SOI简介PPT资料.ppt
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l体硅中的寄生可控硅闩锁效应。
l由于特征尺寸减小,电源电压降低导致软失效问题,降低了电路的抗干扰能力l集成度的提高,导致电路功耗密度提高,由此引发的功耗热耗问题亟待解决。
l器件间隔离区占芯片面积比例增大,寄生电容增大。
l4概述2为什么是SOI?
SOI的技术优势:
l速度高-全耗尽SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点使SOICMOS具有极高的速度特性。
l功耗低-全耗尽SOI器件漏电流小,静态功耗小;
结电容与连线电容均很小,动态功耗小。
l集成密度高-SOI采用介质隔离,不需要制备体硅CMOS电路的阱等复杂隔离工艺,器件最小间隔仅取决于光刻和刻蚀技术的限制。
l成本低-SOI技术除了衬底材料成本高于硅材料外,其他成本均低于体硅。
SOICMOS的制造工艺比体硅至少少3块掩模板,减少1320%的工序。
l抗辐照特性好-全介质隔离结构,彻底消除体硅电路中的闩锁效应。
且具有极小的结面积,因此具有非常好的抗软失效,瞬时辐照和单粒子翻转能力。
l5概述3如何实现SOI?
SOI材料制造技术分类多晶/非晶单晶化硅单晶薄膜的沉积熔融再结晶(ZMR)固相外延(SPE)束致再结晶-激光或电子束区熔再结晶-石墨条加热或卤素灯单晶衬底的隔离氧离子注入形成SiO2埋层(SIMOX)硅片键合背面腐蚀法(BESOI)、智能剥离技术(Smart-cut)多孔硅氧化隔离法(FIPOS)选择外延横向生长法(ELO)异质外延法(SOS,SOZ,SOM等)6概述3如何实现SOI?
SOI技术列表(以大概发展时间为序)7概述SIMOXBESOISmart-cut应用8SIMOX2.1SIMOX工艺流程:
SIMOX(SeparatebyIMplantOxygen),又称注氧隔离技术。
此方法有两个关键步骤:
离子注入和退火。
在注入过程中,氧离子被注入圆片里,与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物。
然而注入对圆片造成相当大的损坏,而二氧化硅沉淀物的均匀性也不好。
随后进行的高温退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致。
这时圆片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性。
SisubstrateO+离子注入离子注入SOI材料材料高温退火高温退火9SIMOX2.2SIMOX机理:
形核长大熟化联合标准工艺参数标准工艺参数10SIMOX2.3过程参数影响p注入剂量:
控制埋氧层的厚度,提高注入剂量,埋氧层增加同时顶硅层厚度减小。
p注入能量:
控制离子注入的射程,从而影响顶层硅厚度。
另外研究表明,注入能量越高注入粒子分散程度越大,形成连续埋氧层所需剂量也越高。
p退火温度:
高温退火消除注入缺陷,消融顶层硅中氧沉淀,促使埋层形成。
p退火气氛:
惰性气氛通常加入少量氧,增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失。
p硅片温度:
影响注入过程缺陷形成,低温容易导致顶层硅的非晶化。
11SIMOX2.3过程参数影响p注入剂量:
0.225x1018cm-20.45x1018cm-20.675x1018cm-21.125x1018cm-21.135x1018cm-20.9x1018cm-21.575x1018cm-21.8x1018cm-2200keV/1325(16h)12SIMOX2.3过程参数影响p注入能量:
160keV130keV100keV4.5x1017cm-21300/5h13SIMOX2.3过程参数影响p退火温度:
未退火13501300120014SIMOX2.3过程参数影响p退火气氛:
埋氧层顶硅层埋氧层顶硅层纯ArAr+60%O2高温(650)130keV/9x1017cm-2+低温(30)130keV/1015cm-2+1300/5h15SIMOX2.3过程参数影响p硅片温度:
Theeffectofimplantationconditionsonmicrostructuralevolutioninoxygenimplantedsilicon16SIMOX2.4改进SIMOX材料质量的途径p选择合理靶片温度与退火温度选择合理靶片温度与退火温度研究结果表明当注入温度低于500时,材料缺陷密度较高要获得较高质量的材料,通常靶片温度选择在600700可以获得较高质量的顶层硅膜。
只有当退火温度高于1250时才能将顶层硅中的氧沉淀消融,并降低缺陷。
通常退火温度在1300,时间为56小时。
p多重注入和退火多重注入和退火高剂量离子注入会将缺陷和应力引入顶部硅层,实验表明把常规的一次注入和退火(如200keV/1.8x1018cm-2,1300+5h退火)变为三次注入和退火(200keV/0.6x1018cm-2,1300+5h退火,反复三次)可明显降低顶层硅缺陷。
