1. SDB&BE
将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再 把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构 该技术是利用范德华力，将两片经抛光、氧 化和亲水处理后的硅片，在超净环境中进行 高温键合．形成S0I结构．随后将S0I片的一 面进行化学腐蚀、电化学腐蚀、化学机械抛 光等处理进行减薄
当两个平坦的具有亲水性表面的硅片（如被氧 化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下 亦会自然的发生键合。
SOI材料其他制备技术
熔化横向生长 CVD横向过生长（选择性沉积） ELO（Epitaxial lateral Overgrowth） 实现选择性生长的工艺
硅基半导体
SiGe/Si SiC/Si GaN/Si MBE UHV-CVD
5-5-2 SOI技术
SOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧 化硅）上，通过特殊工艺，再附着非常薄的一层 硅，在这层SOI层之上再制造电子器件。 此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快，提 高数字电路的开关 速度。SOI与传统的半导体生 产工艺（一般称为bulk CMOS）相比可使CPU的性 能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。 SOI技术是IBM公司首先开发成功的芯片制造技术 在1998年研制成功， 于2000年正式应用于其 PowerPC RS64IV芯片上的半导体制造技术。
SIMOX材料：
• 最新趋势是采用较小的氧注入剂量
显著改善顶部硅层的质量 降低SIMOX材料的成本 低注入剂量(~ 41017/cm2)的埋氧厚度薄： 800～1000Å 制备大面积(300mm)SIMOX材料困难
智能剥离（Smart—Cut）技术
Smart—Cut技术的原理是利用H+注入Si片中 形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合 (两个硅片之间至少一片的表面要有S10，绝 缘层) 经适当的热处理，使注氢片从气泡层完 整剥离 形成SO I结构，该结构包括三个工艺 步骤；(1)氢离子注入：(2)两硅片的键合：(3) 键合片再经过两步热处理，形成S0I片
5－5－1
SOS 技术
蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作 为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除 集成电路元器件之间的相互作用，不但可以 减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和 降低功耗，还可以提高集成度和双层布线， 是大规模、超大规模集成电路的理想材料。
SOS外延生长
衬底表面的反应：AL2O3+2HCl+H2=2ALCl↑+3H2O 2H2+Al2O3=Al2O ↑ +2H2O 5Si＋2Al2O3=AL2O ↑ ＋5SiO ↑ +2Al 带来的问题：自掺杂效应(引入O和Al) 衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷，甚至局部长成多 晶 SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4,所以SOS外延生长，采用 SiH4热分解法更有利。
SOI技术的诞生背景
近年来， 以笔记本电脑、蜂窝电话、微型通信 设备等为代表的便携式系统发展迅猛。 它们一 般都由高度集成的电子器件组成，且多使用干 电池或太阳能电池作为电源。因此．对于制造 电子器件的材料和性能的要求也越来越高，不 仅要能够实现高度集成，而且要满足高速、低 压、低功耗的要求。体硅CMOS技术在这些方 面都明显不能满足要求。
Smart—Cut工艺优点
(a)硅层厚度由注入的H+的范围（能量）精确定 义；(b) 晶片分裂易于把薄层 (≈1 mm)从一块晶 片上转移到另一晶片上，而且分裂晶片可以循环 使用。通常包括注入5 ×1016 H+ cm-2至二氧化 硅覆盖的晶片中，能量为5 ～70 keV。 键合之后，进行两步热处理：首先在大约500℃ 退火，使得硅膜和整块晶片分 开；随后在大约 1100℃进行第二次热处理以加强转移层和基片 之间的结合强度；然后稍微对表面进行化学机械 抛光，去掉残留损伤，为器件制备提供光滑表面。
在室温下实现的键合通常不牢固，所以键合后 还要进行退火，键合的强度随退火温度的升高 而增加。
键合后采用机械研磨或化学抛光的方法， 将器件层的硅片减薄到预定厚度。
SDB
BE
SDB&BE技术
优点： • 硅膜质量高 • 埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整 • 适合于大功率器件及MEMS技术 缺点： • 硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍 • 键合要用两片体硅片制成一片SOI衬底，成本 至少是体硅的两倍
O+
O+
•SIMOX技术优点： 制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度 控制在50～400nm的范围。
缺点：但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要 经过高温退火过程，所以制备成本很高，价格非常贵。
采用SIMOX技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此， 人们采用在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层 硅，即所谓的ESIMOX（Epitaxy SIMOX）技术。但是 厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此SIMOX技术通 常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。
