絕緣襯底上的硅技術(shù) SOI發(fā)展與應(yīng)用分析

1 引言

1947 年 AT&T 貝爾實驗室的科學(xué)家 John Bardeen、Walter Brattain 以及 William Shockley 發(fā)明世界上第一個半導(dǎo)體晶體管，70 多年來，半導(dǎo)體集成電路得到快速發(fā)展。特別是自 1960 年代開始，芯片上的元器件數(shù)目幾乎每 12 個月就增加一倍，2000年后，半導(dǎo)體集成電路工業(yè)發(fā)展到了納米（nm）時代。隨著集成電路特征尺寸的逐步縮小到亞納米 100 nm 范圍，在材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝以及可靠性等方面出現(xiàn)了一系列新的問題。主要問題包括熱載流子效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、體硅器件的閂鎖效應(yīng)、功耗、寄生電阻、電容增加等等。

為解決這些問題，大量的科研人員進(jìn)行了大量創(chuàng)新，開發(fā)了很多新的技術(shù)，如深溝槽隔離技術(shù)、HALO 結(jié)構(gòu)、應(yīng)變硅技術(shù)、High K 材料、Low K 材料等等。在眾多的新結(jié)構(gòu)器件技術(shù)中，絕緣體上硅（SOI: Silicon on Insulator）技術(shù)以其獨特的結(jié)構(gòu)有效地克服了體硅集成電路的很多不足，充分發(fā)揮了體硅集成電路技術(shù)的優(yōu)勢，特別是在提高開關(guān)速度、減少寄生效應(yīng)等方面。SOI 技術(shù)正逐步成為制造高集成度、高速度、低功耗、高可靠性超大規(guī)模集成電路的主流技術(shù)[1-5]。

本文就 SOI 技術(shù)的發(fā)展歷史、主要技術(shù)及應(yīng)用、問題與挑戰(zhàn)以及將來趨勢做出整理和分析。

2 SOI 結(jié)構(gòu)

SOI 有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是硅-絕緣層型的傳 SOI 結(jié)構(gòu)，如圖 1（a）所示；另一種是硅-絕緣層-硅三明治型的新型 SOI 結(jié)構(gòu)，如圖 1（b）所示。兩種基本結(jié)構(gòu)的主要差別是襯底類型不同。

第一種結(jié)構(gòu)中，最熟悉的例子是藍(lán)寶石上外延硅（SOS:Silicon on Sapphire）,該結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石單晶作為襯底，在上面進(jìn)行外延生長一層單晶硅的薄膜，然后在制作相應(yīng)的器件。SOS 結(jié)構(gòu)是由 Manasevit 和 Simpson[6]在 1963 和 1964 年間做出。這種結(jié)構(gòu)能提供理想的隔離，并減小 PN 結(jié)底部的寄生電容，適合于制作高速大規(guī)模集成電路，實現(xiàn)高速和低功耗。一般多采用這種工藝制作 CMOS 電路（互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成電路），即 CMOS/SOS 電路。SOS 是一種異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，硅膜的缺陷密度較大，因而少數(shù)載流子壽命較短（1～10 ns）,不適于制作雙極器件和電荷耦合器件。

第二種結(jié)構(gòu)中，絕緣層（如 SiO2）位于硅襯底上，在絕緣層上面再由一層單晶硅薄層，形成硅襯底-絕緣層-單晶硅組成的三明治結(jié)構(gòu)。由于頂層的單晶硅薄膜近乎完美的單晶硅，同時它和中間層的界面態(tài)很低，且整體應(yīng)力較小。MOS 等器件能很好地在頂層的單晶硅襯底中制作，且表現(xiàn)出與體硅材料近似的性能，這使得這種結(jié)構(gòu)的 SOI 材料成為當(dāng)今世界制作 SOI 集成電路元器件的主要材料。下面將重點講解這種類型的 SOI 技術(shù)。