17SIMOX2.4改进SIMOX材料质量的途径p选择合理的能量剂量窗口选择合理的能量剂量窗口18SIMOX2.4改进SIMOX材料质量的途径p低能量注入低能量注入近年来SIMOX材料研究已进入低能量低剂量注入时代,这样可以在薄的隐埋层上形成薄的顶硅层,该结构有以下优点:
l具有更好的抗总剂量辐射能力l直接形成薄的顶硅层,有利于薄膜器件的制造l注入时间短,降低成本,提高产量pITOX工艺工艺指低剂量注入后继以高温热氧化处理,增加隐埋氧化层质量19SIMOX2.5SIMOX技术历程1966年:
Watanabe和Tooi首次报道了利用注入氧离子在硅片体内形成埋氧层的方法,注入能量/剂量分别为60keV/1.5x1018cm-21978年:
NTT的Izumi等利用150keV/1.2x1018cm-2O+注入硅中,1150度退火2小时,得到表面下380nm处形成210nm厚的SiO2层。
并用5微米设计规则制备了19级CMOS环形振荡器。
1994年,NTT提出内热氧化工艺(ITOX,InternalThermalOXidation)1994年,Eaton-Sharp公司提出低能量低剂量SIMOX工艺1998年,IBM公司利用SOI技术研制出高速、低功耗、高可靠的微处理器芯片20SIMOX2.6SIMNI&
SIMON技术lSIMNI:
(SeparatebyIMplantNItrogen)注氮隔离技术,通过向硅中注入氮并退火形成Si3N4埋层的SOI结构。
lSIMON:
(SeparatebyIMplantOxygenandNitrogen)氧、氮共注入隔离技术。
21概述SIMOXBESOISmart-cut应用22BESOI3.1BESOI工艺流程:
通过在硅和二氧化硅或二氧化硅和二氧化硅之间使用键合技术,两个圆片能够紧密键合在一起,并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。
将键合圆片一侧通过腐蚀、研磨减薄到所要求的厚度后得以制成。
这个过程分三步来完成。
第一步第一步是在室温的环境下使一热氧化热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合;
第二步第二步是经过退火增强两个圆片的键合键合力度;
第三步第三步通过研磨、抛光及腐蚀来消薄消薄其中一个圆片到所要求的厚度。
硅片热氧化高温键合腐蚀减薄23BESOI3.2腐蚀减薄工艺通常采用两种基本的减薄技术:
粗磨后化学机械抛光后粗磨后背面选择腐蚀l研磨+抛光:
粗磨迅速减薄硅片,化学机械抛光进一步精确减薄硅层。
由于缺乏有效的腐蚀终止控制技术只能获得相当厚的顶部硅膜l背面选择腐蚀技术:
预粗磨之后采用有腐蚀终点指示的化学腐蚀方法,腐蚀终止是采用在上层硅片上层硅片下表面下表面建立杂质浓度梯度实现的。
如采用重掺衬底P+,在其上生长轻掺的N或P外延层,腐蚀剂选用具有较强择优腐蚀性的试剂。
HNA(HF:
HNO3:
CH3COOH=1:
3:
8)去除重掺衬底P+,腐蚀选择性优于10000:
1。
24BESOI3.3键合原理l第一阶段,羟基(OH)之间的氢键键合清水处理后的硅片表面有大量羟基基团,300以下,温度越高氢键强度越大,面积越大l第二阶段,硅氧键(Si-O-Si)取代氢键该阶段约为400左右,反应过程中有水蒸气生成,则键合界面会出现空洞称为“本征空洞”l第三阶段,水蒸气进一步将硅氧化,本征空洞消失,生成的H扩散出体内。
该阶段温度为8001100Si-OH+OH-Si=Si-O-Si+H2O25概述SIMOXBESOISmart-cut应用26Smart-cut4.1Smart-cut工艺流程:
第一步第一步是在室温的环境下使一圆片热氧化热氧化,并注入注入一定剂量H+。
第二步第二步常温下与另一非氧化圆片键合;
第三步第三步低温退火低温退火使注入氢离子形成气泡令硅片剥离,剥离,后高温退火高温退火增强两圆片的键合键合力度;
第四步第四步硅片表面平坦化平坦化。
2.硅片键合3.低温剥离+高温键合4.平坦化1.注入氢离子H+硅片B硅片A27Smart-cut4.2Smart-cut技术优点lH+注入剂量为1016cm-2,比SIMOX低两个数量级,可采用普通的离子注入机完成。
l埋氧层由热氧化形成,具有良好的Si/SiO2界面,同时氧化层质量较高。
l剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。
Smart-cut技术已成为SOI材料制备技术中最具竞争力、最具发展前途的一种技术。
自1995年开发该技术以来,已得到飞速发展,法国SOITEC公司已经能够提供Smart-cut技术制备的商用SOI硅片,并拥有其专利28概述SIMOXBESOISmart-cut应用29应用Fig.1来自SOITEC,全球300mmSOI硅片使用商Fig.2IBM90nm器件XTEM照片,使用SOI衬底,CoSi2自对准工艺等先进技术。
Fig.32003年度AMD公司PC处理器发展路线图30应用3132
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