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SOI
閱讀�21301�(shí)間:2011-03-10 11:01:29

  SOI (Silicon-On-Insulator)是一種用�集成電路制造的新型原材�,替代目� 大量�(yīng)用的體硅(Bulk Silicon) 。SOI 是指絕緣層上的硅,作為一種全介質(zhì)隔離技�(shù),SOI 材料研究已有 20 多年的歷�,發(fā)展了多種 SOI 圓片制造技�(shù),其中包� Bonding、激光再�(jié)�、注氧隔離(SIMOX, Separation by Implanted Oxygen� 、智能剝離(Smart-cut)以及最近發(fā)展起�(lái)�等離�浸沒 �

�(yōu)�(shì)

  SOI幾乎在體硅電路的各�(gè)�(yīng)用領(lǐng)域都表現(xiàn)出巨大的�(yōu)�(shì)�

  隨著體硅CMOS技�(shù)的發(fā)�,器件的特征尺寸的持�(xù)縮小正面臨著巨大的挑�(zhàn),即持續(xù)的特征尺寸的縮小�(dǎo)致的寄生電容的增�、短溝效�(yīng)的惡�、熱載流子的退變等。而SOI技�(shù)由于它特殊的�(jié)�(gòu)使得它具有了較高的跨�(dǎo)、降低的寄生電容、減弱的短溝效應(yīng)、較為陡直的亞閾斜率,這些特點(diǎn)為SOI作為CMOS LSI的主流技�(shù)奠定基礎(chǔ)�

  �(dāng)�,SOI電路和器件的一�(gè)主要�(yīng)用是空間及軍事電子領(lǐng)�,這主�?dú)w功于埋氧的存在使得SOI技�(shù)具有了抗瞬時(shí)輻射效應(yīng)的能�。目前SIMOX存儲(chǔ)器電路具有SEU失效率為10-9/�.� 并且�1011rad(si)/s的劑量率輻照下仍然能保持電路功能。這些�(shù)字表明,與體硅電路相�,SOI電路的抗輻照�(qiáng)度提高了100�。SOI技�(shù)的另一�(yīng)用是耐高溫電�。在高溫�(huán)境下,SOI器件性能明顯�(yōu)于體硅器�。這是由于高溫下的SOI器件與體硅器件相�,由于SOI器件的源和漏�(jié)面積的減小使得泄漏電流降低很�。在SOI器件�,由于不存在隔離阱P-N�(jié),使得高溫時(shí)的泄漏電流和功耗降低的更多。據(jù)以報(bào)道的�300。C�500。C溫度下仍能工作的SOI CMOS電路與工作溫度上限為250。C的體硅CMOS電路的特性相�,可知SOI CMOS電路的耐高溫性能�

  另外,隨著器件特征尺寸的縮小和電路集成度的提�,與體硅技�(shù)相比SOI的高�、低功耗優(yōu)�(diǎn)變得越來(lái)越明�,而這些�(yōu)�(diǎn)為SOI在高速、低功耗的邏輯LSI電路的應(yīng)用中提供了可能�。另一方面,在RF射頻和模擬電路應(yīng)用中,SOI技�(shù)同樣具有了很多吸引人的特�(diǎn)如采用高阻(>1KΩ.cm)的硅襯底制作的高品�(zhì)因子的無(wú)源電感和基于SOI技�(shù)的數(shù)?;旌想娐分g�?dāng)_的減小等。同�(shí),基于SOI的動(dòng)�(tài)閾值MOSFET�(jié)�(gòu)的特征頻率達(dá)到了185GHZ,這�(jìn)一步推�(dòng)了SOI在射頻領(lǐng)域的�(yīng)用�

  在低壓應(yīng)用方�,一�(gè)�0.5V工作電壓下工作的采用SOI柵體連接�(jié)�(gòu)的ALU已經(jīng)�(shè)�(jì)成功,該ALU可以�200MHZ下工�,靜�(tài)功耗為2mW。這主要是由于SOI的獨(dú)立的體電�(shì)控制在泄漏電流抑制和高速工作中顯現(xiàn)了優(yōu)越�,它同時(shí)為未�(lái)的低功耗LSI系統(tǒng)奠定了基�(chǔ)�

  在存�(chǔ)器應(yīng)用中,基于SOI的DRAM具有了較體硅�20-30%的存儲(chǔ)速度和可以在較低的電壓下工作的優(yōu)�(diǎn)。另�,SOI-DRAM的軟失效率為�。這一特點(diǎn)為SOI在邏輯LSI電路和imager�(yīng)用中提供了�(jìn)一� 的可能��

  除了以上SOI在電路應(yīng)用中所具有的體硅電路所�(wú)法比擬的�(yōu)�(diǎn)以外,SOI在器件的不斷尺寸縮小中亦顯現(xiàn)它的�(yōu)�(shì)。隨著ITRS的Roadmap的不斷推�(jìn),基于體硅襯底的器件特征尺寸的持�(xù)減小越來(lái)越難以實(shí)�(xiàn):柵氧化層采用高K介質(zhì)所帶來(lái)的工藝兼容性等問題、源漏的直接隧穿電流的增�、熱載流子的退變及短溝效應(yīng)的惡化等等使得器件特征尺寸的�(jìn)一步減小越�(lái)越趨于物理極限。而SOI由于它特殊的埋氧�(jié)�(gòu)卻可以減緩Roadmap的�(jìn)程,通過(guò)�(jié)�(gòu)的調(diào)整來(lái)獲得體硅所�(wú)法比擬的�(yōu)�(diǎn)。目前基于SOI的UTB(Ultra-Thin-Body)結(jié)�(gòu)和DG(Double-Gate)結(jié)�(gòu)在很大程度上解決了體硅器件連續(xù)尺寸縮小所遇到的問�,減弱了短溝效應(yīng)、增大了�(qū)�(dòng)電流、改善了亞閾斜率。因此可以說(shuō),SOI技�(shù)將是器件特征尺寸�(jìn)入納米領(lǐng)域的技�(shù),它�(wú)論是在器件的尺寸減小還是在射頻亦或是在低壓、低功耗等�(yīng)用方面都表明它將是未�(lái)SoC的主要技�(shù),具有非常廣闊的�(fā)展前景�

主流技�(shù)

  1 離子束合成SIMOX技�(shù)

  離子束合�(IBS)是在靶材料如硅中注入高能量離子形成第二相的過(guò)程。包括注入O+, N+� Co+至單晶硅中合成SiO2, Si3N4 或CoSi2埋層。目前情況下,SiO2 埋層的合成已是在商業(yè)上可以實(shí)�(xiàn)的SOI技�(shù),由Izumi等人提出縮寫為SIMOX(注氧隔離)。SIMOX的兩步工藝包括:(a)高劑�(1×10 17 O+cm-2-2×1018 O+cm-2)注入氧離子至加熱靶中,氧離子能量�50 keV� 200 keV 之間�(b)�(jìn)行高溫退火以消除晶體缺陷并且注入的氧再分布以形成均一、符合化�(xué)劑量比的SiO2埋層和原子級(jí)的陡直Si/ SiO2界面。圖1 給出了SIMOX工藝示意�。毫�(wú)疑義,SIMOX是最成熟的SOI技�(shù),目前商�(yè)上已�(jīng)可以量產(chǎn)高質(zhì)量的SOI基片�

  注入�(guò)程中形成的氧化層是非晶的,而且由于�(guò)量硅在氧化物中的較高遷移率使得氧化層具有符合化學(xué)劑量比的SiO2成分,甚至在持續(xù)高溫(約熔點(diǎn)以下幾度退火)�(guò)程中,氧化層仍然保持非晶�(jié)�(gòu)和化�(xué)劑量比的特�,這樣有可能形成高�(zhì)量的SOI/SIMOX基片�

  2 薄層�(zhuǎn)移技�(shù)

  消耗兩塊晶片而只生產(chǎn)一塊SOI基片的低效率 BESOI技�(shù)已經(jīng)被晶片鍵合加上薄層轉(zhuǎn)移技�(shù)所普遍代替。以下三種有�(jìng)�(zhēng)力的方法分別在法�(guó),日本和美國(guó)�(fā)展起�(lái)�

 ?�?)Smart-cut: 此技�(shù)的先�(qū)Bruel�1995年發(fā)表Smart-cut的文�,此工藝�(yōu)�(diǎn)如下�(a)硅層厚度由注入的H+的范圍(能量)精確定��(b) 晶片分裂易于把薄� (�1 mm)從一塊晶片上�(zhuǎn)移到另一晶片�,而且分裂晶片可以循環(huán)使用。通常包括注入5 ×1016 H+ cm-2至二氧化硅覆蓋的晶片中,能量�5 �70 keV。鍵合之�,�(jìn)行兩步熱處理:首先在大約500℃退�,使得硅膜和整塊晶片分開;隨后在大約1100℃�(jìn)行第二次熱處理以加強(qiáng)�(zhuǎn)移層和基片之間的�(jié)合強(qiáng)�;然后稍微對(duì)表面�(jìn)行化�(xué)�(jī)械拋�,去掉殘留損�,為器件制備提供光滑表面�

 ?�?)ELTRAN:在Canon的外延層�(zhuǎn)�(ELTRAN)工藝中,通過(guò)在鍵合之前在�(jié)�(gòu)中引入多孔硅以獲得可控的鍵合晶片的分�。首先在硅晶片表面形成兩�(gè)不同多孔率和�(jī)械特性的多孔硅層,因此晶片會(huì)正好在這兩層之間裂�。氫氣氛中熱處理之后,在單晶多孔硅上外延生長(zhǎng)�,在整�(gè)工藝�,硅都保留原�(lái)晶向。隨�,這�(gè)晶片被鍵合到第二塊氧化晶片的表面,室溫下在高壓純水的噴射下開始裂開。開裂之�,原�(lái)的晶片可以循�(huán)使用,表面成原子�(jí)光滑�

  �3)Nano Cleave: 這是在美�(guó)Silicon Genesis Corp�(fā)展起�(lái)的另一�(gè)層轉(zhuǎn)移工�,它是Smart-cut工藝的變�,采用注入H+形成�(yīng)力層,在室溫下晶片開始裂�。在這�(gè)工藝中,晶片在室溫下�(jī)械開�,形成光滑硅平面,在器件制備之前不需要拋��

技�(shù)�(fā)展的新動(dòng)�

  1 SOI制備新技�(shù)--混合�(guò)�

  Silicon-on-Anything (SOA): 此項(xiàng)技�(shù)由Philips開發(fā),是把已制備IC的薄層硅膜轉(zhuǎn)移到象玻璃之類的低成本絕緣基片上的技�(shù)。最近,已經(jīng)采用Smart-cut工藝生產(chǎn)出石英上的硅(SOQ)基�。和傳統(tǒng)的SOI相同,它�(chǎn)生較低的漏電�,由于其較低的寄生電�,高頻下電路性能得到了提高�

  Silicon-on-Nothing (SON): 這是一�(xiàng)由LETI 和ST 微電子為小尺寸CMOS�(fā)展起�(lái)的混合技�(shù)。SON通過(guò)“空橋”結(jié)�(gòu)在溝道下形成局域的絕緣體上�。采用擇�(yōu)腐蝕薄外延SiGe層,在柵堆棧下形成空�,空洞可以是空氣間隙或者充滿氧化物。與其他技�(shù)不一�,SON在器件制備中在溝道下自對(duì)�(zhǔn)。如果合適的�,可以采用體硅代替較昂貴的SOI基片作為原始晶片。這是一�(gè)很有潛力的新工藝,但在目前,言其是商業(yè)上大量獲得制備CMOS電路的SOI�(jié)�(gòu)的可行路線尚嫌過(guò)��

  2 不同絕緣埋層�(jié)�(gòu)的SOI材料

  在標(biāo)�(zhǔn)的SOI材料中由于SiO2 絕緣埋層的低熱導(dǎo)率,因而存在著自加熱問�。因?yàn)樽约訜嵝�?yīng)的影響,造成了器件遷移率、閾值電�、亞閾值以及泄漏電流退�。用其它絕緣材料�(lái)取代SOI中的埋氧�。這樣的SOI�(jié)�(gòu)將開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域并提高CMOS器件的性能�

  一�(gè)解決自加熱效�(yīng)的很好方案就是用AlN� Al2O3或其它絕緣材料來(lái)取代常規(guī)SOI中的埋氧層,�?yàn)樗鼈兙哂懈叩臒醾鲗?dǎo)�。這種材料仍舊是類 SOI�(jié)�(gòu),即薄Si�,高k介電材料,Si襯底�

  3 不同半導(dǎo)體材料的SOI�(jié)�(gòu)

  GeSiOI(GeSi on Insulator)結(jié)�(gòu)是另外一種近年來(lái)人們感興趣的SOI材料。SiGe HBT比Ⅲ-Ⅴ族化合物具有更大的�(yōu)�(diǎn),它被稱為第二代硅新技�(shù)。近年來(lái),由于MBE,CBE,及CVD技�(shù)的發(fā)�,使人們能夠在硅襯底上生長(zhǎng)GeSi合金,形成Si/SiGe異質(zhì)�(jié)。在GeSiOI�(jié)�(gòu)中,由于SiGe具有一絕緣襯底,因而兼有SOI技�(shù)和SiGe技�(shù)的優(yōu)越�,能改善MOS器件性能,對(duì)制造高性能、低功耗器件是非常理想�。另�,一層或多層器件層可生長(zhǎng)在SiGeOI平臺(tái)�,如�(yīng)變硅,應(yīng)變鍺,應(yīng)變Si 1-yGey,InGaP或GaAs,這些�(jié)�(gòu)可在電子與光電子中得到廣泛的�(yīng)��

  �(yīng)變Si具有比體Si更高的電子和空穴遷移�,在未來(lái)CMOS工藝中擁有很廣闊的應(yīng)用前�。但�,體Si襯底上的�(yīng)變Si CMOS同樣受到體Si CMOS器件�(jié)電容、漏電流、短溝道效應(yīng)等方面的影響。因此,提出了絕緣體上的�(yīng)變Si,SiGe MOSFET�(lái)消除這些障礙�

  �(yīng)變SOI MOSFET頂層很薄的Si通過(guò)注入形成全耗盡�(jié)�(gòu),可以獲得高載流子遷移率,同�(shí)消除短溝道效�(yīng)和閾值電壓漂�,在�0.1微米CMOS工藝中具有很大的�(yīng)用前景。除了高載流子遷移率以及SOI器件共有的優(yōu)�(shì)之外,它還具有三方面�(yōu)�(diǎn):(1)抑制由于空穴通過(guò)SiGe pn�(jié)�(chǎn)生的浮體效應(yīng);(2)薄的SiGe層可以減少自加熱效應(yīng);(3)可以減少SiGe外延層的位錯(cuò)密度�

前景及面臨的問題

  �(guó)際市�(chǎng)�,半�(dǎo)體微電子市場(chǎng)�(píng)估公司調(diào)查表��1998年SOI材料市場(chǎng)約為4000�(wàn)美元,并以每�40--50%增長(zhǎng)率高速遞�。到2005年SOI材料市場(chǎng)將達(dá)�4-6億美�,折�8英寸SOI圓片約為100-150�(wàn)片。另?yè)?jù)美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)�(huì)估計(jì),到2005年,SOI將占半導(dǎo)體硅市場(chǎng)�10%,達(dá)�10億美元,折合8英寸SOI圓片�(dá)�200�(wàn)片以�。如考慮到光通信市場(chǎng)的需求和大功率器件市�(chǎng),SOI材料及應(yīng)用市�(chǎng)的真正需求很可能是以上預(yù)�(cè)�5-10�,市�(chǎng)前景非常樂觀�

  我國(guó)SOI材科首先由上海新傲科技有限公司研發(fā)成功并于2002年建成的SIMOX生產(chǎn)線批量生�(chǎn)SOI材料,已開始向國(guó)�(nèi)科研單位和國(guó)外供貨。另�,由北京師范大學(xué)低能核物理研究所、電子科技第四十八研究所和北京大�(xué)微電子學(xué)所,共同組建北京北方晶材科技有限公司,也開始制造SOI材科,并開始基于SOI技�(shù)的光通信器件、微�(jī)�、傳感器和太�(yáng)能電池的研發(fā)�

  盡管我國(guó)SOI技�(shù)的研�(fā)已經(jīng)有了良好的開�,但要形成產(chǎn)�(yè)化大生產(chǎn),還必須解決好下面幾�(gè)問題�

  首先是SOI IC�(shè)�(jì)技�(shù)和芯片制造工藝問�,因?yàn)槭褂肧OI技�(shù)必須�(duì)芯片�(jìn)行重新設(shè)�(jì)�

  而且�(wú)法利用現(xiàn)有的硅生�(chǎn)工藝�(jìn)行大�(guī)模生�(chǎn),必須開�(fā)全新的生�(chǎn)工藝,對(duì)生產(chǎn)線�(jìn)行相�(dāng)大的�(diào)整才能滿足SOI的工藝要�。由于我�(guó)IC�(shè)�(jì)技�(shù)和芯片制造工藝與世界先�(jìn)水平還有多年的差�,目�,SOI�(shè)�(jì)和制造技�(shù)仍然是一塊空白,要自主開�(fā)SOI�(shè)�(jì)和制造技�(shù)還需要產(chǎn)�(yè)界做出艱巨的努力�

  其次是我�(guó)已�(jìn)入WTO,在�(mào)易上已不能得到政府的保護(hù),但�(guó)家可以通過(guò)政策�(diào)控有效地扶植和組織SOI技�(shù)開發(fā),使SOI技�(shù)形成一�(gè)完整的產(chǎn)�(yè)��

  第三是需要促�(jìn)電子整機(jī)�(chǎn)品的開發(fā)水平和創(chuàng)新能�。目前,我國(guó)的整�(jī)�(chǎn)�(yè)主要是來(lái)料加工為主要形式,自主開�(fā)大部分也是跟著人家的�(chǎn)品思路,真正是自主�(chuàng)新的很少。盡快推�(dòng)SOI技�(shù)的開�(fā)可以帶動(dòng)新一代電子產(chǎn)品的�(fā)�,但是SOI技�(shù)的產(chǎn)�(yè)化也需要整�(jī)技�(shù)開發(fā)水平的全面提�。相信我�(guó)電子�(chǎn)�(yè)界能夠抓住機(jī)遇,迎頭趕上世界先�(jìn)水平�

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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