SOI硅片擁有極高性能，被廣泛應(yīng)用于高端芯片中，單晶硅錠經(jīng)過(guò)切割、研磨和拋光處理后得到拋光片。

拋光片經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)形成外延片，拋光片經(jīng)過(guò)氧化、鍵合或離子注入等工藝處理后形成 SOI 硅片。

拋光片可直接用于制作半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)芯片與功率器件等。

功率半導(dǎo)體是能夠支持高電壓、大電流的半導(dǎo)體。具有不同于一般半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，在使用高電壓、大電流時(shí)也不會(huì)損壞。

另外，由于使用大功率容易發(fā)熱產(chǎn)生高溫，成為故障發(fā)生的原因。 因此，正努力減少功率半導(dǎo)體本身因發(fā)熱而導(dǎo)致的功率損失，有效地將其產(chǎn)生的熱量釋放到外部。

     為了提高集成電路的集成度和速度,降低功耗必須縮小器件的尺寸。但當(dāng)器件的尺寸縮小到亞微米范圍以內(nèi)時(shí),常規(guī)的結(jié)構(gòu)就不適應(yīng)了,從而導(dǎo)致SOI( Silicon On Insulator或Semi- conductor On Insulator)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,也就是把器件制作在絕緣襯底上生長(zhǎng)的硅單晶層上。SOI結(jié)構(gòu)開(kāi)始是針對(duì)亞微米CMOS器件提出來(lái)以取代不適合要求的常規(guī)結(jié)構(gòu)以及已經(jīng)應(yīng)用的sos結(jié)構(gòu)(sos可以看成是SOI的一種形式),但SOI結(jié)構(gòu)很快也成為實(shí)現(xiàn)高速集成電路及三維集成電路的新途徑(但不是所有的SOI結(jié)構(gòu)都可以用來(lái)做三維集成電路),是當(dāng)前半導(dǎo)體材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

SOI結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)大致可以歸納為如下幾個(gè)方面：

(1)由于它是介質(zhì)隔離,寄生電容小,對(duì)高速和高集成度的IC電路特別有利

(2)由于介質(zhì)隔離,降低了噪聲,并提高了線路和器件的抗輻射性能。

(3)抑制了CMOS電路的“鎖住”( latch-u-up)問(wèn)題。

 
     SOI與SOS相比,SOI材料的完整性比sos好得多,比SOS應(yīng)用的范圍也廣泛CMOS電路中采用SOI結(jié)構(gòu),可以減少掩蔽次數(shù),也不需要隔離擴(kuò)散,使線路布局簡(jiǎn)化,提高集成度。SOS中Si與Al2O3的熱膨脹系數(shù)不匹配,硅層內(nèi)有壓縮應(yīng)力。此外,SO1的功耗和襯底成本都比SOS低得多,SOS沒(méi)有實(shí)現(xiàn)三維器件結(jié)構(gòu)功能。

       從目前情況來(lái)看,有的SOI技術(shù)已初步走向?qū)嵱没?只要能進(jìn)一步克服工藝和材料質(zhì)量問(wèn)題,實(shí)用化是沒(méi)有問(wèn)題的,某些SOI技術(shù)可以用于三維IC的制造SOI結(jié)構(gòu)材料制備的方法有很多種,下面簡(jiǎn)要介紹幾種主要的方法:

1.熔化橫向生長(zhǎng)

       這種方法的基本工藝是在硅襯底上形成一層SO膜,然后在膜上淀積多晶或非晶硅所淀積的多晶或非晶硅局部熔化,移動(dòng)熔區(qū)則在熔區(qū)前的多晶或非晶硅熔化,而熔區(qū)后面則進(jìn)行再結(jié)晶。這種方法由于形成熔區(qū)的熱源不同可分成:①激光束熔化再結(jié)晶;②電子束熔化再結(jié)晶;③石墨帶狀加熱橫向有籽晶再結(jié)晶;光照熔融再結(jié)晶法等四種。由于其加熱方式不同,所以設(shè)備和具體工藝有很大的差別,結(jié)果也不一樣,各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。早期這類方法研究得比較活躍。

2.CVD橫向生長(zhǎng)

