4）外延层转移
1. 将硅片进行阳极氧化形成多孔硅层 2. 外延和热氧化，在多孔硅上外延生长单晶硅层，再在其
上形成氧化层 3. 键合，将器件片与支撑片键合，然后进行减薄和在氢气
气氛中退火提高键合强度 外延生长SOI层，层厚度易于控制，厚度均匀性较好，并
减少晶体中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率。
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2 020年1 0月21 日星期 三10时2 7分39 秒22:27: 3921 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午10时2 7分39 秒下午1 0时27 分22:27: 3920.1 0.21
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10. 2120.1 0.2122: 2722:27 :3922:2 7:39Oct-20
9. 可利用SOI器件制作三维集成电路
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
第八章 半导体电子材料
8.1 材料优值的概念
某类器件究竟采用哪种材料更合适？
材料的某些基本性质决定的材料优值，并 用此材料优值来定量比较
常用的几种材料优值
约翰逊优值 凯斯优值 巴利加优值 高频器件用材料优值 热性能优值
8.1.1 约翰逊优值
J ( EbVs )2
最大输出功率：电压 最高工作频率：载流子的速度 结电容一定时，功率和频率的乘积为常数
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 10.2122 :27:392 2:27Oct-2021- Oct-20
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。22: 27:3922 :27:392 2:27Wednesday, October 21, 2020
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2120.1 0.2122: 27:3922 :27:39 October 21, 2020
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 要课题。
SOI器件具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
随着信息技术的飞速发展，SOI技术在高速微电子 器件、低压/低功耗器件、抗辐照电路、高温电子 器件、微机械（MEMS）以及光通信器件等主流 商用信息技术领域的优势逐渐凸现，被国际上公 认为是“二十一世纪的微电子技术”、“新一代 硅”。
SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘 硅
世界项级半导体厂商IBM，英特尔、TI、飞思卡 尔、飞利浦、AMD、台积电和三菱等先后采用 SOI技术生产各种SOI IC。
为此，SOI市场发展迅速。
8.6.1 SOI结构
SOI中“工程化的”基板由以下三层构成：
（1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路
（2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层
（3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是 为上面的两层提供机械支撑。
8.4 非晶硅的优点
非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝 化膜材料之一
对活性半导体表面进行钝化对提供器件性 能、增强器件和电路的稳定性、可靠性； 提高其封装成品率等有重要作用
能带模型
短程有序－－基本能带 长程无序－－定域态带尾 悬挂键－－带隙中间形成隙态
非晶硅钝化机理和特点
非晶硅Si:H膜致密性好，对水气和碱金属离 子等有很好的掩蔽作用
450
InP 闪锌矿 1.35 6.9×107 5400 150
InN 纤锌矿 2.05
4400
AlN 纤锌矿 6.24
300
14
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2120 .10.21 Wednesd ay, October 21, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。2 2:27:39 22:27:3 922:27 10/21/ 2020 10:27:39 PM
随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件 的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提 升、闩锁效应和短沟道效应等。
为了克服这些问题，SOI技术应运而生。 作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两
层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工 艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。 S晶iO体2埋管层门能电有路效，地不使让电多子余从的一电个子晶渗体漏管到门硅电晶路圆流上到。另一个
1）注氧隔离
注氧隔离技术是将氧离子注入硅中再经 高温退火形成掩埋SiO2层
O+
SiO2
Si
Si
注氧隔离法是采用大束流专用氧离子注入机把氧离子注入 到硅晶圆中，注入剂量约为1018/cm2，然后在惰性气体中 进行≥1300℃高温退火5h，从而在硅晶圆顶部形成厚度均 匀的极薄表面硅层和Si02埋层。
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
SOI材料的分类
Si/绝缘体结构
Si/SiO2/Si结构
硅 绝缘体
硅 SiO2 硅衬底
SOI材料的特点
1. Si有源层与衬底之间有介电绝缘层的隔离， 消除了体硅CMOS闩锁效应
2. 易于制备出使有源层完全耗尽的超薄SOI 层
3. 由于漏结面积减少，SOI器件中漏电流比 体硅器件减少2~3个数量级
容易截断或者解理硅晶体
硅表面上很容易制备高质量的介电层－－ SiO2
8.3 多晶硅的优点
多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移 率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备 的优点
重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、 浮栅、电极等
轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的 负载电阻和其他电阻器
多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的载 流子迁移率、更快的开关速度、更高的电 流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年10 月21日 星期三1 0时27 分39秒 Wednesd ay, October 21, 2020
相信相信得力量。20.10.212020年10月 21日星 期三10 时27分 39秒20 .10.21
闩锁效应，又称寄生PNPN效应
CMOS管的下面会构成多个三极管, 这些三极管自身就可能 构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。
如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件, 这个寄生 的电路就会极大的影响正常电路的运作, 会使原本的MOS电 路承受比正常工作大得多尺寸越小
金刚石 30.77
8.1.3 巴利加优值
评价材料用于大功率开关器件的潜力
B Eb3
巴利加优值越大，器件功率越大 GaN 385.8
8.1.4 高频器件用材料优值
器件的最小功耗
RonCin
1
Eb2
第四材料优值F4为材料的高频器件优值
F4 Eb2
智能剥离示意图
氢离子注入
Si SiO2
Si
Si Si 键合
从气泡层剥离 SiO2 Si 热处理
智能剥离法是利用中等剂量氧离子注入，在一个 硅晶圆中形成气流层，然后在低温下与另一个硅 晶圆（SiO2/Si）键合，再进行热处理使注氢的硅 晶圆片从气流层剥离出来，最后经CMP使硅表面 层光滑。
该方法的优点是硅薄层缺陷密度低，硅薄层和Si02 埋层厚度也易控制。该方法的领引厂商是法国 Soitec公司，该公司能量产φ200/φ300mmSOI晶圆， 能提供各种硅薄层和SiO2埋层厚度的SOI晶圆，主 要有3个品种，PD（部分耗尽）、FD（全部耗尽） 和UT（超薄）UHIBOND。
8.2 硅材料的优点
资源丰富、易于提高到极纯的纯度 较易生长出大直径无位错单晶 易于对进行可控n型和p型掺杂 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅
和非晶硅薄膜材料
易于进行腐蚀加工 带隙大小适中 硅有相当好的力学性能 硅本身是一种稳定的绿色材料
可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低 阻欧姆接触
外延层转移示意图
阳极氧化 多孔硅
外延
单晶硅
减薄
热氧化 键合
SiO2
腐蚀 氢气退火
8.7 化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
该方法的优点是硅薄层和SiO2埋层的厚度可精确控制，其 缺点是由于氧注入会引起对硅晶格的破坏，导致硅薄层缺 陷密度较高。