硅锗材料、硅退火片和绝缘体上硅(SOI)的介绍

本文介绍硅锗材料、硅退火片和绝缘体上硅（SOI）

硅锗（SiGe/Si）材料

硅锗（SiGe/Si）材料，作为近十年来硅基材料的新发展，通过在硅衬底上生长硅锗合金外延层而制得。这种材料在多个领域展现出广泛的应用潜力，包括微波管、红外探测器及发光器件的制作。

应用前景

微波器件：在1988年，已利用SiGe/Si材料试制出异质结双极型晶体管（HBT），其截止频率可高于100GHz。与GaAs FET相比，SiGe/Si HBT更容易与Si的微电子工艺相兼容，因此具有广阔的发展前景。

红外探测器：SiGe/Si的多量子阱结构可用于制作红外探测器，覆盖1.3~1.5μm和8~12μm的红外区域。尽管其制备工艺复杂，探测性能尚未达到CdHgTe和GaAs/GaAlAs的水平，但仍有很大的提升空间。

材料特性与挑战

晶格失配：由于Ge与Si的晶格参数相差较大（约4%），Si1-xGex/Si的界面存在失配应力。这可能导致外延层的失配位错密度高达106cm-2以上。

解决方法：为解决晶格失配问题，可以采取生长应变层使其厚度在临界厚度以下，或者生长过渡层的方法。

产业化进展

SiGe/Si材料与器件已逐步实现批量生产，用于制作异质结双极型晶体管和CMOS电路，可在1G~20GHz频率下工作。随着技术的不断进步，已出现工作频率达到210GHz的SiGe晶体管，有望在通信领域替代部分化合物半导体器件。

硅退火片

在集成电路的工艺与技术不断进步的当下，虽然晶体中约0.12微米量级的缺陷问题已基本得到解决，但如何进一步降低约0.06微米量级的缺陷仍是当前研究的重点。对于生产IC电路芯片的厂家来说，技术开发以满足0.18~0.13微米以及线宽小于0.10微米至65纳米、45纳米、28纳米等更小尺寸IC电路芯片工艺的高质量芯片需求显得尤为重要。

美国MEMC公司早在2001年就发布了采用其独有的MDZ（magic denuded zones）方法和低缺陷结晶技术组合的退火硅片（optia），并开始了批量生产。该技术结合了硅单晶制备工艺的改进，通过在晶体中心部分产生空位缺陷，并利用空位比氧更快的扩散速度，成功研发出快速退火（RTP）吸杂工艺，即MDZ工艺。该工艺通过高温对硅片进行快速、短时间的退火处理，显著提升了硅片的质量，使其达到与外延片相当的水平。

此外，日本三菱公司的高品质硅片和日本住友金属公司的H/Ar退火硅片强强联合，为用户提供了更多的选择。SUMCO公司的“氢退火”硅片（EP-NANA外延片）用于提高器件的结晶质量和退火型硅片（SUPER silicon）等方面。同样，日本小松电子公司也针对0.13微米时代的高质量型“氢退火”硅片（Generation6）投入了大量的开发和科研力量。

综上所述，硅退火片在集成电路制造中扮演着越来越重要的角色，各大公司都在不断研发和改进相关技术，以满足日益增长的纳米电子技术需求。

绝缘体上硅（SOI）

绝缘体上硅（SOI）是一种特殊的半导体材料结构，它将一层薄薄的硅单晶覆盖在由二氧化硅或玻璃制成的绝缘体上。与传统的体硅CMOS技术相比，SOI技术在SOI薄层上构建的晶体管具有更快的运算速度和更低的功耗。

随着集成电路技术的不断进步，SOI材料作为新一代半导体材料，其研发和生产已成为国际半导体公司的战略重点。通过合理的工艺流程、高精度的设备和严格的生产管理，可以制备出满足高性能集成电路要求的硅抛光片。

以下介绍两种技术：

硅片直接键合（SDB）技术：将两片抛光硅片中的一片表面经过热氧化生长一层SiO2层，然后进行亲水处理，使硅片表面被硅醇基覆盖，依靠硅片之间羧基的相互作用而紧密结合;再将键合好的硅片置于高温炉内加热形成Si-O-Si结构

键合后的一片硅片需要减薄处理，以满足制备SOI器件或电路的要求。

氢注入剥离键合技术：利用H+注入后在硅片中形成的气泡层，将注氢片与另一个支撑硅片键合;经过适当的热处理，使注氢片从气泡层完整裂开，形成SOI结构。

再对SOI片表面进行化学机械抛光，该技术被认为是一种比较理想的SOI材料制备技术。

随着集成电路技术的持续进步，硅片材质已从传统的纯互补式金属氧化物半导体（CMOS）向SOI等低漏电材质演变。这一转变促使全球众多半导体大厂投身于SOI技术的研发，并与硅片生产厂商展开密切合作。

SOI技术作为新一代半导体材料技术，具有广阔的应用前景和市场潜力。随着制备技术的不断进步和成本的降低，SOI材料将在未来集成电路制造中发挥越来越重要的作用。