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頗具競(jìng)爭(zhēng)力的SOI硅集成技術(shù) 蔡菊榮 (荷葉新村39號(hào),502室,江蘇 無(wú)錫)

發(fā)布時(shí)間:2007/8/20 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):604

      摘要:主要討論了SOI集成技術(shù)及其發(fā)展前景,介紹了SOl技術(shù)在VLSI應(yīng)用方面的優(yōu)越性以及在微電子領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。

  關(guān)鍵詞:S0I技術(shù);S0I材料;SOIIC

  1 前言

  微電子技術(shù)發(fā)展至今已進(jìn)入0.13μm生產(chǎn)水平和0.07μm的研究水平。以DRAM產(chǎn)品為代表的集成度已達(dá)到億級(jí)水平。微處理器為代表的工作頻率已達(dá)GHz級(jí)水平。高性能、高水平、更高集成度、多功能IC的研發(fā)迫切需要新結(jié)構(gòu)、新器件的不斷涌現(xiàn)。特別是軍事應(yīng)用的需求迫在眉睫,F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,軍事裝備高度電子化、信息化、智能化的特點(diǎn)更需我們加速新技術(shù)、新器件的研發(fā)和應(yīng)用。SOI技術(shù)就是其中應(yīng)渤D以重視和重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)和器件之一。

  SOI技術(shù)的出現(xiàn)雖然已有三十多年,但是取得突破性進(jìn)展是在20世紀(jì)80年代后期。最初人們僅認(rèn)為SOI技術(shù)有可能替代在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的SOS(Silicon-on-Sapphire)技術(shù)。然而,由于發(fā)現(xiàn)薄膜SOI MOSFET具有極好的按比例縮小性質(zhì),使得SOI技術(shù)在深亞微米VLSI中的應(yīng)用有極大的吸引力,潛力很深。最后,SOI技術(shù)和器件的研發(fā)取得了驚人的發(fā)展,已從首次激光再結(jié)晶實(shí)驗(yàn)發(fā)展到CMOS/SIMOX 512kb SRAM及IBM公司推出的以硅基SOI微電子主流技術(shù)的高速、低功耗微處理器。目前,soI技術(shù)已走向商業(yè)化實(shí)用階段,并在繼續(xù)深化它的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是應(yīng)用于低壓、低功耗電路、高頻微波電路以及耐高溫、抗輻照微電子器件和微電子電路等。

  用SOI技術(shù)制作的器件比體硅器件更具優(yōu)越性。被國(guó)際上公認(rèn)為“21世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)”,前景一片看好。

  2 S0I技術(shù)

  微電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,主要是靠工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)和器件結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新,使得器件特征尺寸不斷縮小,集成度不斷提高,功耗降低,性能提高。

  當(dāng)前微電子產(chǎn)品的核心是以硅基CMOS工藝技術(shù)為主流的數(shù)字集成電路。到2005年,微電子工藝技術(shù)將完全有能力生產(chǎn)工作頻率高達(dá)3.5GHz、集成度達(dá)1.4億晶體管的SOC。2010年將誕生集成度為10億晶體管、速度為10萬(wàn)MIPS的微處理器。2014年,這種能力將上升到13.5GHz、43億晶體管的高水平時(shí)代。

  另一個(gè)代表性的產(chǎn)品DRAM的發(fā)展也十分迅速,10年內(nèi),DRAM從0.25μm(256Mb DRAM)提高到0.07μm(64Gb DRAM)。2010年以后,硅微電子技術(shù)的發(fā)展極限將進(jìn)一步受到嚴(yán)厲地挑戰(zhàn),而SOI技術(shù)卻是可以接受挑戰(zhàn)的技術(shù)之一。在仍將以硅基CMOS工藝技術(shù)為主流的21世紀(jì),SOI技術(shù)將與硅基CMOSI藝技術(shù)爭(zhēng)奪主流技術(shù)的霸主地位。誰(shuí)主沉浮,拭目以待。