在衬底尚未被Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行
为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用 双速率生长和两步外延等外延生长方法。
双速率生长：先用高的生长速率(1～2um/min), 迅速将衬底表面覆盖(生长100～200nm)。然后 再以低的生长速率(约0.3um/min)长到所需求的 厚度。 两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个 体系的优点。即第一部用SiH4/H2体系迅覆盖 衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着 生长到所要求的厚度。
SIMOX技术主要包括三个工艺步骤：
(1)氧离子注入。典型的注人剂量约为1×10 17 cm-2～2×1018 cm-2,氧离子能量在50 keV到 200 keV 之间.用以在硅表层下产生一个高浓 度的注氧层 (2)进行高温退火以消除晶体缺陷并且注入的氧 再分布以形成均一、符合化学剂量比的SiO2 埋层和原子级的陡直Si/ SiO2界面。 (3)硅膜外延 如果需要加厚表面硅层 则需要在 硅上外延一定厚度的硅膜
4.ELTRAN
ELTRAN 技 术 (Epitaxial Layer Transfer)外延层转移，独特之处在于在多孔 硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理 的速率将多孔硅区域彻底刻蚀掉 ，该技术保 留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形 成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具 有比其它SOI技术更为优越的性能。
SOI材料其他制备技术
熔化横向生长 CVD横向生长（选择性沉积） 实现选择性生长的工艺
硅基半导体
SiGe/Si SiC/Si GaN/Si MBE UHV-CVD
以上4种制备SOI材料的方法各有所长，用户可以根据不同 的材料要求，选择不同的制备方法。 SDB法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于 硅片减薄技术的进展。早期该技术只能制备厚硅层材料， 后来随着BE Bonding技术和CMP（Chemical Mechanical Polishing）技术的发展，也可以用于制备极薄的顶层硅 （0.1μm ）。 而 SIMOX 法 由 于 氧 注 入 条 件 的 限 制 ， 只 能 制 取 薄 硅 层 （0.1～0.4μm）和薄埋氧层（0.1～0.4μm）材料。要获 得厚的硅层，必须再进行外延，即采用ESIMOX法。 而Smart Cut法由于采用了键合工艺，则最适用于制备薄 硅层（0.1～1μm）和厚埋氧层材料。 ELTRAN法的适用范围最宽，可根据用户要求，提供从几十 纳米到几十微米的硅层和埋氧层。
外延工艺顺序
1. 把干净的硅片装入反应室 2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空） 3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层（该 步骤能去除50-100A的SiO2层） 4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6)以刻蚀 表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质和HCl 5. a)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉积所 要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂 6. 冷却到室温 7. 吹走氢气并重新充入氮气 8. 取出硅片
5-5 硅的异质外延Heteroepitaxy
在蓝宝石（α－AI2O3） 、尖晶石(MgO. AI2O3) 衬底上外延生长硅 SOS :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。 SOI: Silicon on Insulator Semiconductor On insulator 其他硅基材料GeSi/Si
SOI材料可实现完全的介质隔离．与有P—N结 隔离的体硅相比，具有高速率、低功耗、集成 度高、耐高温等特点， IBM公司的研究表明：SOI电路与传统的体硅电 路相比，功耗可降低2／ 3，在1V的电压下可在 GHz的范围内工作，使用SOI CMOS可将体硅 CMOS工艺极限推至0 .1um，并能在工艺设计 上实现三维多功能集成，特别适合应用于制造 超大规模集成电路(ULSI)。因此S0I技术已成为 解决便携式系统“高度集成”、“功耗危机” 的关键技术，被称为“21世纪的微电子技术”
SOI技术的挑战
1、SOI材料是SOI技术的基础
• SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料 是SOI技术发展的主要障碍之一 • 这个障碍目前正被逐渐清除 • SOI材料制备
目前最常用的方法：
SDB
SIMOX
Smart-Cut
ELTRAN
SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合与背 面腐蚀BE（Back Etching）技术 SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧 注入隔离 Smart Cut智能切割 ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延层转 移
SOS 技术的缺点及需要解决的问题