       CVD橫向生長(zhǎng)法是在SiO2上進(jìn)行側(cè)向鋪伸外延生長(zhǎng),簡(jiǎn)稱ELO( Epitaxial Lateral Over growth)法。它是在選擇外延上發(fā)展起來(lái)的,很受人們重視。這是因?yàn)楣柰庋由L(zhǎng)技術(shù)比較成熟,處理溫度低(1050~1150℃),遠(yuǎn)低于Si熔化溫度,不會(huì)引起嚴(yán)重的襯底雜質(zhì)的再分布,并且有希望用于三維IC的制作

       本方法的基本過(guò)程是,在SiO2膜上用光刻技術(shù)開(kāi)出襯底的窗口,在窗口處外延生長(zhǎng)硅,抑制在SiO2表面上硅成核。當(dāng)窗口區(qū)長(zhǎng)滿硅后,再以足夠大的橫縱向生長(zhǎng)速度比進(jìn)行側(cè)向鋪伸外延。這個(gè)方法的關(guān)鍵在于如何抑制在SiO2上成核,目前利用生長(zhǎng)/腐蝕工藝來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,即每生長(zhǎng)一段時(shí)間后停止生長(zhǎng),通入HCl氣相腐蝕,以除去在SiO2上淀積的硅。然后進(jìn)行第二次生長(zhǎng)/腐蝕,直到窗口長(zhǎng)滿,繼續(xù)重復(fù)生長(zhǎng)/腐蝕進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng),最后硅膜連成一片并長(zhǎng)到要求的厚度、所得的SOI結(jié)構(gòu)的硅膜電學(xué)性質(zhì)和器件性質(zhì)和相同條件下常規(guī)外延生長(zhǎng)的膜相近?，F(xiàn)在還不能完全除去SiO2膜上的多晶核,使ELO膜的質(zhì)量受到影響,另外橫向生長(zhǎng)的寬度還不是很寬。

3.氧離子注入形成SOI結(jié)構(gòu)

       這種方法也叫做 SIMOX法(Separation by Implanted Oxygen)。它是利用注氧離子形成符合化學(xué)計(jì)量比的SiO2埋層的方法。注入的氧離子量約為1.2~1.8×10/cm2。埋層深度和注入能量有關(guān),若埋層深度為0.5μm,則注入能量約為500keV,若深度為1um,則需要1MeV

       氧離子注入時(shí),為了得到突變的Si—SiO2界面,通常把注入劑量適當(dāng)過(guò)量,略大于1.8×1018/cm2。劑量不足時(shí),在上界面處會(huì)出現(xiàn)孿晶層。圖5-22是注入劑量與SiSIO2界面狀態(tài)的示意圖。

       氧離子注入后,必須進(jìn)行高溫退火熱處理,使O與Si作用形成SiO2并消除晶格的損傷,處理溫度為1150~1250℃,時(shí)間為2h。退火前,在硅片表面淀積一層SiO2能有助于提高退火效果并能減少表面缺陷。

       SIMOX法簡(jiǎn)單易行,能得到良好的單晶層與常規(guī)硅器件工藝完全相容。它可以說(shuō)是目前SOI技術(shù)中最引人注意的,但不足的是它無(wú)法做成三維的器件。

4.硅片面鍵合法

       這種方法是將兩片硅片通過(guò)表面的SiO2層鍵合在一起,再把背面用腐蝕等方法減薄獲得SOI結(jié)構(gòu)。實(shí)施的辦法之一是,將兩片硅的拋光片一片氧化形成SiO2膜,將另一片貼在其上,在氧氣氛中熱處理,在氧化熱處理過(guò)程中通過(guò)界面的硅氧鍵的聚合作用而黏結(jié)在一起。這種方法比較簡(jiǎn)單,但減薄處理比較困難,另外對(duì)片子的平整度要求高,否則整個(gè)界面很難完全貼合。這種方法目前發(fā)展較快。

SOI技術(shù)已經(jīng)研究很多年,取得一些結(jié)果,各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都投入不少力量進(jìn)行研究,一旦獲得突破性的進(jìn)展,其應(yīng)用前景是十分廣闊的。