文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了與SOI相關(guān)的技術(shù)。

SOI（silicon-on-insulator，絕緣襯底上的硅）技術(shù)的核心設(shè)計(jì)，是在頂層硅與硅襯底之間引入一層氧化層，這層氧化層可將襯底硅與表面的硅器件層有效分隔（見圖 1）。借助在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)，SOI 材料具備體硅無法比擬的優(yōu)勢：能實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底根除體硅 CMOS 電路中的閂鎖（Latch-up）效應(yīng)；基于該材料制作的集成電路還擁有寄生電容低、集成密度高、運(yùn)行速度快、制備工藝簡化、短溝道效應(yīng)弱等特點(diǎn)，尤其適配低壓低功耗電路場景，因此 SOI 有望成為深亞微米級低壓低功耗集成電路的主流技術(shù)方向。

SOI 的核心材料主要包括三類：通過注氧隔離制備的 SIMOX（separation by implanted oxygen，注氧隔離）材料、經(jīng)硅片鍵合與反面腐蝕制成的 BESOI（bonding-etchback SOI，鍵合 - 回蝕 SOI）材料，以及融合鍵合與離子注入技術(shù)的 Smart Cut SOI 材料。在這三類材料中，SIMOX 適用于制備薄膜全耗盡超大規(guī)模集成電路，BESOI 材料更適配部分耗盡集成電路的制作；而后續(xù)發(fā)展的 Smart Cut（智能剝離）技術(shù)，整合了 SIMOX 與 BESOI 的優(yōu)勢，屬于極具發(fā)展?jié)摿Φ?SOI 材料，未來有望成為 SOI 材料的主流類型。

注氧隔離技術(shù)（SIMOX）

作為 SOI 圓片制備領(lǐng)域發(fā)展最早的技術(shù)之一，SIMOX 曾被認(rèn)為有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。該技術(shù)的核心步驟包含離子注入與高溫退火 —— 具體為高能量、高劑量的氧離子注入及后續(xù)退火處理，其中注入能量通常為幾十 keV，注入劑量約為 1×101? cm?2。在注入過程中，氧離子進(jìn)入硅圓片內(nèi)部并與硅發(fā)生反應(yīng)，形成二氧化硅沉淀物；經(jīng)過 1150℃下 2 分鐘的退火處理后，可在硅圓片表面下方 380nm 處形成厚度為 210nm 的 SiO?層，其工藝流程如圖 2 所示。

盡管 SIMOX 技術(shù)因發(fā)展歷史悠久而相對成熟，但長時間大劑量的離子注入，以及后續(xù)需進(jìn)行的超高溫長時間退火工藝，導(dǎo)致 SIMOX 材料在質(zhì)量穩(wěn)定性與成本控制方面難以實(shí)現(xiàn)突破，這也是目前該技術(shù)尚未被產(chǎn)業(yè)界完全接納并大規(guī)模應(yīng)用的根本原因。SIMOX 技術(shù)面臨的核心難點(diǎn)包括：顆粒污染控制、埋層（尤其低劑量 / 超低劑量埋層）的結(jié)構(gòu)完整性、金屬雜質(zhì)沾污、界面臺階控制、界面與表面粗糙度，以及表層硅中的缺陷問題，其中材料質(zhì)量的穩(wěn)定性更是難以保證。

薄膜全耗盡（FDSOI）

通常依據(jù)絕緣體上硅膜的厚度，可將 SOI 結(jié)構(gòu)劃分為薄膜全耗盡（FD，fully depleted）與厚膜部分耗盡（PD，partially depleted）兩類。由于 SOI 具備介質(zhì)隔離特性，制作于厚膜 SOI 結(jié)構(gòu)上的器件，其正面與背面界面的耗盡層互不影響，兩層之間存在一個中性體區(qū)。該中性體區(qū)的存在會使硅體處于電學(xué)浮空狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生兩種明顯的寄生效應(yīng)：一是 “翹曲效應(yīng)”（即 Kink 效應(yīng)），二是器件源極與漏極之間形成的基極開路 NPN 寄生晶體管效應(yīng)。若將該中性區(qū)通過體接觸接地，厚膜 SOI 器件的工作特性便與體硅器件幾乎一致。

