由于半導(dǎo)體發(fā)展趨勢，在相同晶圓面積下填入更多晶體管，勢必使線寬逐漸微縮，但尺寸微縮卻有限制，其閘極線寬極限約在3～5nm間(線寬愈小則電阻值愈大)，使得科學(xué)家試圖找尋在不微縮線寬尺寸下，如何以相同的制程方式提升元件效率，突破摩爾定律限制，而SOI(Silicon on Insulator)硅晶絕緣體技術(shù)，即為解決方法之一。
所謂SOI技術(shù)是由Si晶圓透過特殊氧化反應(yīng)，使氧化層(Buried Oxide)形成于Si層與Si晶圓間，最終產(chǎn)生Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate結(jié)構(gòu)，由于SOI的半導(dǎo)體特性(低功耗、高性價比與低制造周期等)，使得元件擁有取代線寬較大(16-12nm)之FinFET結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。
磊晶技術(shù)發(fā)展，無助于SOI生成上之演進(jìn)
SOI的發(fā)展脈絡(luò)可追朔至1960年中后期，由于半導(dǎo)體為了追求適當(dāng)?shù)慕^緣材料作為基板，逐漸開發(fā)出以藍(lán)寶石基板為基礎(chǔ)而成長的Si磊晶層SOS(Silicon on Sapphire)技術(shù)，為SOI原型，但由于藍(lán)寶石基板價格昂貴，目前已較無人使用此技術(shù)。
另一方面，日商Canon也于2000年初，針對SOI技術(shù)開發(fā)ELTRAN(Epitaxial Layer TRANsfer)成長方法，雖然SOI最上層之Si層材料可由磊晶方式成長，且條件易于控制，但整套流程需經(jīng)陽極氧化(形成多孔性Si層)、磊晶、高溫氧化、鍵結(jié)、分離蝕刻與氫氣退火等步驟，過程十分繁瑣，因而這項(xiàng)技術(shù)最后也無疾而終。
若以現(xiàn)階段SOI生成技術(shù)評估，主要可分為離子布植及晶圓接合等方式進(jìn)行，相關(guān)技術(shù)有以下幾種：SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)、BESOI(Bond and Etch-back SOI)與Smart-Cut等，作為后續(xù)供應(yīng)現(xiàn)行SOI晶圓之方法。
三大SOI生成方法，以Smart-Cut技術(shù)獨(dú)步群雄
以SIMOX技術(shù)為例，成長SOI方法主要透過離子布植機(jī)，將大量氧離子(O+ ions)打入Si晶圓前緣部分，再透過高溫退火(1,300℃)使其產(chǎn)生氧化層，最終形成Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)制作的SOI雖較容易，但由于氧離子于離子布植時，難以穿透Si晶圓達(dá)到深處，使得Si層只有約50～240nm厚度，因此后續(xù)還需經(jīng)由磊晶成長方式，使Si層厚度增加，達(dá)到SOI元件所需的要求。
BESOI成長方式是先透過兩片Si晶圓，經(jīng)高溫氧化后形成兩片表面氧化層的結(jié)構(gòu)(SiO2/Si Substrate)，再將兩片氧化層相互接合并加熱(1,100℃)，使其產(chǎn)生鍵結(jié)與退火，最終經(jīng)CMP研磨后形成Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate結(jié)構(gòu)。盡管Si層的厚度已較SIMOX技術(shù)相對好控制，但兩片氧化層接合之鍵結(jié)良率，仍是SOI晶圓產(chǎn)能的決定關(guān)鍵，需大量時間研磨除去多余Si層。
而Smart-Cut技術(shù)則為法國SOITEC開發(fā)的方法，可有效加速SOI制作速率。Smart-Cut前半部分將如BESOI技術(shù)一般，先將兩片Si晶圓經(jīng)高溫氧化形成表面氧化層，然后將其中一片的氧化層以離子布植機(jī)打入大量氫離子(H+)，隨后再將兩片氧化層以親水性鏈結(jié)(Hydrophilic Bonding)方式相互接合，并加熱至400～600℃使氫離子層產(chǎn)生斷裂，分離多余的Si層，最終經(jīng)退火(1,100℃)與CMP研磨后，形成Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate結(jié)構(gòu)。
借由Smart-Cut方法，確實(shí)有效縮減CMP研磨時間(經(jīng)氫離子層斷裂后留下之Si層變薄的緣故)，但兩片氧化層的接合鍵結(jié)良率仍是SOI決定要素，盡管如此，Smart-Cut還是能大幅提高SOI晶圓的生成速率，有效降低SOI晶圓成本，并得以驅(qū)使現(xiàn)行的光通訊元件、物聯(lián)網(wǎng)與車用芯片領(lǐng)域加速發(fā)展。
來源：拓墣產(chǎn)業(yè)研究院