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1、SIMOX工艺简介,杨健9月5日,概述,1 什么是SOI?SOI(Silicon On Insulator),又称绝缘层上硅。一种新型结构的硅材料通过在体硅中加入一层绝缘层，而具有一些特殊的性质。被称为有望替代体硅成为新一代的集成电路衬底材料。,体硅,SIMOX,Bonding,Smart-cut,顶硅层,衬底,SIMOX,2.1 SIMOX工艺流程：SIMOX(Separate by IMplant Oxygen),又称注氧隔离技术。此方法有两个关键步骤：离子注入和退火。在注入过程中，氧离子被注入圆片里，与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物。然而注入对圆片造成相当大的损坏，而二氧化硅沉淀物的均匀性
2、也不好。随后进行的高温退火能帮助修复圆片损坏层并使二氧化硅沉淀物的均匀性保持一致。这时圆片的质量得以恢复而二氧化硅沉淀物所形成的埋层具有良好的绝缘性。,SIMOX,2.2 SIMOX机理：,形核,长大,熟化,联合,SIMOX,2.3 过程参数影响注入剂量：控制埋氧层的厚度，提高注入剂量，埋氧层增加同时顶硅层厚度减小。注入能量：控制离子注入的射程，从而影响顶层硅厚度。另外研究表明，注入能量越高注入粒子分散程度越大，形成连续埋氧层所需剂量也越高。退火温度：高温退火消除注入缺陷，消融顶层硅中氧沉淀，促使埋层形成。退火气氛：惰性气氛通常加入少量氧，增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失。硅片温度
3、：影响注入过程缺陷形成，低温容易导致顶层硅的非晶化。,SIMOX,2.3 过程参数影响注入剂量：控制埋氧层的厚度，提高注入剂量，埋氧层增加同时顶硅层厚度减小。,0.225x1018cm-2,0.45x1018cm-2,0.675x1018cm-2,1.125x1018cm-2,1.135x1018cm-2,0.9x1018cm-2,1.575x1018cm-2,1.8x1018cm-2,200keV/1325(16h),SIMOX,2.3 过程参数影响注入能量：控制离子注入的射程，从而影响顶层硅厚度。另外研究表明，注入能量越 高注入粒子 分散程度越大，形成连续埋氧层所需剂量也越高。,160ke
4、V,130keV,100keV,4.5x1017cm-21300/5h,SIMOX,2.3 过程参数影响退火温度：高温退火消除注入缺陷，消融顶层硅中氧沉淀，促使埋层形成。,未退火,1350,1300,1200,SIMOX,2.3 过程参数影响退火气氛：惰性气氛通常加入少量氧，增加氧分压防止由于形成SiO而导致的表面缺失,埋氧层,顶硅层,埋氧层,顶硅层,纯Ar,Ar+60%O2,高温（650）130keV/9x1017cm-2+低温（30）130keV/1015cm-2+1300/5h,SIMOX,2.3 过程参数影响硅片温度：影响注入过程缺陷形成，低温容易导致顶层硅的非晶化。,SIMOX,2.
5、4 改进SIMOX材料质量的途径选择合理靶片温度与退火温度研究结果表明当注入温度低于500 时，材料缺陷密度较高要获得较高质量的材料，通常靶片温度选择在600700 可以获得较高质量的顶层硅膜。只有当退火温度高于1250 时才能将顶层硅中的氧沉淀消融，并降低缺陷。通常退火温度在1300，时间为56小时。多重注入和退火高剂量离子注入会将缺陷和应力引入顶部硅层，实验表明把常规的一次注入和退火（如200keV/1.8x1018cm-2,1300+5h退火）变为三次注入和退火（200keV/0.6x1018cm-2,1300+5h退火，反复三次）可明显降低顶层硅缺陷。,SIMOX产品工艺条件,1、HD
