SOI材料和功率器件衬底

SOI衬底材料用于制备高速、高抗辐射和低功耗器件和大规模集成电路（IC），与其它材料相比它具有速度高、抗辐射性强、功耗小等优点，应用于军事和航天等特殊领域，但是SOI衬底材料制备困难，成本高^[8]。目前，制备SOI材料常用的技术有三种^[9]：在蓝宝石衬底上的异质外延技术（SOS）、氧离子注入隔离技术（SMIOS）、硅-硅直接键合技术（SDB）。异质外延工艺是在与硅材料晶格结构相近的绝缘材料蓝宝石上面外延一层单晶硅。由于蓝宝石和硅的晶格结构的不完全相同导致硅外延层中缺陷密度高，在外延的界面处产生应力和位错，并且蓝宝石非常昂贵，难以大规模生产，只是应用于军事和航天等领域。

氧离子注入隔离技术（SMIOS）是应用大型的离子注入设备把氧离子注入到硅片中，然后进行退火处理使硅与氧发生反应生成SiO₂绝缘层，同时消除SiO₂绝缘层上面的硅层在氧离子注入时的损伤。这种方法的的主要限制是成本高, 大面积离子注入以及高温退火均给工艺带来高额的成本。离子注入工艺容易把缺陷和应力引入顶部硅层, 产生大量的位错。离子注入形成的隐埋氧化层（BOX层）常出现针孔缺陷、硅包体等, 完整性差。氧离子注入隔离（SMIOS）的SOI材料上面的Si层厚度很小，在1~2μm之间，需要比较厚的Si层，还需要进行外延。另外，氧离子注入隔离（SMIOS）的SOI材料非常昂贵，4英寸SOI片价格在2000元以上。

硅-硅直接键合的SOI材料的工艺流程如图1.6所示，主要工艺有氧化、键合、减薄和抛光工艺。与其它两种方法相比较，硅-硅直接键合的SOI材料有很大的优点：（1）工艺简单，不需要大型的复杂设备；（2）二氧化硅层是由于热氧化生成，厚度和质量好，不会出现针孔现象；（3）硅层的厚度由减薄和抛光工艺决定，可以根据要求进行；（4）硅层是原单晶硅片的一部分，缺陷密度小，质量高；（5）价格便宜，适合大规模生产和应用。

图1.6 键合SOI材料的工艺流程

硅-硅直接键合技术的优点很快引起了人们的兴趣并投入大量的研究，把硅-硅直接键合技术从SOI材料扩展到其它的领域，提出了硅与硅的直接键合，工艺流程如图1.7所示，主要工艺有硅片的活化处理、键合、减薄和抛光工艺。由于硅片中间没有热氧化层，两个硅片中间不需要任何粘结剂，也不需要外加电场，工艺简单，两键合硅片的晶向、电阻率和导电类型可自由选择，与半导体工艺完全兼容，并且键合强度大，键合后的界面可以承受磨片、抛光和高温处理等优点，所以得到了迅速的发展。它可以制备高压大功率器件所需要的N⁺-N^-、P⁺-P^- 和N⁺-P^-衬底，可以代替外延工艺和三重扩散工艺，与其二者相比较，硅-硅直接键合硅片有很多优点：工艺简单、硅层缺陷密度小、厚度可以自由控制、杂质分布比较陡和击穿电压高等。

图1.7 硅-硅直接键合的工艺流程