SOI历史、应用与发展(上)
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SOI材料的发展历史、应用现状与发展新趋势（上）
陈猛 王一波
上海新傲科技有限公司
1. 前言
2006年随着65纳米工艺的成熟，英特尔公司65纳米生产线步入大批量生产阶段。除
英特尔外，美国德州仪器、韩国三星、日本东芝等世界上重要的半导体厂商的65纳米生产
线也纷纷投产。45纳米处在研发阶段，如英特尔己有两座12英寸厂开始试产，估计到2010
年进入量产。集成电路发展到目前极大规模的纳米技术时代，要进一步提高芯片的集成度和
运行速度，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，在进一步减小集成电路的特征尺
寸方面遇到了严峻的挑战，必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前在材料方面重点推动
的绝缘体上的硅(SOI ,Silicon-on-insulator)等，被业界公认为纳米技术时代取代现有单
晶硅材料的解决方案之一，是维持Moore定律走势的一大利器。图1为国际上SOI材料头号
供应商--法国Soitec公司给出的先进材料的发展路线图。SOI，绝缘体上应变硅(sSOI)和绝
缘体上锗(GOI)将成为纳米尺度极大规模集成电路的高端衬底材料[1]。
图1.纳米技术时代的高端衬底材料发展路线图
2. SOI材料的优点
绝缘体上的硅SOI(silicon-on-insulator)指的是绝缘层上的硅。它是一种具有独特的
“Si/绝缘层/Si”三层结构的新型硅基半导体材料。它通过绝缘埋层（通常为SiO2）实现
了器件和衬底的全介质隔离，在器件性能上具有以下优点：
1) 减小了寄生电容，提高了运行速度。与体硅材料相比，SOI器件的运行速度提高了
20-35%； 2) 具有更低的功耗。由于减少了寄生电容，降低了漏电，SOI器件功耗可减小35-70%；
3) 消除了闩锁效应；
4) 抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错误的发生；
5) 与现有硅工艺兼容，可减少13-20%的工序。
SOI在高性能超大规模集成电路、高速存贮设备、低功耗电路、高温传感器、军用抗辐
照器件、移动通讯系统、光电子集成器件以及MEMS(微机电)等领域具有极其广阔的应用前
景，被国际上公认为“21世纪的硅集成电路技术。”
3．SOI的制备技术
SOI材料是SOI技术发展的基础，SOI技术的发展有赖于SOI材料的不断进步。缺乏低
成本、高质量的SOI材料一直是制约SOI技术进入大规模工业生产的首要因素。近年来，随
着SOI材料制备技术的成熟，制约SOI技术发展的材料问题正逐步被解决。SOI材料的制备
技术归根结底包括两种,即以离子注入为代表的注氧隔离技术 (Speration-by-oxygen
implantation, 即SIMOX)和键合 (Bond)技术。 键合技术包括传统的Bond and Etch back
(BESOI)技术和法国SOITEC公司创始人之一M.Bruel提出结合氢离子注入与键合的注氢智能
剥离技术(Smart-cut),以及陈猛博士于2005年提出的将注氧隔离与键合相结合的Simbond
SOI材料制备新技术。以下对各种技术的应用现状与优缺点做一些阐述。
3.1 注氧隔离技术
注氧隔离技术 (SIMOX ,Seperation by Implantation of Oxygen)。是发展最早的SOI
圆片制备技术之一，曾经也是很有希望大规模应用的SOI制备技术之一。采用此技术在普通
圆片的层间注入氧离子经超过1300℃高温退火后形成隔离层。此方法有两个关键步骤：高
温离子注入和后续超高温退火。在注入过程中，氧离子被注入圆片里，形成硅的氧化物沉淀。
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也不很好。随后进行的高温
退火能帮助修复圆片损伤区域并使二氧化硅沉淀物形成二氧化硅绝缘层，界面陡峭均匀。
法国SOITEC和美国IBIS以及IBM,日本的SUMCO以及日本的Nippon Steel等曾经是
SIMOX技术的大力推广者。SOITEC在后来逐步发展成熟了SMART-CUT技术后基本彻底摈弃了
SIMOX技术；而美国IBIS由于市场技术等原因也在2005年宣布放弃SIMOX材料制备技术从
而集中于注入机的研制。在SIMOX发展过程中,SOITEC和IBIS都完善和成熟了高剂量(大约
1.7E18/cm2)即全剂量(Full-dose)SIMOX制备技术; 而日本的Nippon Steel (现在被WACKER
收购)的IZUMI发明了内部热氧化(Internal Oxidization, ITOX)工艺,是低剂量SIMOX技术
发展过程中的里程碑，为新的低剂量SIMOX发展指明了发展方向。其后, IBM的D.K.Sadana
等在IZUMI的基础上,发展了新的改进的低剂量 (MLD ，Modified Low Dose) SIMOX工艺。
值得提出的是，IBM的研究人员在低剂量SIMOX圆片制备技术中作出了绝对的贡献，迄今几
乎所有能够产业化的低剂量SIMOX制备技术都来自于IBM研究人员的工作。其后，IBM同IBIS
和SUMCO合作, 使MLD曾经发展到每个月定量向IBM在NEW YORK的East Fishkill提供8和12英寸SIMOX片的辉煌成就。但是,其后由于各种原因,IBIS于2005年最终宣布退出SIMOX