3 SOI 材料的制備技術(shù)

3.1 注氧隔離技術(shù)（SIMOX）

SIMOX（Seperation by Implant of Oxygen）技術(shù)最早由日本的 Izumi 等人在 1970 年代提出[7], 原理很簡單，首先將氧注入單晶硅中，為了形成符合化學(xué)配比的二氧化硅埋層，氧的注入能量為 200 KeV 劑量為 2e18 cm-2 的氧離子。如此高劑量注入給硅片表面帶來很高濃度的缺陷，為了防止硅在注入過程中非晶化并促使注入的氧離子形成致密的 SiO2 以及形成良好的 Si／Si02 界面，注入過程中需要在 600 ℃ 的環(huán)境下實現(xiàn)，并且在注入后必須高溫（1 300℃）長時間（5 h）來退火，因而 SIMOX 材料成本較高。

在 SIMOX 技術(shù)中，注入劑量越大，注入的成本就越高，引入的缺陷就越多，針對這些問題，各地研究者進(jìn)行不斷持續(xù)的改進(jìn)，到了 1990 年代，Nakashima 和 Izumi 提出了低劑量注入的方法來[8]降低表面缺陷，他們發(fā)現(xiàn)在注入能量在 180 KeV 和劑量在 1.4e18 cm-2 以下時，表面位錯密度會有明顯下降，如圖 2 所示。

但是注入的劑量不能太低，太低的話，氧的分布曲線是不對稱得高斯分布[9]，如圖 3 所示，形成的二氧化硅不連續(xù)。而劑量太大的話則容易造成 Silicon 空洞，如圖 4 所示。劑量在 1.4e18 cm-2 時，二氧化硅層連續(xù)且均勻。

隨著工藝制程的不斷進(jìn)步，對晶圓（Wafer）表面的缺陷要求也越來越高，SIMOX 制備方法就遇到了瓶頸。

3.2 鍵合技術(shù)（WB）

1980 年代開始，已經(jīng)出現(xiàn)了一些鍵合技術(shù)（WB:Wafer Bonding），它的原理十分簡單：將兩片被氧化的晶圓（或者一片被氧化）鍵合在一起，將其中的一片硅片用于研磨、拋光或者化學(xué)腐蝕等方法減薄到合適于 SOI 器件要求的厚度，稱為 Device wafer，另一片晶圓作為機械支撐襯底，稱為 Handle wafer，如圖 5 所示。

由于鍵合技術(shù)的減薄主要依賴機械拋光、研磨或者化學(xué)腐蝕等方法來實現(xiàn)，一方面表面的 EPI 層不可能做得很薄，一般＞2μm。另一方面，表面比較粗糙，均勻性比較差，如圖 6 所示，這樣就限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

3.3 智能剝離技術(shù)（Smart-cut）

智能剝離技術(shù)（Smart-cut）是由 M.Bruel 等人在 1995 年提出的[10]，它是建立在離子注入和健合兩種技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。其原理是利用 H+（或者 He+）注入在硅中形成注入層（深度通常小于 1μm），將注氫片與另一支撐片健合（兩片中至少有一片表面有一層熱氧化的 SiO2 層），經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，使注氫片從粒子注入層完整分裂，形?SOI 結(jié)構(gòu)，如圖 7 所示。然后對 Wafer 表面進(jìn)行拋光處理，再使用外延的方式達(dá)到想要的 Silicon 厚度。

Smart-cut 技術(shù)的優(yōu)點主要包括。①H+ 離子的諸如劑量約為 1e16 cm-2，比 SIMOX 注氧劑量要低 2 個數(shù)量級，可采用普通的離子注入機就可以完成。②因為是離子注入形成表面的 Silicon，其厚膜均勻性較好，厚度可控，厚薄可用注入能量來控制。③表面缺陷小，單晶性保持較好。④ 埋氧化層（BOX: Buried Oxide）是由熱氧化形成的，具有良好的 Si-SiO2 界面。⑤ 玻璃下的硅片仍然可以繼續(xù)注氫鍵合，循環(huán)使用，大大降低了制備成本。

