Smart-SOI

微电子理论基础课题Smart-CutSOI学生姓名：杨维学号：1201220921学院：北京大学软件与微电子学院方向：SOC设计2013年1月智能剥离（Smart-cut）SOI1.引言绝缘衬底上的硅（SOI）是集成电路进入亚微米和深亚微米级后能突破体硅材料和硅集成电路限制的新型集成电路技术。SOI器件有源区位于绝缘层上的硅膜内，完整的介质隔离可避免体硅器件中存在的大部分寄生效应，因此SOI材料器件与体硅相比具有亚阈值斜率较陡；跨导和电流驱动能力较高；易于形成浅结和全介质隔离；优良的抗辐照效应、抗单粒子效应和抗短沟道效应；CMOS工艺简单；无闩锁效应；源、漏寄生电容小；低电压、低功耗等特性。这些特性决定SOI技术将是研发高速、低功耗、高可靠性及高集成度的深亚微米超大规模集成电路和超高速集成电路的重要技术。最近IBM报道了在不改变设计和工艺水平的情况下，通过采用SOI材料,可使采用同样工艺的CMOS电路的速度提高25%，利用SOI材料制作的CPU芯片速度由采用体硅工艺时的400MHz提高到500MHz。因此，SOI材料被国际上公认为“21世纪硅集成电路技术的基础。2.SOI是主要制备工艺目前制备SOI材料的主流技术有通过注氧隔离的（SIMOX）技术和键合再减薄（BESOI）技术和将键合和注入相结合的Smart-Cut技术及外延层转移(ELTRAN)技术。2.1.注氧隔离的SIMOX技术SIMOX是通过氧离子注入到硅片，再经高温退火过程消除注入缺陷而成.包括注入O+,N+或Co+至单晶硅中合成SiO2,Si3N4或CoSi2埋层,目前情况下，SiO2埋层的合成已是在商业上可以实现的SOI技术。SIMOX技术主要包括三个工艺步骤：1)氧离子注入。典型的注人剂量约为1×1017cm-2～2×1018cm-2,氧离子能量在50keV到200keV之间.用以在硅表层下产生一个高浓度的注氧层。2)进行高温退火以消除晶体缺陷并且注入的氧再分布以形成均一、符合化学剂量比的SiO2埋层和原子级的陡直Si/SiO2界面。3)硅膜外延如果需要加厚表面硅层则需要在硅上外延一定厚度的硅膜。图1SIMOX的主要工艺图2.2．键合再减薄的BESOI技术将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。该技术是利用范德华力，将两片经抛光、氧化和亲水处理后的硅片，在超净环境中进行高温键合．形成S0I结构．随后将S0I片的一面进行化学腐蚀、电化学腐蚀、化学机械抛光等处理进行减薄。主要工艺如下图2所示。图2BESOI的主要工艺图-键合与背面腐蚀2.3外延层转移（ELTRAN）技术ELTRAN技术(EpitaxialLayerTransfer)外延层转移，独特之处在于在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速率将多孔硅区域彻底刻蚀掉，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。主要工艺流程如下图3所示。图3ELTRAN的主要工艺流程图3.智能剥离（Smart—Cut）技术Smart—Cut技术的原理是利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合(两个硅片之间至少一片的表面要有S10，绝缘层)经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离形成SOI结构，该结构包括三个工艺步骤；(1)氢离子注入：(2)两硅片的键合：(3)键合片再经过两步热处理，形成S0I片。主要工艺流程如下图4所示。（1）注入（2）键合（3）热处理图4智能剥离的主要工艺图3.1．智能切割的优点硅片键合并减薄技术Bondedandetch-backSOI,BESOI)是在硅片键合后将多余的硅去掉，这样会浪费很多材料。智能切割的最大优点是能尽量高效地利用原材料，具有BESOI和SIMOX两者的优点。由于智能切割的工艺特点（将在下一部分讲述），如前所述，它可将一层单晶完好地转移到另一片硅片上而不破坏其完整性或转移到任何一种可以与硅片键合的能承受一定温度的衬底上，甚至可以转移图形和整个电子器件。本质上讲智能切割可应用于任意两种可相互键合的材料。智能切割得到的单晶层厚度均匀、可控；可大幅度降低成本；工艺简单:离子注入量不到SIMOX的五十分之一,热处理可在普通的炉中进行,工艺可与现有的微电子工艺很好地兼容。3.2硅片键合原理和智能切割工艺两片平坦镜面抛光的亲水性硅片接近时，靠范得瓦尔斯力（比共价键低1~2个数量级）粘结在一起。