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【IC设计】SOI生成方式演进,这项技术呼声最高

来源:拓墣产业研究院    原作者:王尊民    

由于半导体发展趋势,在相同晶圆面积下填入更多晶体管,势必使线宽逐渐微缩,但尺寸微缩却有限制,其闸极线宽极限约在3~5nm间(线宽愈小则电阻值愈大),使得科学家试图找寻在不微缩线宽尺寸下,如何以相同的制程方式提升元件效率,突破摩尔定律限制,而SOI(Silicon on Insulator)硅晶绝缘体技术,即为解决方法之一。

所谓SOI技术是由Si晶圆透过特殊氧化反应,使氧化层(Buried Oxide)形成于Si层与Si晶圆间,最终产生Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate结构,由于SOI的半导体特性(低功耗、高性价比与低制造周期等),使得元件拥有取代线宽较大(16-12nm)之FinFET结构优势。

磊晶技术发展,无助于SOI生成上之演进

SOI的发展脉络可追朔至1960年中后期,由于半导体为了追求适当的绝缘材料作为基板,逐渐开发出以蓝宝石基板为基础而成长的Si磊晶层SOS(Silicon on Sapphire)技术,为SOI原型,但由于蓝宝石基板价格昂贵,目前已较无人使用此技术。

另一方面,日商Canon也于2000年初,针对SOI技术开发ELTRAN(Epitaxial Layer TRANsfer)成长方法,虽然SOI最上层之Si层材料可由磊晶方式成长,且条件易于控制,但整套流程需经阳极氧化(形成多孔性Si层)、磊晶、高温氧化、键结、分离蚀刻与氢气退火等步骤,过程十分繁琐,因而这项技术最后也无疾而终。

若以现阶段SOI生成技术评估,主要可分为离子布植及晶圆接合等方式进行,相关技术有以下几种:SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)、BESOI(Bond and Etch-back SOI)与Smart-Cut等,作为后续供应现行SOI晶圆之方法。

三大SOI生成方法,以Smart-Cut技术独步群雄

以SIMOX技术为例,成长SOI方法主要透过离子布植机,将大量氧离子(O+ ions)打入Si晶圆前缘部分,再透过高温退火(1,300℃)使其产生氧化层,最终形成Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate结构。

该技术制作的SOI虽较容易,但由于氧离子于离子布植时,难以穿透Si晶圆达到深处,使得Si层只有约50~240nm厚度,因此后续还需经由磊晶成长方式,使Si层厚度增加,达到SOI元件所需的要求。

BESOI成长方式是先透过两片Si晶圆,经高温氧化后形成两片表面氧化层的结构(SiO2/Si Substrate),再将两片氧化层相互接合并加热(1,100℃),使其产生键结与退火,最终经CMP研磨后形成Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate结构。尽管Si层的厚度已较SIMOX技术相对好控制,但两片氧化层接合之键结良率,仍是SOI晶圆产能的决定关键,需大量时间研磨除去多余Si层。

而Smart-Cut技术则为法国SOITEC开发的方法,可有效加速SOI制作速率。Smart-Cut前半部分将如BESOI技术一般,先将两片Si晶圆经高温氧化形成表面氧化层,然后将其中一片的氧化层以离子布植机打入大量氢离子(H+),随后再将两片氧化层以亲水性链结(Hydrophilic Bonding)方式相互接合,并加热至400~600℃使氢离子层产生断裂,分离多余的Si层,最终经退火(1,100℃)与CMP研磨后,形成Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate结构。

借由Smart-Cut方法,确实有效缩减CMP研磨时间(经氢离子层断裂后留下之Si层变薄的缘故),但两片氧化层的接合键结良率仍是SOI决定要素,尽管如此,Smart-Cut还是能大幅提高SOI晶圆的生成速率,有效降低SOI晶圆成本,并得以驱使现行的光通讯元件、物联网与车用芯片领域加速发展。

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