基于上述優(yōu)點，Smart-cut 技術(shù)在 SOI 材料制備技術(shù)中成為最具競爭力的一項技術(shù)。自 1995 年以來的短短 20 年里，這種技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前，法國的 Soitec、日本的信越、中國***環(huán)球晶圓等公司已經(jīng)能使用該技術(shù)提供大量商用的 SOI 硅片。2014 年，Soitec 還和上海新傲科技股份有限公司（Simgui）達(dá)成了有關(guān)射頻和功率半導(dǎo)體市場 200 mm SOI 晶圓的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系并簽署了經(jīng)銷協(xié)議，合作主要包括許可和技術(shù)轉(zhuǎn)移協(xié)議。其中，上海新傲科技可以用 Soitec 的 Smart-Cut 專利技術(shù)生產(chǎn) 200 mm SOI 晶圓。

4 SOI 主要制程技術(shù)及應(yīng)用

4.1 RF SOI

當(dāng)射頻芯片在體硅基上形成時, 硅的半導(dǎo)特性引起了基板中射頻信號的衰減。同時, 硅基半導(dǎo)體元器件特性還會導(dǎo)致寄生干擾(串?dāng)_噪聲)的傳輸。如將 SOI 應(yīng)用于高阻抗基板上能夠顯著地改善芯片的高頻特性, 極大地降低電阻衰減以及串?dāng)_噪聲。

RF SOI 稱為射頻絕緣體上硅技術(shù)，該技術(shù)不僅可以提供無與倫比的集成度，還可以給窄帶物聯(lián)網(wǎng)帶來優(yōu)越的低功耗性能，如圖 8 所示。現(xiàn)今大多數(shù) RF應(yīng)用在智能手機、WiFi 等無線通信領(lǐng)域，其中絕大多數(shù)使用了 RF SOI 工藝制造。RF SOI 對 RF 射頻與系統(tǒng)芯片的集成、支持 5G 毫米波技術(shù)以及在超低功耗的實現(xiàn)，在手機網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向 LTE 或 5G 的過程中，設(shè)備設(shè)計會更加復(fù)雜，并且隨著 5G 與物聯(lián)網(wǎng)的不斷進(jìn)化，RF SOI 具有廣泛的應(yīng)用前景，預(yù)計每年有 15% 的年增長率，如圖 8 所示。

今天，世界上主要代工廠都在大力發(fā)展 RF SOI 技術(shù)，如 Global Foundries(GF)、TowerJazz、臺積電、聯(lián)電、意法半導(dǎo)體、索尼以及國內(nèi)的中芯國際、華虹宏力等等。他們均擁有 200 mm RF SOI 晶圓廠產(chǎn)能，較大的代工廠正在生產(chǎn) 300 mm RF SOI 晶圓，如 GF、TowerJazz、臺積電和聯(lián)電等等，工藝節(jié)點從 130 nm 到 45 nm 不等。例如，GF 正在兩座晶圓廠：紐約 East Fishkill 和新加坡推出 300 mm RF SOI 晶圓，包括 130 nm 和 45 nm 工藝，表 1 為 RF SOI 技術(shù)能力及應(yīng)用市場。Tower Jazz 也在日本的晶圓廠增加 300 mm RF SOI 晶圓產(chǎn)能，該工藝基于 65 nm。聯(lián)電和臺積電也計劃進(jìn)軍 300 mm。

300 mm 晶圓相比于 200 mm 有以下優(yōu)點：① 集成度是 300 mm 晶圓最大的優(yōu)勢，元器件的特征尺寸可以做到 90 nm 以下，可以在更小的面積內(nèi)集成更多的元器件，滿足更加復(fù)雜的設(shè)計。② 300 mm 提供了更多的過程控制和完全自動化，產(chǎn)品的公差、可重復(fù)性和良品率優(yōu)于 200 mm。③ 300 mm 晶圓采用銅互連層，寄生電阻、電容大大降低，同時元器件間的干擾或耦合也可以大大降低。