  2.1 SOI材料

  SOI材料是指在絕緣層上生長(zhǎng)一層具有一定厚度的單晶硅薄膜的材料。該材料可實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離,與有P-N結(jié)隔離的體硅相比,具有無(wú)閉鎖、高速度、低功耗、集成度高,耐高溫等特點(diǎn)。近幾年,SOI材料完整性不斷提高,已先后于1989年和1991年制做出64kb和256kb靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,1998年8月,IBM公司宣布在SOI材料上研制出了高性能的微處理器芯片。其中發(fā)展較快的有注氧隔離硅(SIMOX)、背面刻蝕與鍵合的S0I(BES01)和SMART-CUT等三類材料。BESOI材料中的缺陷密度低,更接近傳統(tǒng)硅片,但界面缺陷和頂層硅的厚度不易控制;相比而言,SIMOX材料缺陷密度較高,但表面硅層和埋層二氧化硅厚度可精細(xì)控制,與現(xiàn)行集成電路工藝匹配較好:SMART-CUT材料是利用H+離子注入,在硅片中形成氣泡層,經(jīng)與另一支撐片鍵合后,進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚棺淦瑥臍馀輰犹幜验_,最后經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后,得到高質(zhì)量的SOI材料,F(xiàn)在法國(guó)SOITEC公司可批量提供150mm、200mm的SMART-CUT片。此外,ELTRAN技術(shù)通過(guò)處延生長(zhǎng)SOI層,膜厚控制容易,可生長(zhǎng)小于50nm的超薄層。氫退火可提高硅表面微粗糙度。佳能公司已利用該技術(shù)商業(yè)化生產(chǎn)150mm和200mm ELTRAN片,并在1998年的固態(tài)器件和材料國(guó)際會(huì)議上,展示了采用ELTRAN技術(shù)研制的300mmSOI片。目前,降低成本是SOI材料的主要奮斗目標(biāo)。

  SOI材料性能好,成本低,與體硅集成電路工藝完全相容,它完全可以繼承體硅材料與體硅集成電路迄今所取得的巨大成就,還具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

  2.2 SOI制造技術(shù)簡(jiǎn)介

  SOI材料是開發(fā)SOI器件和電路的基礎(chǔ),目前已發(fā)展了多種制備技術(shù),有:同質(zhì)外延和異質(zhì)外延技術(shù),非晶硅與多晶硅再結(jié)晶技術(shù),硅片鍵合(SDB)技術(shù)和單晶硅的氧化與SiO2隔離技術(shù),歸納起來(lái)如表1所示。
                    
    SIMOX和SDB這兩種技術(shù)比較成熟,制備的SOI材料質(zhì)量好,成本較低,并已在各種類型的集成電路中得到廣泛的應(yīng)用。

  2.3 SOI晶圓片的主要技術(shù)要求

  2001年版ITRS半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖中公布的有關(guān)SOI晶圓片的主要技術(shù)要求如表2(近期內(nèi))和表3(長(zhǎng)期)所示。

      摘要:主要討論了SOI集成技術(shù)及其發(fā)展前景,介紹了SOl技術(shù)在VLSI應(yīng)用方面的優(yōu)越性以及在微電子領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。

  關(guān)鍵詞:S0I技術(shù);S0I材料;SOIIC

  1 前言

  微電子技術(shù)發(fā)展至今已進(jìn)入0.13μm生產(chǎn)水平和0.07μm的研究水平。以DRAM產(chǎn)品為代表的集成度已達(dá)到億級(jí)水平。微處理器為代表的工作頻率已達(dá)GHz級(jí)水平。高性能、高水平、更高集成度、多功能IC的研發(fā)迫切需要新結(jié)構(gòu)、新器件的不斷涌現(xiàn)。特別是軍事應(yīng)用的需求迫在眉睫。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,軍事裝備高度電子化、信息化、智能化的特點(diǎn)更需我們加速新技術(shù)、新器件的研發(fā)和應(yīng)用。SOI技術(shù)就是其中應(yīng)渤D以重視和重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)和器件之一。

  SOI技術(shù)的出現(xiàn)雖然已有三十多年,但是取得突破性進(jìn)展是在20世紀(jì)80年代后期。最初人們僅認(rèn)為SOI技術(shù)有可能替代在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的SOS(Silicon-on-Sapphire)技術(shù)。然而,由于發(fā)現(xiàn)薄膜SOI MOSFET具有極好的按比例縮小性質(zhì),使得SOI技術(shù)在深亞微米VLSI中的應(yīng)用有極大的吸引力,潛力很深。最后,SOI技術(shù)和器件的研發(fā)取得了驚人的發(fā)展,已從首次激光再結(jié)晶實(shí)驗(yàn)發(fā)展到CMOS/SIMOX 512kb SRAM及IBM公司推出的以硅基SOI微電子主流技術(shù)的高速、低功耗微處理器。目前,soI技術(shù)已走向商業(yè)化實(shí)用階段,并在繼續(xù)深化它的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是應(yīng)用于低壓、低功耗電路、高頻微波電路以及耐高溫、抗輻照微電子器件和微電子電路等。

