摘要：SOI絕緣體上硅技術作為一種全介質隔離技術，有著許多體硅器件不可比擬的優勢，如低功耗（泄漏電流小）、速度快（寄生電容小）、抗干擾強、集成密度高（隔離面積小）等特點。經過幾十年的發展，SOI絕緣體上硅材料的制備技術，直接鍵合和智能剝離技術成為現階段的主流技術。SOI絕緣體上硅元器件的特征尺寸，由1μm跨越到12nm，得到廣泛應用，涵蓋射頻、汽車電子、電源管理等領域。雖然由于歷史原因以及SOI絕緣體上硅技術本身的一些限制，導致SOI技術沒有完全超越傳統體硅技術。分析SOI絕緣體上硅技術的發展歷史、材料制備、技術應用、面臨的挑戰及未來趨勢。

1     引言

       1947年AT&T貝爾實驗室的科學家JohnBardeen、WalterBrattain以及WilliamShockley發明世界上第一個半導體晶體管，70多年來，半導體集成電路得到快速發展。特別是自1960年代開始，芯片上的元器件數目幾乎每12個月就增加一倍，2000年后，半導體集成電路工業發展到了納米（nm）時代。隨著集成電路特征尺寸的逐步縮小到亞納米100nm范圍，在材料、器件結構、工藝以及可靠性等方面出現了一系列新的問題。主要問題包括熱載流子效應、短溝道效應、體硅器件的閂鎖效應、功耗、寄生電阻、電容增加等等。

       為解決這些問題，大量的科研人員進行了大量創新，開發了很多新的技術，如深溝槽隔離技術、HALO結構、應變硅技術、HighK材料、LowK材料等等。在眾多的新結構器件技術中，絕緣體上硅（SOI:SilicononInsulator）技術以其獨特的結構有效地克服了體硅集成電路的很多不足，充分發揮了體硅集成電路技術的優勢，特別是在提高開關速度、減少寄生效應等方面。SOI絕緣體上硅技術正逐步成為制造高集成度、高速度、低功耗、高可靠性超大規模集成電路的主流技術[1-5]。

       本文就SOI絕緣體上硅技術的發展歷史、主要技術及應用、問題與挑戰以及將來趨勢做出整理和分析。

2     SOI結構

       SOI有兩種基本結構，一種是硅-絕緣層型的傳SOI絕緣體上硅結構，如圖1（a）所示；另一種是硅-絕緣層-硅三明治型的新型SOI結構，如圖1（b）所示。兩種基本結構的主要差別是襯底類型不同。

圖1 兩種基本SOI結構的剖面圖

       第一種結構中，最熟悉的例子是藍寶石上外延硅（SOS:SilicononSapphire）,該結構是在藍寶石單晶作為襯底，在上面進行外延生長一層單晶硅的薄膜，然后在制作相應的器件。SOS結構是由Manasevit和Simpson[6]在1963和1964年間做出。這種結構能提供理想的隔離，并減小PN結底部的寄生電容，適合于制作高速大規模集成電路，實現高速和低功耗。一般多采用這種工藝制作CMOS電路（互補金屬-氧化物-半導體集成電路），即CMOS/SOS電路。SOS是一種異質外延結構，硅膜的缺陷密度較大，因而少數載流子壽命較短（1～10ns）,不適于制作雙極器件和電荷耦合器件。

       第二種結構中，絕緣層（如SiO2）位于硅襯底上，在絕緣層上面再由一層單晶硅薄層，形成硅襯底-絕緣層-單晶硅組成的三明治結構。由于頂層的單晶硅薄膜近乎完美的單晶硅，同時它和中間層的界面態很低，且整體應力較小。MOS等器件能很好地在頂層的單晶硅襯底中制作，且表現出與體硅材料近似的性能，這使得這種結構的SOI絕緣體上硅材料成為當今世界制作SOI集成電路元器件的主要材料。下面將重點講解這種類型的SOI技術。

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