4.2 FD SOI

FD-SOI 技術(shù)又稱完全耗盡型絕緣體上硅（Fully Depleted Silicon On Insulator），是由伯克利教授胡正明在 2000 年發(fā)明的。FD-SOI（圖 9）可以實現(xiàn)對納米節(jié)點工藝制程下晶體管電流的有效控制和閾值電壓的靈活調(diào)控，因而 21 世紀(jì)伊始，以 Leti、Soitec、 STM 等為代表的歐洲半導(dǎo)體科研機構(gòu)和公司開始投入該技術(shù)的研發(fā)[11]。

與體硅材料相比，F(xiàn)D-SOI 具有如下優(yōu)點：① 減小了寄生電容，提高了運行速度。② 由于減少了寄生電容，降低了漏電，具有更低的功耗。③ 消除了閂鎖效應(yīng)。④ 抑制了襯底的脈沖電流干擾，減少了軟錯誤的發(fā)生。⑤ 與現(xiàn)有硅工藝兼容，還可減少工序,成本比較低。從 ISB CEO Handel Jones 公布的數(shù)據(jù)看,目前 22 nm FD-SOI 的成本將和 28 nm HKMG成本相近。如果線寬再繼續(xù)縮小，例如到 12 nm 節(jié)點，F(xiàn)D-SOI 的成本將顯著低于 FinFET，12 nm FD-SOI 的成本比 16 nm FinFET 低 22.4%，比 10 nm FinFET 低 23.4%，比 7 nm FinFET 低 27%。這是因為 12nm FD-SOI 的掩膜數(shù)量要少一些，抵消了其襯底成本高于 FinFET 的部分。

4.3 Power SOI

Power SOI 又稱為功率絕緣體上硅技術(shù)，是 SOI 技術(shù)應(yīng)用的另一個大的領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的體硅功率集成電路中，由元器件注入襯底的載流子往往會被與其臨近的大面積的功率器件所收集，引起不必要的串?dāng)_甚至引起功率器件的誤開啟，這些限制了以 PN 節(jié)為隔離的功率器件的應(yīng)用。而 SOI 技術(shù)，元器件在縱向可以通過埋層氧化層（BOX, Buried Oxide Layer）實現(xiàn)縱向隔離，在橫向可以通過深溝槽氧化層（DTI, Deep Trench Isolation）實現(xiàn)橫向隔離，元器件可以分別做到不同的隔離島上，避免了以 PN 節(jié)為隔離體硅功率集成電路的很多缺點，如串?dāng)_、閂鎖效應(yīng)、大泄漏電流以及大面積的隔離區(qū)等問題，提高了電路的集成密度。同時，由于 SOI 技術(shù)具有比體硅元器件更低的泄漏電流，使其可以在更高電壓、更高的溫度下進(jìn)行工作。圖13為兩種典型的功率SOI器件截面圖，圖 13（a）為高壓 LDMOS 產(chǎn)品，圖 13（b）為超高壓 LDMOS 產(chǎn)品，它們都分別做到不同的隔離島上，橫向、縱向都與其他元器件用介質(zhì)隔離。

5 SOI 技術(shù)的主要問題與挑戰(zhàn)

雖然 SOI 技術(shù)比傳統(tǒng)的體硅技術(shù)具有隔離效果好、寄生效應(yīng)小、泄漏電流低、集成密度高等優(yōu)點，但還有很多不足，限制了該技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用。

5.1 SOI 晶圓成本偏高

現(xiàn)有 SOI 晶圓的制造成本比較昂貴，在采購價格上比普通硅基晶圓要貴出幾倍甚至幾十倍，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用?，F(xiàn)有世界上主流的技術(shù)有 WB 技術(shù)和 Smart-cut 技術(shù)，其中，WB 技術(shù)是由兩片晶圓經(jīng)過鍵合、減薄、拋光等一系列步驟完成，增加了額外的工藝成本；同時，其中的一片會犧牲掉，也將計算在 SOI 的成本之中。而 Smart-cut 技術(shù)，目前還是 Soitec 的專利，其他廠商需要得到專利授權(quán)、轉(zhuǎn)讓等方式才能獲得；同時，該技術(shù)也需要注入、分離、拋光、外延等工序，工藝成本也比較昂貴。