材料制备, SIMOX在IBM的应用也逐渐减少。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所林成鲁研究员为首的研究小组，多年在SOI
领域坚持研究,在推动我国SOI应用方面做了很多工作。陈猛博士在微系统所工作期间,发现
了氧离子注入制备过程中的能量剂量关系,并以此制备低剂量SIMOX材料。上海新傲科技秉
承微系统所林成鲁研究员为首的长期积累,并于2001年引进美国IBIS公司的氧离子注入机
及相关SIMOX生产工艺,生产4/5和6英寸SIMOX产品。上海新傲科技的成立,标志着我国真
正可以小批量生产SIMOX圆片。新傲科技成立后,产品曾在国内研究院所和高校得到研究使
用, 推动了国内SOI的相关技术研究的发展。
除新傲科技以外，北京师范大学、长沙电子48研究所等均在SIMOX研究方面有所涉及。
长沙电子48所还独立开发出了氧离子注入机,并发展了相关的制备工艺。
SIMOX的缺点在于长时间大剂量的离子注入，以及后续的长时间超高温退火工艺，导致
SIMOX材料质量和质量的稳定性以及成本方面难以得到有效的突破,这是目前SIMOX难以得
到产业界的完全接受和大规模应用的根本原因。 SIMOX的技术难点在于颗粒的控制、埋层
特别是低剂量超低剂量埋层的完整性、金属沾污、界面台的控制、界面和表面的粗糙度以及
表层硅中的缺陷等，特别是质量的稳定性很难保证。
在4/5/6英寸SIMOX片的市场基本上是提供大专院校和研究所做SOI技术实验而用,迄
今没有形成产业规模；8英寸和12英寸SIMOX片目前只有日本的SUMCO和S.E.H能够少量
供应。总而言之，SIMOX在小尺寸（4、5和6英寸）的应用非常局限，大规模应用基本没有
形成；在大尺寸(8英寸和12英寸)的应用方面，IBM, Motorola 以及AMD有少量使用，大
尺寸SIMOX还需要在质量和质量的稳定性以及成本方面得到更进一步的提高。SIMOX的规模
效应的来临尚需时日。
图2给出了SIMOX 工艺技术路线示意图。
图2 SIMOX制备SOI的工艺流程示意图
3.2 键合技术
通过在硅和二氧化硅或二氧化硅和二氧化硅之间使用键合(Bond)技术，两个圆片能够紧密键合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。键合圆片在此圆片的一侧削薄到所
要求的厚度后得以制成。这个过程分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片
在另一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第三步是通过研磨、
抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直到所要求的厚度。
键合技术是同SIMOX同步发展起来的技术，两者各自侧重于不同应用需求。世界上曾经
和现在可以提供键合产品的供应商包括日本的S.E.H，SUMCO, Toshiba Ceramic, 芬兰的
OKEMATIC（2002年，目前侧重于MEMS用键合SOI的供应）, 英国的BCO（有20多年的历史）
以及美国的ISONIC（于2006年宣布放弃键合SOI），韩国的LG(2005年放弃小尺寸键合SOI)
以及上海新傲科技(2005年底建成5/6英寸中试线)。但是，真正能够提供高质量键合产品
的基本只有日本的S.E.H，目前基本达到量产规模的厂家，使用的均是日本的S.E.H公司产
品。其它公司，基本是侧重于供应大专院校与研究所以及小批量生产公司，更多的以样品的
形式提供键合产品。
中国大陆信息产业部24所毛如炎领导的团队，于2004年建成实验室，生产4英寸的键
合SOI产品。在陈猛博士领导下，上海新傲科技公司，于2005年中期同美国ACA公司合作
开发键合技术，并于2005年12月成功的建成了一条中试生产线，生产5和6英寸键合SOI
产品。该产品其后开始在国际多个公司论证并获得良好的效果。
键合产品瞄准的客户主要是高温高压器件、MEMS器件、汽车电子、传感器以及航空航
天方面的特种器件等。在SOI没有广泛应用于民用器件前(1998年IBM第一个成功的使用SOI
制备出的服务器用CPU是SOI商业化的标志)，键合SOI是SOI的主要材料制备技术，但市
场增长缓慢。但是，随着近年来PDP以及汽车电子等大量高压高功率器件的广泛应用和稳定
增长，键合市场也不断稳步成长。目前键合技术包括大量的量产客户，如日本的Panasonic、
TI、FUJI、NEC、Renesas、Toshiba、Denso等；欧洲的Philips、Atmel、Elmos、X-Fab等；
韩国的Hynix；美国的National Semi、Maxim、ADI、Clare等。这些用户大量使用5英寸
和6英寸的键合SOI材料，少量客户使用8英寸键合SOI圆片。目前键合技术制备的5英寸
和6英寸SOI在小尺寸SOI领域里面占主要份额。
键合技术的核心问题是表层硅厚度的均匀性控制问题，这是限制键合技术广泛推广的根
本原因。目前的技术水品通常是+/-0.5μm,好的可以达到+/-0.3μm以内。除此之外，键合
的边缘控制、界面缺陷问题、翘曲度弯曲度的控制、滑移线控制、颗粒控制、崩边、界面沾
污等问题也是限制产业化制备键合SOI的关键技术问题。成品率和成本问题是键合产品被量
产客户接受的核心商业问题。
曾经有不同的研究人员提出过多种改进键合均匀性的方法和技术，但这些技术产品至目
前为止，还难以批量向客户供应。
图3给出了键合技术的工艺流程示意图。