而基于薄膜 SOI 結(jié)構(gòu)的器件，因硅膜可實(shí)現(xiàn)完全耗盡，能徹底消除 “翹曲效應(yīng)”；同時這類器件還具備低電場、高跨導(dǎo)、優(yōu)異的短溝道特性，以及接近理想值的亞閾值斜率等優(yōu)勢，因此薄膜全耗盡 FDSOI 被認(rèn)為是極具前景的 SOI 結(jié)構(gòu)類型。

鍵合技術(shù)（BESOI）

通過鍵合（bond）技術(shù)，可使硅（Si）與二氧化硅（SiO?）、或二氧化硅與二氧化硅之間的兩個圓片緊密結(jié)合，并在兩圓片中間形成 SiO?層作為絕緣層。BESOI 圓片的制備需在鍵合完成后，將其中一個圓片的一側(cè)削薄至目標(biāo)厚度，整個過程分為三步（見圖 3）。

鍵合技術(shù)面臨的核心問題是表層硅厚度的均勻性控制，這也是限制該技術(shù)廣泛推廣的根本原因。除此之外，鍵合邊緣的控制、界面缺陷、圓片翹曲度與彎曲度的控制、滑移線抑制、顆粒污染防控、崩邊問題，以及界面沾污等，均是制約 BESOI 產(chǎn)業(yè)化制備的關(guān)鍵技術(shù)難題。而成品率與成本控制，則是決定鍵合類 SOI 產(chǎn)品能否被量產(chǎn)客戶接受的核心商業(yè)因素。另外，Wafer A（待減薄圓片）的減薄效率，也是影響 BESOI 技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程的重要因素，具體可參考圖 3（c）。

智能剝離法（Smart-cut）

Smart-cut（智能剝離）技術(shù)是融合 SIMOX 技術(shù)與 BESOI 技術(shù)優(yōu)勢的創(chuàng)新工藝，既繼承了兩者的核心特點(diǎn)，又克服了各自的不足，屬于當(dāng)前較為理想的 SOI 制備方案。其技術(shù)特征體現(xiàn)在改進(jìn)型 Smart-cut 制備 SOI 基底的流程中：通過該工藝制備 SOI 基底后，結(jié)合電子束光刻與深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，可制作具有二維周期結(jié)構(gòu)的光子晶體，同時引入線缺陷構(gòu)建光子晶體波導(dǎo)。該技術(shù)主要包含四個關(guān)鍵步驟，具體如圖 4 所示。

H?離子注入：在室溫環(huán)境下，以特定能量向硅片 A 注入定量 H?離子，使硅片表層下方形成一層富含 H?離子的硅層；與此同時，對支撐硅片進(jìn)行熱氧化處理，在其表面生成一層氧化層，具體結(jié)構(gòu)如圖 4（a）所示。

預(yù)鍵合：先對硅片 A 與另一硅片 B 進(jìn)行嚴(yán)格的清洗與活化處理，隨后在室溫下將兩片硅片的拋光面貼合，實(shí)現(xiàn)初步鍵合，如圖 4（b）所示。需注意，硅片A 與 B 中至少有一片的鍵合表面需通過熱氧化法生長SiO?層，該層將作為 SOI 結(jié)構(gòu)中的隱埋絕緣層。

熱處理：整體分為兩步進(jìn)行：第一步，將鍵合后的硅片置于高溫環(huán)境中，注入的高濃度 H?離子層會發(fā)生成核并形成氣泡，氣泡急劇膨脹促使硅片在富含 H?離子的層位發(fā)生剝離，剝離后的硅層留存?zhèn)溆茫Ｓ喙鑼觿t作為 SOI 結(jié)構(gòu)的頂部硅層，如圖 4（c）所示；第二步，通過高溫?zé)崽幚磉M(jìn)一步提升鍵合界面的結(jié)合強(qiáng)度，并消除 SOI 層中因離子注入產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷。