5.2 浮體效應(yīng)

SOI 晶體管相對襯底會形成一個寄生電容。電荷在電容上積累，而造成不利的效應(yīng)，被稱作浮體效應(yīng)。由于浮體效應(yīng)導(dǎo)致寄生雙極晶體管效應(yīng)、記憶效應(yīng)、遲滯效應(yīng)、Kink 效應(yīng)等等。研究發(fā)現(xiàn)，浮體效應(yīng)不僅可以嚴(yán)重影響模擬電路的特性，還會引起數(shù)字電路的邏輯失真和功耗增大。為了抑制浮體效應(yīng)，研究人員使用了各種方法，如用氬（Ar）注入引入復(fù)合中心、源區(qū)注入鍺（Ge）減小禁帶寬度、使用超薄 FD SOI 等等，但是這些工藝復(fù)雜，控制困難，往往達(dá)不到理想的效果。近年來材料及器件制備技術(shù)的發(fā)展，問題有了明顯改善。

5.3 SOI 晶圓導(dǎo)熱性能差

SOI 產(chǎn)品的縱向隔離 BOX 層次以及橫向隔離的溝槽中，往往采用 SiO2、Poly 等材質(zhì)，這些材質(zhì)在隔離泄漏電流、提高耐壓的同時，也使得 SOI 元器件的散熱性能變得比傳統(tǒng)的體硅器件差很多。特別是針對功率的 SOI 元器件，散熱性能差使得安全工作區(qū)（SOA， Safe Operation Area）縮小，限制了其使用范圍。除非增加晶圓表面的金屬面積來增加散熱，或者通過額外的工藝，使隔離島中器件的熱從襯底中散出。這些一方面增加了元器件的面積，另一方面增加工藝的難度，提高了生產(chǎn)成本。

5.4 背柵效應(yīng)

SOI 元器件中，背面柵壓通過襯底、埋氧化層對器件的體區(qū)產(chǎn)生影響。在不同的背柵條件下，體區(qū)的耗盡層寬度會隨著襯底電壓變化，進(jìn)而影響到器件的性能。例如閾值電壓電壓隨著背面柵壓的增加而線形減小。器件的耐壓也隨著背面柵壓的變化而變化，對于具有上下管（high side 和 low side）的器件，需要兼容在不同背面柵壓下耐壓都能滿足需求，有時會設(shè)計出更高耐壓的器件，這樣在面積上便會有一定的犧牲。

5.5 SOI 產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善

經(jīng)過幾年的發(fā)展，雖然在全球逐漸打造出較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋材料、設(shè)計、代工、封測、應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)，具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但是起步晚、欠完善，導(dǎo)致 SOI 沒能大規(guī)模地應(yīng)用，與傳統(tǒng)的 FinFET 展開競爭。隨著各個廠商的努力，特別是中國力量的加入，SOI 具有無與倫比的優(yōu)勢，將會帶動 SOI 產(chǎn)品更大規(guī)模的應(yīng)用。隨著 5G、IoT、智能駕駛時代的來臨， SOI 技術(shù)將得到更加廣泛的使用。

6 結(jié)語

SOI 技術(shù)從 1960 年代誕生以來，人們研究開發(fā)了多種 SOI 技術(shù)，在眾多的技術(shù)中，直接鍵合和智能剝離技術(shù)在獲得 SOI 材料中最具潛力，特別是智能剝離技術(shù)，已大量應(yīng)用于現(xiàn)有產(chǎn)品中。如 RF SOI、FD SOI、Power SOI 等技術(shù)，已在 5G、loT、汽車、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然 SOI 技術(shù)也有一些劣勢、產(chǎn)業(yè)鏈還不很完善，但是它有傳統(tǒng)體硅器件無法比擬的優(yōu)勢，相信在不久的未來，SOI 技術(shù)將大規(guī)模地爆發(fā)。