SOI微电子技术简介

文章摘要：SOI（Silicon－On－Insulator，绝缘层上覆硅）技术的出现虽然已有30多年，但是取得突破性进展是在20世纪80年代后期。最初人们仅认为SOl技术有可能替代在特殊场合应用的SOS（Silicon～On－Sapphire）技术。然而，由于发现薄膜SOl MOSFET具有极好的按比例缩小性质，使得SOl技术在深亚微米VLSI中的应用具有极大的吸引力，潜力很大。最后，SOl技术和器件的研发取得了惊人的进展，己从首次激光再结晶实验发展到CMOS ／ SIMOX SRAM及以硅基SOl微电子主流技术的高速度、低功耗微处理器。目前，SOl技术已走向商业化实用阶段，并在继续深化它的应用领域，特

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　　SOI（Silicon－On－Insulator，绝缘层上覆硅）技术的出现虽然已有30多年，但是取得突破性进展是在20世纪80年代后期。最初人们仅认为SOl技术有可能替代在特殊场合应用的SOS（Silicon～On－Sapphire）技术。然而，由于发现薄膜SOl MOSFET具有极好的按比例缩小性质，使得SOl技术在深亚微米VLSI中的应用具有极大的吸引力，潜力很大。最后，SOl技术和器件的研发取得了惊人的进展，己从首次激光再结晶实验发展到CMOS ／ SIMOX SRAM及以硅基SOl微电子主流技术的高速度、低功耗微处理器。目前，SOl技术已走向商业化实用阶段，并在继续深化它的应用领域，特别适应用于低电压电路、低功耗电路、高频微波电路，以及耐高温、抗辐射微电子器件和微电子电路等四。

　　图1是SOl晶圆的结构示意图。SOl材料是在绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜的材料。该材料可实现完全的介质隔离，与有pn结隔离的体硅相比，具有无闩锁、高速度、低功耗、集成度高，耐高温等特点。近几年，SOl材料完整性不断提高，已先后用于静态随机存储器及高性能的微处理器芯片中使用。其中发展较快的有注氧隔离硅（SIMOX）、背面刻蚀与键合的SOl（BESOI）和SMART－CUT等3类材料。BESOI材料中的缺陷密度低，更接近传统硅片，但界面缺陷和顶层硅的厚度不易控制；相比而言，SIMOX材料缺陷密度较高，但表面硅层和埋层二氧化硅厚度可精细控制，与现行集成电路工艺匹配较好：SMART－CUT材料是利用H＋离子注入，在硅片中形成气泡层，经与另一支撑片键合后，进行高温热处理，使注氢片从气泡层处裂开，最后经化学机械抛光后，得到高质量的SOl材料。

　　图1 SOl晶圆结构示意图

　　SOl材料性能好，成本低，与体硅集成电路工艺完全兼容，它完全可以继承体硅材料与体硅集成电路迄今所取得的巨大成就，还具有自己独特的优势。SOl技术的结构特点使得使用它制作的器件具有更好的抗单粒子反转和抗γ辐射性能，可以实现集成电路中元件的绝缘隔离，彻底消除体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应。所以用SOl技术制作的微电子器件和集成电路的寄生电容小，短沟道效应小，速度快，集成度高，工作温度范围广，抗辐射能力强。SOl技术是抗辐射IC有效的加固技术。SOl与深槽可组成全介质隔离技术。这种隔离结构具有极强的闩锁抑制能力、极好的抗瞬时扰动的特性、良好的抗中子损伤特性和良好的长期电离损伤控制能力、很高的抗瞬时剂量率能力。但双极晶体管的发射结不能靠深槽墙，否则对电离辐射敏感。

　　SOI器件与体硅器件相比，除了具备良好的抗辐射性能还具有以下各项优点：①功耗低，在相同的工作速度下，功耗可降低50％～60％。②工作速度快，在相同的特征尺寸下，工作速度可提高30％～40％。③静电电容小，寄生电容小。④可进一步提高集成电路芯片的集成度、功能和可靠性，能在微功耗、低电压、高温、高压等方面发挥它的优势。⑤耐高温环境。体硅MOS器件在高温环境中，由于热激闩锁效应，漏电大，阈值电压随温度变化而导致失效，所以不能在较高温度环境下工作。SOI CMOS本身无闩锁效应，所以也就不存在高温热激闩锁效应。对于相同几何尺寸的体硅和SOl器件，在高温下，由于结面积不同，SOI泄漏电流要比体硅器件低几个数量级，SOI MOS器件的阈值电压随温度的变化要比体硅MOS小得多，所以，SOI MOS可以工作在300～500℃的高温环境中。

　　SOI技术最初是用来针对军事与太空领域研发与生产高可靠度的电子零件，但如今则应用在主流市场的高效能IC中。SOI很快就吸引了MEMS（Micro－Elect ro－Mechani cal Systems，微机电系统）、光学MEMS（MOEMS）、微光电型电路及其他需要应用类似材料设计者的目光。目前采用SOl技术的产品包括汽车专用的压力传感器，以及新一代条形码扫描器专用的反射镜。