋层的SOI结构 SIMON SeparatebyIMplantOxygenandNitrogen 氧 氮共注入隔离技术 22 概述SIMOXBESOISmart cut应用 23 BESOI 3 1BESOI工艺流程 通过在硅和二氧化硅或二氧化硅和二氧化硅之间使用键合技术 两个圆片能够紧密键合在一起 并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层 将键合圆片一侧通过腐蚀 研磨减薄到所要求的厚度后得以制成 这个过程分三步来完成 第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合 第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度 第三步通过研磨 抛光及腐蚀来消薄其中一个圆片到所要求的厚度 硅片热氧化高温键合腐蚀减薄 24 BESOI 3 2腐蚀减薄工艺通常采用两种基本的减薄技术 粗磨后化学机械抛光后粗磨后背面选择腐蚀研磨 抛光 粗磨迅速减薄硅片 化学机械抛光进一步精确减薄硅层 由于缺乏有效的腐蚀终止控制技术只能获得相当厚的顶部硅膜背面选择腐蚀技术 预粗磨之后采用有腐蚀终点指示的化学腐蚀方法 腐蚀终止是采用在上层硅片下表面建立杂质浓度梯度实现的 如采用重掺衬底P 在其上生长轻掺的N 或P 外延层 腐蚀剂选用具有较强择优腐蚀性的试剂 HNA HF HNO3 CH3COOH 1 3 8 去除重掺衬底P 腐蚀选择性优于10000 1 25 BESOI 3 3键合原理第一阶段 羟基 OH 之间的氢键键合清水处理后的硅片表面有大量羟基基团 300 以下 温度越高氢键强度越大 面积越大第二阶段 硅氧键 Si O Si 取代氢键该阶段约为400 左右 反应过程中有水蒸气生成 则键合界面会出现空洞称为 本征空洞 第三阶段 水蒸气进一步将硅氧化 本征空洞消失 生成的H扩散出体内 该阶段温度为800 1100 Si OH OH Si Si O Si H2O 26 概述SIMOXBESOISmart cut应用 27 Smart cut 4 1Smart cut工艺流程 第一步是在室温的环境下使一圆片热氧化 并注入一定剂量H 第二步常温下与另一非氧化圆片键合 第三步低温退火使注入氢离子形成气泡令硅片剥离 后高温退火增强两圆片的键合力度 第四步硅片表面平坦化 2 硅片键合 3 低温剥离 高温键合 4 平坦化 28 Smart cut 4 2Smart cut技术优点H 注入剂量为1016cm 2 比SIMOX低两个数量级 可采用普通的离子注入机完成 埋氧层由热氧化形成 具有良好的Si SiO2界面 同时氧化层质量较高 剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本 Smart cut技术已成为SOI材料制备技术中最具竞争力 最具发展前途的一种技术 自