3     SOI材料的制備技術

3.1  注氧隔離技術（SIMOX）

       SIMOX（SeperationbyImplantofOxygen）技術最早由日本的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，為了形成符合化學配比的二氧化硅埋層，氧的注入能量為200KeV劑量為2e18cm-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℃的環境下實現，并且在注入后必須高溫（1300℃）長時間（5h）來退火，因而SIMOX材料成本較高。

       在SIMOX技術中，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，各地研究者進行不斷持續的改進，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，他們發現在注入能量在180KeV和劑量在1.4e18cm-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。

圖2 SIMOX表面位錯密度與氧注入劑量的關系

圖3 氧分步隨注入劑量的變化

       而劑量太大的話則容易造成Silicon空洞，如圖4所示。劑量在1.4e18cm-2時，二氧化硅層連續且均勻。

圖4 二氧化硅層形貌隨注入劑量的變化

（A:3e17cm-2,B:4e17cm-2,C:5e17cm-2;注入能量120KeV）

       隨著工藝制程的不斷進步，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（WB）

       1980年代開始，已經出現了一些鍵合技術（WB:WaferBonding），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、拋光或者化學腐蝕等方法減薄到合適于SOI絕緣體上硅器件要求的厚度，稱為Devicewafer，另一片晶圓作為機械支撐襯底，稱為Handlewafer，如圖5所示。

       由于鍵合技術的減薄主要依賴機械拋光、研磨或者化學腐蝕等方法來實現，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的應用。

圖5 典型的鍵合技術流程圖

圖6 典型的鍵合技術形成的SOI硅片表面膜厚等高圖

3.3  智能剝離技術（Smart-cut）

       智能剝離技術（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相結合的基礎上。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），經適當的處理后，使注氫片從粒子注入層完整分裂，形成SOI絕緣體上硅結構，如圖7所示。然后對Wafer表面進行拋光處理，再使用外延的方式達到想要的Silicon厚度。

       Smart-cut技術的優點主要包括。①H+離子的諸如劑量約為1e16cm，比SIMOX注氧劑量要低2個數量級，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:BuriedOxide）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注氫鍵合，循環使用，大大降低了制備成本。

（a:4e17cm-2,b:6e17cm-2,c:1e18cm-2,d:1.2e18cm-2,e:1.8e18cm-2,f:2.4e18cm-2;注入能量200KeV）

圖7 典型的Smart-cut技術流程圖（資料來源：Soitec）

       基于上述優點，Smart-cut技術在SOI絕緣體上硅材料制備技術中成為最具競爭力的一項技術。自1995年以來的短短20年里，這種技術得到飛速發展。目前，法國的Soitec、日本的信越、中國臺灣環球晶圓等公司已經能使用該技術提供大量商用的絕緣體上硅SOI硅片。2014年，Soitec還和上海新傲科技股份有限公司（Simgui）達成了有關射頻和功率半導體市場200mmSOI絕緣體上硅晶圓的戰略伙伴關系并簽署了經銷協議，合作主要包括許可和技術轉移協議。其中，上海新傲科技可以用Soitec的Smart-Cut專利技術生產200mmSOI絕緣體上硅晶圓。

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