制作方法和应用：SOI衬底

SOI衬底自20世纪90年代以来，广泛用于功率集成电路（PIC）。第6章中已经介绍了SOI基的功率器件和功率集成电路。本节主要介绍SOI衬底的制作方法。

1.SOI衬底的特点

SOI衬底采用三明治结构，根据顶层硅膜的厚度和掺杂浓度不同，可分为厚膜SOI材料和薄膜SOI材料^[5]。厚膜SOI材料是指顶层硅膜厚度大于2X_dmax（X_dmax为最大耗尽区宽度），可达几十微米，正面、背面耗尽区之间不相互影响；薄膜SOI材料是指硅膜厚度小于X_dmax，只有几个微米甚至更小（0.25μm），硅膜可全部耗尽而不取决于背栅电压。中等膜厚SOI材料是处于厚膜和薄膜之间的SOI材料，其膜厚和掺杂将对SOI器件击穿电压产生影响。

在PIC中，采用SOI材料与体硅材料相比，有以下特点：一是可以有效地实现高、低压器件之间的隔离，彻底消除电干扰，简化器件设计，便于集成不同的电路和器件；二是可用于制作耗尽型器件，漏电流小，栅压对漏电流的控制能力强，亚阈值斜率较小，可获得更好的频率特性；三是可用于制作在辐射、高温、低温等恶劣环境中工作的器件；四是SOI基PIC的隔离区面积小，可以节约芯片面积，减小寄生电容。

2.SOI衬底制备方法

SOI衬底的制备有多种方法，见表8-1^[6]。它包括多晶硅或非晶硅的单晶化法、单晶衬底分离法及单晶硅薄膜淀积法。其中，常用的方法是单晶衬底分离法，包括注氧隔离（Separation-by-Implantation of Oxygen，SIMOX）技术^[7]、多孔硅氧化全隔离（Full Isolation by Porous Oxidized Silicon，FIPOS）技术^[8]及硅-硅直接键合（SDB）技术^[9]。(www.xing528.com)

（1）注氧隔离（SIMOX）技术 是用能量为（150～200）keV、剂量为1.8×10¹⁸cm^-2的O⁺注入到硅衬底中，在1300℃高温以上经5～6h退火后，在硅表面以下形成几百纳米的埋氧层，从而形成有三层结构的SOI材料。与注氧退火形成埋氧层一样，也可以进行注氮隔离（SIMNI），即用能量为（160～200）keV、剂量为1.1×10¹⁸cm^-2的氮离子（N⁺）注入到硅衬底中，经退火形成绝缘层为氮化硅（Si₃N₄）的SOI结构。

表8-1 SOI衬底材料的制造技术

（2）多孔硅氧化全隔离（FIPOS）技术 是在多孔硅（指内部含有许多空洞的单晶硅）上先生长常规的单晶硅；然后通过腐蚀顶层硅达到多孔硅层，再对隐埋的多孔硅层进行等厚的阳极氧化而形成埋氧层。该技术需要用分子束外延（MBE）或等离子体化学气相淀积（PECVD）来精确控制单晶硅膜的生长，成本较高，现已用于大规模集成电路及薄膜SOI基器件的制备。

（3）硅-硅直接键合（SDB）技术 是指将两片已经生长氧化膜的硅片进行键合，然后通过抛光和腐蚀进行减薄，从而形成SOI衬底材料。与前两种制备方法相比，采用SDB技术制备的SOI材料有很多优点：一是工艺简单，不需要大型的复杂设备，故成本低，适合大规模生产和应用；二是埋氧层是由热氧化生成的，厚度和质量好，不会出现针孔现象；三是顶层硅是原单晶硅片的一部分，缺陷密度小，质量高，且厚度由减薄和抛光工艺决定。所以，完全适用于SOI基PIC的制作。关于硅-硅直接键合技术的原理与方法将在8.4节中详细介绍。