亲水性的硅片表面一般都吸附一层水分子，这层水分子有重要的作用，当两片表面亲水的硅片键合时，可使微粗糙度RMS的容限为1nm。此时在键合界面上发生如下反应。Si-OH+Si-OHSi-O-Si+H2OSi+H2OSiO2+H2如果硅片一个有较厚的氧化层,另一个较薄或没有,则有利于以上反应的进行；有较薄氧化层的硅片提供反应所需的硅，而H2可溶解在较厚氧化层的硅片的氧化层中，使界面处不形成气泡而影响键合强度。其后的热处理使反应进行完全，氢气扩散至氧化层并，形成共价键结构的SOI。完全被氢钝化的硅表面是憎水的，即使加压，常温下它们也无法相互键合。但加温时，有如下反应：Si-H+Si-HSi-Si+H2H2将沿键合界面扩散而不是向体硅扩散，键合的横向扩散速度不依赖于与硅片边缘的距离硅片厚度，而强烈依赖于外气压这与排除界面处的气体有关。智能切割的原理是基于离子注入和硅片键合，它主要包括四个步骤见图5.1)离子注入硅片A中A上长有介电层如二氧化硅。典型的氢注入剂量为3.5×1016-1017cm-2当氢能量为95keV时，引起的缺陷的分布峰位于距表面900nm处，并向两边扩展200nm，这些缺陷使硅产生许多微孔隙。红外分析表明氢与硅形成H-Si键，在两层H-Si之间有可能存在分子氢H2。2)亲水性的A与衬底B在室温下键合。B在此过程中起重要作用它提供了加强板的作用，它提供了“加强板”的作用，否则在其后的热处理过程中A表面将崩裂。3)两步热处理：(1)400~600摄氏度，使A分为两部分，与B键合的膜层和余下的片层（可再利）；用(2)1100摄氏度，使形成化学键合，增强其强度，键合更牢固，并使被离子注入损伤的晶格得以恢复。第一步热处理时，微孔隙的数量和尺寸极度增加，但未探测到分子氢H2的形成。微裂劈发生在氢分布峰处。由于B较厚，A的表层的弹性形变被抑制，使薄层整体剥离成为可能，否则薄层将破碎。4)表面抛光处理使之平整.剥离下的薄膜表面是相当粗糙的,RMS为12nm可以抛光使之平坦化。图5智能切割工艺原理图3.3．智能切割SOI中的一些问题在智能剥离技术中要解决的关键技术是注氢和键合。注氢剂量的选择将决定键合后退火时能否在注氢峰值处裂开，而注入能量的选择将决定SOI的顶层硅的厚度；键合是决定能否形成SOl结构材料的关键。（1）注氢(或氮)的作用是当H一进入硅中，H+会打破Si～&键，在硅中形成点缺陷，并有部分Si形成si—H键。然后这些点缺陷在加温情况下重叠形成多重空洞，并且有H放出，在空洞形成H：，并在加温下空洞内压力升高，发生起泡或剥离。显然，能否实现剥离，取决于注氢的剂量，即应存在一个临界剂量。原则上Smartcut可以实现具有很薄的顶部硅膜的SOI材料，但在原始硅片表面乎整度和粗糙度并不能满足要求时，为成功的实现剥离，顶部硅膜应适当地选择厚一些。（2）硅片键合是Smartcut技术的关键且难度最大，原因是键台时对原始硅片质量要求很高，要求硅片表面不平整度应小于23vm。抛光硅片的表面粗糙度要小于0．5nm，而国产的抛光片通常达不到这一要求，这给硅片键合带来极大的困难，为了实现键合，我们在键合前硅片的清洗和亲水处理方面做了许多工作。当两个平坦的具有亲水性表面(如被氧化)的硅片相对放置在一起时，即使在室温下亦会自然发生键台，一般认为，键合是吸附在两个表面的羟基团(OH一)的相互吸引引起的，该吸引力(范德瓦尔斯力)相当大，致使跨过两个硅片之间的问隙立刻形成氢键。因此要得到高质量，无空洞的键合界面，除了保证硅片表面无沾污和颗粒外，硅片表面处理非常重要，其目的是要得到吸附更多的羟基团的亲水的硅表面。4.总结总之，SmartcutSOI技术将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起，解决了键合SOI中硅膜减薄问题，可以获得均匀性很好的顶层硅膜，硅膜质量接近体硅，剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底，降低了成本。SOI技术是低功耗低电压电子器件的关键所在。智能切割是实现SOI的最优途径，它能得到均匀优质的SOI结构，并极大减少材料消耗降，低成本可，与现有的微电子工艺很好地兼容，而且可应用于任意两种可相互键合且能承受较高温度400~600摄氏度的材料智能切割技术在USLI中有广泛的应用前景。参考文献：[1]储佳，路景刚，叶龙飞，杨德仁，阙端麟，一种新型的SOI技术-智能切割.杭州：浙江大学硅材料国家重点实验室.[2]李映雪,张志宽,张兴，王阳元,利用智能剥离技术形成SOI材料的研究.北京：北京大学微电子所.[3]舒斌,张鹤鸣,朱国良,樊敏,宣荣喜,基于智能剥离技术的SOl材料制备.西安：西安电子科技大学微电子学院.