化學(xué)機(jī)械拋光：對剝離后的硅片表面進(jìn)行拋光處理，降低表面粗糙度，如圖 4（d）所示。斷裂面經(jīng)輕度拋光后，即可達(dá)到體硅的表面光潔度，目前已能制備出頂層硅厚度為 200±4nm 的 4 英寸SOI 材料。

SOI 片頂層硅膜的厚度與 H?注入能量直接相關(guān)：H?注入能量越高，H?注入峰的深度越大，頂層硅膜的厚度也隨之增加。表 9-1 詳細(xì)列出了器件層厚度與 H?注入能量的對應(yīng)關(guān)系。

相較于 SIMOX 與 BESOI 兩種 SOI 制備技術(shù)，Smart-cut 技術(shù)的優(yōu)勢十分顯著：其一，H?注入劑量僅為 1×101? cm?2，比 SIMOX 低兩個數(shù)量級，可采用普通離子注入機(jī)完成，降低設(shè)備成本；其二，埋氧層通過熱氧化工藝形成，不僅 Si/SiO?界面質(zhì)量優(yōu)異，氧化層本身性能也更穩(wěn)定；其三，剝離后的硅片可重新作為鍵合襯底循環(huán)使用，大幅降低原材料消耗，同時硅層減薄效率顯著提升。因此，Smart-cut 技術(shù)已成為 SOI 材料制備領(lǐng)域中競爭力最強(qiáng)、發(fā)展前景最廣的技術(shù)之一。自 1995 年開發(fā)以來，該技術(shù)發(fā)展迅速，法國 SOITEC 公司已能提供基于 Smart-cut 技術(shù)制備的商用 SOI 硅片，并擁有相關(guān)核心專利。

GaAs 和 Ge 有源襯底層

當(dāng)互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）場效應(yīng)管的柵極長度接近 10nm 后，傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)的縮放效應(yīng)面臨根本性的物理限制。下表對比了幾類相關(guān)半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)。

由于 GaAs 系列 Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導(dǎo)體的電子遷移率遠(yuǎn)高于硅材料，因此有望替代硅用于制作 nMOSFET。不過，Ⅲ-Ⅴ 族 MOSFET 的研發(fā)面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是如何在硅基平臺上集成高品質(zhì)的 GaAs 系列 Ⅲ-Ⅴ 族溝道層材料；二是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 Ⅲ-Ⅴ 族半導(dǎo)體 / 高 k 柵絕緣層界面，并規(guī)避常見的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)（Fermi Pinning Effect，該效應(yīng)會導(dǎo)致金屬柵的費(fèi)米能級被釘扎在半導(dǎo)體禁帶中央附近，無法滿足雙金屬柵 MOS 器件對閾值電壓的要求）。

近年來，薄膜淀積技術(shù)取得顯著突破。H.J.Oh 團(tuán)隊(duì)報道了在氧化硅上生長砷化鎵絕緣體的成果，成功實(shí)現(xiàn)硅基平臺上的 GaAs 異質(zhì)外延層制備；結(jié)合金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）技術(shù)，進(jìn)一步制作出 InGaAs/HfO?疊層結(jié)構(gòu)，有效規(guī)避了界面費(fèi)米能級釘扎問題，基于該結(jié)構(gòu)的 NMOS 場效應(yīng)管速度比傳統(tǒng)硅基器件快近 3 倍。

對于 pMOSFET 而言，鍺硅（GeSi）異質(zhì)結(jié)系列半導(dǎo)體的空穴遷移率遠(yuǎn)高于硅材料，因此可作為硅的替代材料制作 pMOSFET。由于鍺材料與硅材料的晶格匹配度較高，在硅基底上制備鍺硅系列 pMOSFET 的難度相對較低。MT.Currie 團(tuán)隊(duì)與張雪鋒團(tuán)隊(duì)通過在高 k 介質(zhì)與 Ge 表面引入 HfO?/HfON 疊層?xùn)沤橘|(zhì)，制作出的 pMOS 器件有效遷移率可達(dá)硅基器件的 2 倍左右。

圖 5 展示了以 GaAs 為 nMOS、Ge 為 pMOS 的下一代硅基 CMOS 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)仍以硅基 SOI 為襯底材料，有望成為下一代集成電路（IC）中 CMOS 的首選電路單元。

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