文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了SOI晶圓制造技術(shù)。

SOI晶圓片制造技術(shù)作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心分支，歷經(jīng)五十年技術(shù)沉淀與產(chǎn)業(yè)迭代，已形成以SIMOX、BSOI、Eltran及Smart Cut為核心的四大成熟工藝體系，并在2025年展現(xiàn)出顯著的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)展趨勢。

氧注入隔離技術(shù)

氧注入隔離技術(shù)（SIMOX）作為SOI晶圓制造的基石，自20世紀(jì)70年代末由Watanabe等首創(chuàng)氧離子注入形成BOX層以來，歷經(jīng)多次工藝革新。早期工藝需采用200keV能量、約2×101? cm?2劑量的氧離子注入以實(shí)現(xiàn)200nm頂層硅與連續(xù)化學(xué)計(jì)量BOX層，但高劑量導(dǎo)致晶格缺陷密度偏高。為優(yōu)化成本與質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了600℃注入輔助退火技術(shù)，通過在硅表面能量最高區(qū)域?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)晶體生長，同時(shí)結(jié)合1300℃以上高溫退火促進(jìn)氧硅反應(yīng)，修復(fù)頂層硅及襯底損傷。劑量優(yōu)化方面，通過將注入劑量降至4×101? cm?2并調(diào)整退火條件，可制備厚度約80nm的高質(zhì)量BOX層，顯著降低缺陷密度。附加的ITOX（內(nèi)部熱氧化）工藝通過1350℃氧化處理，進(jìn)一步改善BOX層化學(xué)配比與微管缺陷，同時(shí)略微增加BOX厚度，確保頂層硅與襯底間電絕緣性能。當(dāng)前，SIMOX技術(shù)已實(shí)現(xiàn)埋氧層厚度控制精度±2%，頂層硅缺陷密度低于10? cm?2，在5G毫米波通信器件中展現(xiàn)出插入損耗降低30%的優(yōu)勢，成為抗輻射加固器件的核心方案。

BSOI與BESOI工藝

BSOI與BESOI工藝依托晶圓直接鍵合與減薄技術(shù)，自20世紀(jì)80年代起逐步成熟。親水性氧化硅表面制備的直接鍵合工藝通過高溫退火強(qiáng)化鍵合強(qiáng)度，結(jié)合研磨、化學(xué)腐蝕或剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶圓減薄。

BESOI工藝通過外延生長SiGe犧牲層與薄硅層，利用化學(xué)刻蝕選擇性去除犧牲層，實(shí)現(xiàn)超薄頂層硅制備，其質(zhì)量已可媲美體硅單晶，支持大尺寸晶圓工業(yè)化生產(chǎn)。在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與生物傳感器領(lǐng)域，BSOI技術(shù)通過三維堆疊實(shí)現(xiàn)傳感器與CMOS電路集成，靈敏度提升25%；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，基于SOI的植入式神經(jīng)電極陣列通過ISO 10993生物相容性認(rèn)證，成為腦機(jī)接口技術(shù)的關(guān)鍵載體。當(dāng)前，該技術(shù)正拓展至硅與藍(lán)寶石、碳化硅的異質(zhì)鍵合，界面空洞密度低于0.1%，滿足高性能光電子器件需求。

Eltran工藝

Eltran工藝由佳能公司開發(fā)，利用多孔硅層的機(jī)械弱化與單晶結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合外延生長與直接鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量SOI制備。工藝流程包括多孔硅形成、外延層生長、BOX層熱氧化、晶圓鍵合、機(jī)械剝離及氫退火平滑處理。氫退火工藝可實(shí)現(xiàn)原子級平坦表面，厚度均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光，外延層厚度控制范圍從幾納米至幾微米，適配先進(jìn)MOSFET與MEMS應(yīng)用。盡管佳能曾投資20億日元提升產(chǎn)能至每月10000片，但受技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)成本及市場接受度限制，EltranR工藝目前已停止生產(chǎn)。其技術(shù)遺產(chǎn)在于多孔硅剝離機(jī)制與氫退火表面處理，為后續(xù)工藝開發(fā)提供重要參考。

Smart CutTM

Smart CutTM工藝由CEA與Soitec聯(lián)合開發(fā)，通過離子注入、直接鍵合與剝離三步法實(shí)現(xiàn)硅層轉(zhuǎn)移。工藝步驟包括供體晶圓熱氧化、氫/氦離子注入形成弱化層、鍵合、剝離及表面處理。

該技術(shù)優(yōu)勢在于厚度均勻性優(yōu)異、轉(zhuǎn)移層質(zhì)量高，且供體晶圓可重復(fù)利用，支持多種支撐體與單晶層集成。當(dāng)前，Smart CutTM已拓展至硅與碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體的異質(zhì)集成，在功率器件中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻降低40%、開關(guān)損耗減少30%，成為新能源汽車主驅(qū)逆變器核心方案；在量子計(jì)算領(lǐng)域，通過硅鍺異質(zhì)結(jié)制備量子點(diǎn)陣列，單量子比特操控保真度達(dá)99.9%。此外，該技術(shù)正推動綠色制造發(fā)展，Soitec通過重復(fù)使用供體晶圓與低能耗沉積工藝，將碳化硅基板生產(chǎn)碳排放降低四倍，契合全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)低碳化趨勢。