  用SOI技術(shù)制作的器件比體硅器件更具優(yōu)越性。被國(guó)際上公認(rèn)為“21世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)”,前景一片看好。

  2 S0I技術(shù)

  微電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,主要是靠工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)和器件結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新,使得器件特征尺寸不斷縮小,集成度不斷提高,功耗降低,性能提高。

  當(dāng)前微電子產(chǎn)品的核心是以硅基CMOS工藝技術(shù)為主流的數(shù)字集成電路。到2005年,微電子工藝技術(shù)將完全有能力生產(chǎn)工作頻率高達(dá)3.5GHz、集成度達(dá)1.4億晶體管的SOC。2010年將誕生集成度為10億晶體管、速度為10萬(wàn)MIPS的微處理器。2014年,這種能力將上升到13.5GHz、43億晶體管的高水平時(shí)代。

  另一個(gè)代表性的產(chǎn)品DRAM的發(fā)展也十分迅速,10年內(nèi),DRAM從0.25μm(256Mb DRAM)提高到0.07μm(64Gb DRAM)。2010年以后,硅微電子技術(shù)的發(fā)展極限將進(jìn)一步受到嚴(yán)厲地挑戰(zhàn),而SOI技術(shù)卻是可以接受挑戰(zhàn)的技術(shù)之一。在仍將以硅基CMOS工藝技術(shù)為主流的21世紀(jì),SOI技術(shù)將與硅基CMOSI藝技術(shù)爭(zhēng)奪主流技術(shù)的霸主地位。誰(shuí)主沉浮,拭目以待。

  2.1 SOI材料

  SOI材料是指在絕緣層上生長(zhǎng)一層具有一定厚度的單晶硅薄膜的材料。該材料可實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離,與有P-N結(jié)隔離的體硅相比,具有無(wú)閉鎖、高速度、低功耗、集成度高,耐高溫等特點(diǎn)。近幾年,SOI材料完整性不斷提高,已先后于1989年和1991年制做出64kb和256kb靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,1998年8月,IBM公司宣布在SOI材料上研制出了高性能的微處理器芯片。其中發(fā)展較快的有注氧隔離硅(SIMOX)、背面刻蝕與鍵合的S0I(BES01)和SMART-CUT等三類材料。BESOI材料中的缺陷密度低,更接近傳統(tǒng)硅片,但界面缺陷和頂層硅的厚度不易控制;相比而言,SIMOX材料缺陷密度較高,但表面硅層和埋層二氧化硅厚度可精細(xì)控制,與現(xiàn)行集成電路工藝匹配較好:SMART-CUT材料是利用H+離子注入,在硅片中形成氣泡層,經(jīng)與另一支撐片鍵合后,進(jìn)行高溫?zé)崽幚,使注氫片從氣泡層處裂開,最后經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后,得到高質(zhì)量的SOI材料,F(xiàn)在法國(guó)SOITEC公司可批量提供150mm、200mm的SMART-CUT片。此外,ELTRAN技術(shù)通過(guò)處延生長(zhǎng)SOI層,膜厚控制容易,可生長(zhǎng)小于50nm的超薄層。氫退火可提高硅表面微粗糙度。佳能公司已利用該技術(shù)商業(yè)化生產(chǎn)150mm和200mm ELTRAN片,并在1998年的固態(tài)器件和材料國(guó)際會(huì)議上,展示了采用ELTRAN技術(shù)研制的300mmSOI片。目前,降低成本是SOI材料的主要奮斗目標(biāo)。

  SOI材料性能好,成本低,與體硅集成電路工藝完全相容,它完全可以繼承體硅材料與體硅集成電路迄今所取得的巨大成就,還具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

  2.2 SOI制造技術(shù)簡(jiǎn)介

  SOI材料是開發(fā)SOI器件和電路的基礎(chǔ),目前已發(fā)展了多種制備技術(shù),有:同質(zhì)外延和異質(zhì)外延技術(shù),非晶硅與多晶硅再結(jié)晶技術(shù),硅片鍵合(SDB)技術(shù)和單晶硅的氧化與SiO2隔離技術(shù),歸納起來(lái)如表1所示。
                    
    SIMOX和SDB這兩種技術(shù)比較成熟,制備的SOI材料質(zhì)量好,成本較低,并已在各種類型的集成電路中得到廣泛的應(yīng)用。

  2.3 SOI晶圓片的主要技術(shù)要求

  2001年版ITRS半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖中公布的有關(guān)SOI晶圓片的主要技術(shù)要求如表2(近期內(nèi))和表3(長(zhǎng)期)所示。

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