6、工艺 条件：一次注入 能量190keV 角度200 剂量8.5E+17 温度520 二次注入 能量190keV 角度20 剂量8.5E+17 温度5202、XYZ工艺 条件：一次注入 能量190keV 角度200 剂量3.4E+17 温度365 二次注入能量180keV 角度20剂量4E+15 温度 室温3、AD工艺 条件：一次注入能量 165keV 角度20 剂量3.9E+17 温度520 二次注入能量190keV 角度200 剂量3.1E+17 温度520,SIMOX产品膜厚差异,HDHD产品膜厚有三层：分别为顶层硅（SOI）中间氧化层（BOX层）和衬底.SOI厚度2000+-50A ra
7、nge100A BOX厚度3750+-50A range100AXYZXYZ产品膜厚有四层：分别为顶层氧化层、顶层硅（SOI）中间氧化层（BOX）和衬底。顶层养护层厚度4400+-50ARange100A SOI厚度1950+-50A BOX厚度1200+-50 range100ADAD产品膜厚分为三层：顶层硅（SOI）中间氧化层（BOX）和衬底。SOI厚度1900+-50 range100 BOX厚度1550+-50 range100,SIMOX产品工艺原理,1、HD工艺 原理：两次注入一次退火 每次注入剂量8.5E+17 两次注入后通过退火修复注入时氧离子打乱的晶格并在片子内部形成连续氧化
8、层2、XYZ工艺 原理：两次注入一次退火 第一次注入3.4E+17在硅片内部形成不连续的氧化层 二次注入为室温注入剂量4E+15 二次注入的氧离子将第一次注入的氧离子分布峰值区域选择性晶化形成一层非晶硅层并在退火过程中形成多晶。在注入后的高温退火中氧原子（注入和退火气氛中扩散进入衬底的氧）沿着多晶的晶粒边界快速扩散，促进埋氧层的形成并增厚了埋氧层3、AD工艺 原理：两次注入两次退火 在衬底内部形成连续氧化层,投料,颗粒测试,一次注入,颗粒测试,清洗,目检,颗粒测试,二次注入,颗粒测试,目检,6HD-P0 200.2（0.2以上的颗粒不多余20个）,核对料号 片子规格 厚度 电阻率 晶向 类型掺
9、杂 记录ID输入电脑,6HD-P1 80写异常报告（颗粒高可能导致氧化层针孔从而影响击穿电压）,6HD-cln1,6HD-P230表观好，取出再次清洗。中间划伤严重取出报废,6HD-P1 80写异常报告,颗粒测试,清洗,待接到退火通知再清洗6HD-cln2,6HD-P230表观ok，取出再次清洗。,退火,6HD-ANN,清洗,6HD-cln3,UV1280测试,6HD-4L,HF Secco IV测试,每炉做一次,SIMOX产品-HD产品流程,角度200 能量190 剂量8.5E+17 温度520,角度20 能量190 剂量8.5E+17 温度520,HD产品流程-投料,1、将裸硅片投入生产线
10、，按照工艺要求打出工单2、确认工单上硅片要求是否跟投料硅片符合。比如：产品数量、产品大小、产品晶向（1-0-0）、掺杂及掺杂类型、产品厚度、有无背封及产品电阻率大小3、分片：确认好硅片规格后将裸硅片按照ID 分到片盒规定的slot号中,HD产品流程-颗粒测试,注入前测颗粒：程序为：6寸为6HD-P0-6mm 标准为LPD200.3um大于0.3um的颗粒少于20个 8寸为8HD-P0-6mm 标准为LPD200.3um 大于0.3um的颗粒少于20个 颗粒影响 注入前颗粒高可能会导致XYZ工艺注入后亮点顶层硅表面缺陷 对HD工艺BOX层产生针孔导致击穿电压低,HD产品流程-一次注入,注入条件：
11、角度200 温度520 能量190keV 剂量8.5+17 通入大约2mA水蒸气(水蒸气大小会影响到BOX厚度）注意：注入时holder有10偏转目的是为了防止沟道效应能量190keV影响注入深度 温度520是为了在通入水蒸气时将片子表面氧化形成氧化层从而保护硅片表面减少顶层硅缺陷 同时在降温过程中硅片本身有自退火修复一部分打乱的晶格,HD产品流程-一次注入后颗粒测试目检,注入后颗粒测试：程序：8寸为8HD-P1-6mm 标准为LPD1420.3um 大于0.3um的颗粒小于142个 6寸为6HD-P1-6mm 标准为LPD800.3um大于0.3um的颗粒小于80个 颗粒高原因：1、衬底问题
