第2章_第4讲_寄生效应与SOI工艺

题目(中) SOI的简介及其制备技术(英) The introduction and preparation technology SOI姓名与学号指导教师 _年级与专业所在学院SOI的简介及其制备技术[摘要]SOI材料被誉为“二十一世纪硅集成电路技术”的基础，他可以消除或者减轻体硅中的体效应、寄生效应以及小尺寸效应等，在超大规模集成电路、光电子等领域有广阔的应用前景。

介绍了主要隔离、智能隔离、硅片玻璃以及外延层转移等集中主要的制备SOI材料的方法以及近期相关的研究成果。

本文将以初学者为对象，简单地介绍SOI极其制备技术。

[关键词] SOI 硅材料多孔硅多晶硅键合技术[正文]SOI简介SOI，全称：Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，也称为绝缘体上的硅。

SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，是一种具有独特的“Si／绝缘层／Si”三层结构的新型硅基半导体材料。

它通过绝缘埋层（通常）实现了器件和衬底的全介质隔离。

为SiO2下面就SOI的发展、优点、分类以及发展前景进行简单介绍。

虽然SOI技术出现了很久，但是取得突破性进展是在20世纪80年代后期。

以SOI材料具有了体硅等其他硅材料所无法比拟的优点：1）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SOI CMOS 具有极高的速度特性。

2）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。

3）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。

4）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。

SOI CMOS 的制造工艺比体硅至少少3块掩模板，减少13~20%的工序。

5）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。

题目(中) SOI的简介及其制备技术(英) The introduction and preparation technology SOI姓名与学号指导教师 _年级与专业所在学院SOI的简介及其制备技术[摘要]SOI材料被誉为“二十一世纪硅集成电路技术”的基础，他可以消除或者减轻体硅中的体效应、寄生效应以及小尺寸效应等，在超大规模集成电路、光电子等领域有广阔的应用前景。

介绍了主要隔离、智能隔离、硅片玻璃以及外延层转移等集中主要的制备SOI材料的方法以及近期相关的研究成果。

本文将以初学者为对象，简单地介绍SOI极其制备技术。

[关键词] SOI 硅材料多孔硅多晶硅键合技术[正文]SOI简介SOI，全称：Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，也称为绝缘体上的硅。

SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，是一种具有独特的“Si／绝缘层／Si”三层结构的新型硅基半导体材料。

它通过绝缘埋层（通常）实现了器件和衬底的全介质隔离。

为SiO2下面就SOI的发展、优点、分类以及发展前景进行简单介绍。

虽然SOI技术出现了很久，但是取得突破性进展是在20世纪80年代后期。

以SOI材料具有了体硅等其他硅材料所无法比拟的优点：1）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SOI CMOS 具有极高的速度特性。

2）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。

3）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。

4）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。

SOI CMOS 的制造工艺比体硅至少少3块掩模板，减少13~20%的工序。

5）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。

SOI技术原理与应用1. SOI技术简介SOI是指绝缘层上的硅，SOI材料研究已有20多年的历史，发展了多种SOI 圆片制造技术，其中包括Bonding、激光再结晶、注氧隔离（SIMOX, Separation by Implanted Oxygen）、智能剥离（Smart-cut）以及最近发展起来的等离子浸没式离子注入技术（PIII）。

注氧隔离是目前最成熟的SOI制造技术，也是目前研究最多的SOI材料。

SOI (Silicon-On-Insulator)是一种用于集成电路制造的新型原材料，替代目前大量应用的体硅(Bulk Silicon) 。

SOI有三层组成，表面是一层薄薄的单晶硅(Top Silicon, 从200埃到几微米，取决与不同的应用) ，用于制造器件；下面是一层依托在体硅上的绝缘材料(见图一)。

这种绝缘体材料和硅自然是越接近越好，所以绝缘层通常用二氧化硅制造，称为氧化埋层（BOX，Buried Oxide ，大约1000-4000埃）。

SOI材料具有体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、拓宽器件工作温度范围，工艺简单、提高抗辐射性能、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，被国际上公认为是“二十一世纪的微电子技术”和“新一代硅”，将成为今后集成电路制造的主流技术。

图1 体硅和SOI材料2．SOI材料器件结构和特点我们从一个CMOS反相器剖面图来看一下SOI器件的特点，图2和图3是体硅和SOI 上的CMOS器件的剖面图，CMOS集成电路的核心是由一对互补的MOS晶体管连接组成的反相器，在体硅圆片上，MOS晶体管被制造在一对掺杂的N阱和P阱上；在SOI圆片上，MOS晶体管直接制造在顶层硅上，被BOX 隔离。

图2 CMOS inverter on Bulk图3 CMOS Inverter On SOIMOS晶体管从源极到漏极的电流受栅极电压的控制，对于体硅上制造的MOS 晶体管，在信号转换时源极和漏极周围的区域的局部电荷必需耗尽，转换速度下降。

SOI及其制备工艺2023-11-11•SOI简介•SOI制备工艺概述•SOI制备主要方法•SOI制备工艺比较与优化•SOI的应用和展望•SOI制备工艺案例分析01 SOI简介SOI的起源和发展SOI（Silicon-On-Insulator）技术起源于20世纪80年代，是一种在半导体衬底上生长硅单晶层的技术。