12、 衬底不同吸附颗粒的能力不同（N型注入后颗粒较高）2、注入机本身问题 throat line或者法拉第硅瓦脱落注过程中在腔体内部产生颗粒 开腔后腔体没清理干净也会导致颗粒偏高 holder抓片位置也可能损坏硅片导致颗粒高3、注入前颗粒高,HD产品流程-一次注入后清洗,1、5%的HF漂洗5分钟+水洗10分钟目的：洗去注入过程中在表面形成的氧化层2、过HF后用标准清洗程序清洗悠扬：1号液10分钟（氨水：双氧水：水=1：2：20）+水槽 10分钟 目的除去金属和颗粒（去除颗粒为主要目的）2号液8分钟（盐酸：双氧水：水=1：1：20）+水槽10 分钟 目的主要去除金属,HD产品流程-清洗后颗粒测试,注
13、入前测颗粒：程序为：6寸为6HD-P2-6mm 标准为LPD300.3um大于0.3um的颗粒少于30个 8寸为8HD-P2-6mm 标准为LPD300.3um 大于0.3um的颗粒少于30个,HD产品流程-二次注入,注入条件：角度20 温度520 能量190keV 剂量8.5+17 通入大约2mA水蒸气注意：与一次注入不同的是注入角度 一次注入为200二次注入为20相差180（这是一个角度补偿没有先后顺序）其他条件与一次注入条件相同,HD产品流程-二次注入后颗粒测试和目检,注入后颗粒测试：程序：8寸为8HD-P1-6mm 标准为LPD1420.3um 大于0.3um的颗粒小于142个 6寸为
14、6HD-P1-6mm 标准为LPD800.3um大于0.3um的颗粒小于80个 与一次注入后颗粒测试条件相同目检：查看注入后是否有划伤、亮点，如果颗粒高查看颗粒分布,是否有沾污等情况,HD产品流程-退火前合片及漂HF,退火前合片由于注入每卡18片（6寸）而退火每卡可以放要25片，因此退火时要把每卡合片成25片，因此一定要记录硅片的ID。漂洗HF注入时会在表面形成氧化层从而保证顶层硅的质量减少缺陷因此注入后要把这层氧化层去除掉，5%的HF漂洗5分钟+水洗10分钟,HD产品流程-退火前清洗及颗粒测试,1、过HF后用标准清洗程序清洗悠扬：1号液10分钟（氨水：双氧水：水=1：2：20）+水槽10分钟
15、 目的除去金属和颗粒（去除颗粒为主要目的）2号液8分钟（盐酸：双氧水：水=1：1：20）+水槽10分钟 目的主要去除金属2、颗粒测试测试程序6HD-P5，要求LPD800.3um,HD产品流程-退火,退火程序6HD-ANN（8HD-ANN),目的：修复注入时造成的晶格损伤，并且将注入的氧离子与硅充分结合形成连续的氧化层，表面形成氧化层去除因注入而造成损伤的顶层硅。退火程序原则,HD产品流程-退火后漂HF及清洗测颗粒,退火后漂HF 注入时由于能量较高会对一部分顶层硅造成损伤，在退火时表面的顶层硅会形成氧化层，需要用HF漂洗掉，从而保证顶层硅的质量。10%的HF漂洗10分钟+水洗10分钟.过HF后
16、用标准清洗程序清洗悠扬：1号液10分钟（氨水：双氧水：水=1：2：20）+水槽10分钟 目的除去金属和颗粒（去除颗粒为主要目的）2号液8分钟（盐酸：双氧水：水=1：1：20）+水槽10分钟 目的主要去除金属清洗后颗粒测试程序6HD-P5（8寸为8HD-P5）颗粒要求LPD800.3um,HD产品流程-退火膜厚测试,HD退火后膜厚HD退火后分为三层：最上边为SOI层（顶层硅）厚度要求为2000+-50A range100 中间为BOX层（氧化层）厚度要求为3750+-50 range100 最下边为衬底测试程序为6HD-4L（8HD-4L)注意：UV-1280测试HD时出来的膜厚为四层（BOX被
17、分为2层来记录）因此在记录数据时一定要注意BOX厚度要两层加在一起。,HD产品流程-目检、入库,测试,AASHD:每4卡注入完送测1片AD/XYZ:每8卡注入完送测1片HF/Secco/IVHD/AD/XYZ:每炉送测1片Cu-platingHD/AD/XYZ:每月测1片,HF腐蚀,HF：测试片子表面金属硅化物缺陷。引起超标原因：注入金属，退火炉金属处理方法（具体看操作指导书）HD产品 洗掉氧化层49%HF浸泡30分钟 AD XYZ产品 洗掉氧化层49%HF浸泡15分钟缺陷,SECCO腐蚀,SECCO:硅晶体线缺陷密度 引起超标原因：注入机的温度偏差和水蒸气量缺陷,IV,场击穿电压IV氧化层及BOX层的击穿特性:表征SiO2 质量 引起超标原因：注入机 退火炉,