它最初是为了解决集成电路中互连线的寄生效应和器件隔离问题而提出的。

随着技术的发展，SOI在微电子、光电子、MEMS等领域的应用逐渐广泛。

在发展初期，SOI主要采用离子注入法、热氧化法等工艺。

随着技术的进步，为了提高生产效率和降低成本，人们开始采用更为先进的工艺，如外延生长法、化学气相沉积（CVD）等。

近年来，随着三维集成技术的兴起，SOI在三维集成中的应用也变得越来越重要。

SOI的基本结构和特点SOI的基本结构和特点SOI具有以下特点隔离性能好：由于中间氧化层的存在，SOI器件之间几乎无耦合和寄生效应，性能更稳定。

高速度、低功耗：由于顶层硅单晶层的电阻率较低，且无晶格失配等问题，SOI器件具有高速度、低功耗等优势。

抗辐射性能好可实现三维集成SOI的基本结构和特点•SOI技术广泛应用于微电子、光电子、MEMS等领域。

在微电子领域，SOI已成为高可靠、高性能集成电路的重要支撑技术之一，如CPU、FPGA、ASIC等。

在光电子领域，SOI可应用于光波导器件、光调制器等。

在MEMS领域，SOI可应用于微机械结构、微流体等。

此外，SOI技术还可应用于传感器、执行器等物联网器件中。

SOI的应用领域02SOI制备工艺概述硅片的制备化学气相沉积(CVD)外延法结晶法用干燥的氧气在高温下氧化硅片表面。

湿法氧化用湿的化学物质在高温下氧化硅片表面。

CVD法外延法干法剥离湿法剥离剥离工艺03SOI制备主要方法注氧隔离（SIMOX）工艺030201智能剥离（Smart Cut）工艺悬空薄膜（HARP）工艺材料制备的SOI芯片质量较高，可实现动态调制，且剥离后表面质量较好。

soi工艺技术fsSOI(Silicon on Insulator)工艺技术是一种在硅基片上形成有绝缘层的技术。

SOI工艺技术的主要优势是降低功耗，提高性能和可靠性。

该技术在半导体行业中得到广泛应用，特别是用于高速、低功耗的集成电路设计和制造。

本文将对SOI工艺技术进行详细介绍。

SOI工艺技术通过在硅基片上引入绝缘层来改善晶体管的性能。

绝缘层的存在可以降低晶体管之间的串扰效应，减少漏电流以及耗散功率。

同时，绝缘层还可以提供更好的隔离性能，降低模拟和数字电路之间的互相干扰。

SOI技术还可以减小抖动和时钟抖动，提高传输速率。

SOI工艺技术有几种不同的实现方式，包括SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen)、ELTRAN (Epitaxial Layer Thin film RESurfacing), Unibond和Smart Cut。

SIMOX是最早开发成功的SOI技术，通过将氧离子注入到硅基片中并进行高温热处理，使氧离子形成氧化层，形成绝缘层。

ELTRAN则是在硅基片上生长薄硅层，通过化学机械抛光将外部的氧化硅层去除，剩下的薄硅层就成为绝缘层。

Unibond是将两个硅基片通过化学键合技术结合在一起，并加工使其中一个基片上的硅层变薄，成为绝缘层。

Smart Cut则是通过加热暴露在离子注入过程中形成的氧化层，使其产生应力而发生剥离，从而形成绝缘层。

SOI工艺技术的应用非常广泛。

在移动设备领域，SOI技术可以提供低功耗、高集成度的芯片解决方案。

此外，SOI技术还可以应用于射频电路、高速通信、模拟电路以及光电子器件等领域。

SOI技术的快速晶体管、高集成度和低耗散功率使其成为新一代芯片设计和制造的理想选择。

然而，SOI技术也有一些挑战和局限性。

首先，SOI工艺技术的成本相对较高，制造过程更加复杂。

其次，SOI技术对杂质的敏感度较高，对晶体管特性和可靠性产生影响。

代 号 学号 密级 10701 公开TN4 1017422039 分类号题 (中、英文) 目作 者 姓 名学 科 门 类提交论文日期西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。

本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。

学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。

(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：日期导师签名：日期摘要摘 要随着空间技术和集成电路技术的不断发展，辐照环境中的集成电路可靠性越来越受到重视。

SOI器件由于采用了全介质隔离，完全消除了体硅器件的闩锁效应，在抗辐照方面也有很好的特性。

本论文主要进行了SOI器件的总剂量辐照效应实验研究和单粒子效应的仿真分析。

本文首先研究了SOI器件低剂量率γ射线的总剂量效应，分析了剂量率和偏置条件等对器件转移特性曲线的影响，辐照对SOI器件kink效应的影响以及界面态对PMOS亚阈值斜率和跨导的影响。

实验结果表明，相同总剂量下，低剂量率的辐射效应严重；在沟道长度为0.8μm的器件中出现了亚阈值的kink现象，这是由于背栅晶体管的开启引起的；关态偏置的阈值电压漂移大于开态偏置，并且这种差别随着沟道长度的减小而逐渐加大。