SOI:硅材料重大突破 产业化仍存短板

SOI：硅材料重大突破 产业化仍存短板

作者：诸玲珍

SOI材料目前已被国际上公认是“新一代硅”，拥有极其广泛的应用领域和发展前景。在2006年度国家科学技术奖励大会上，由上海新傲科技有限公司的“高端硅基SOI材料研发和产业化”项目获得国家科技进步一等奖，让业内人士对SOI的先进性及重要性有了进一步认识。事实上，SOI的大规模商用已经开始于上世纪90年代末，并且保持持续稳定向上增长的态势，年复合增长率超过40%。国际著名半导体调查公司预计，2008年全球SOI材料市场将达到12.4亿美元，SOI材料将占整个硅材料市场的11%。

SOI是硅材料上的重大突破

众所周知，集成电路发展一向遵循摩尔定律的发展模式，18～24个月元器件密度可增加一倍的CMOS主流技术，最近遇到很大的挑战。其中决定元器件性能的载流子迁移率，因元器件微小化垂直电场的增强而衰减。业界公认，SOI和应变硅技术是维持Moore定律走势的两大利器。利用SOI技术研制出了高速、低功耗、高可靠的微电子主流产品-微处理器等高性能芯片，使芯片的功能提高了35%，实现了摩尔定律图上性能的跳跃。

上海新傲科技有限公司总工程师林成鲁介绍说，SOI(Silicon On Insulator)指的是绝缘层上的硅，是一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现的有独特优势，能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。被国际上公认为是“21世纪的微电子技术”和“新一代硅”。 北大微电子系教授张兴告诉记者，由于SOI具有速度快、功耗低、短沟道效应小、特别适合于小尺寸和低压低功耗集成电路、抗干扰和抗辐射能力强等优点，因此，它在高速低功耗的集成电路、抗辐照集成电路、高温集成电路、微机械和光通信器件及大功率集成电路等主流商用信息技术领域的优势逐渐显现。

仍然面临诸多问题

我国从上世纪80年代开始着手SOI材料制造技术的研究，先后被列入“七五”、“八五”、“九五”、“十五”国家攻关、“863”、“973”和微电子重点预研项目。2001年7月上海新傲

科技有限公司成立，一年后建成了我国唯一的基于SIMOX技术的SOI晶片生产线，突破了一系列SIMOX制备工艺的技术关键，成为世界上六大SOI材料供应商之一。目前新傲已具备了年产4英寸-6英寸SOI晶片近2万片的生产能力，并已应用在包括Intel、Samsung等国际顶级半导体公司中，为我国高端硅基材料走向国际市场实现了突破性进展。

林成鲁表示，到2008年，我国将拥有8英寸集成电路生产线15-16条，年消耗8英寸单晶硅片500万片-600万片。按保守估计，其中5%将采用SOI技术，即每年对8英寸SOI晶片的需求将超过20万片。他告诉记者，与SOI材料的突破相比，国内SOI应用刚刚起步，大部分仍处于实验室阶段。但从国内IC制造工艺看，我国已基本具备深亚微米(0.18微米-0.13微米)的工艺水平，完全满足SOI器件制造的要求。同时，经过近十年的努力，我国IC设计水平也已得到了长足的进步。如能选取国内外市场均认同的特定SOI应用，集中我国SOI材料、IC制造、IC设计的各种优势资源进行开发，可望迅速打开我国SOI技术应用的局面，形成SOI市场和技术的双突破。

全球SOI材料主要供应商法国Soitec的总裁Auberton-Herve博士认为：“将SOI作为独特优势使用对中国制造商来说是一个巨大的商机，除由微处理器生产占主导地位的领域外，在中国占优势的所有电子领域中均将发现SOI的身影。”这些新兴领域包括：超低功耗应用；将MEMS传感器和逻辑器件进行完美结合的SoC解决方案；在小型ASIC中结合的射频(RF)和逻辑器件。上述领域均将成为进入SOI应用领域的国内IC从业者的绝好市场机会。 尽管在这些新兴领域SOI大有机会，并且目前SOI已经开始产业化，但现在仍然面临很多问题。“目前SOI产业主要的瓶颈是SOI材料的供应问题、SOI材料的价格问题(SOI材料比体硅材料贵得多)以及SOI薄膜材料的质量问题(主要是表面硅层的质量、表面硅层与二氧化硅界面的质量、表面硅层厚度的均匀性)。此外，SOI工艺的成熟度、新结构SOI器件研发等方面还需要进一步的努力。”张兴说。

在采访过程中，业内专家均表示，如果上述瓶颈克服了，SOI的应用前景将不可限量。 链接

什么是SOI？

SOI(Silicon-on-insulator)即绝缘体上的硅膜，其基本结构如下图所示。SOI器件的有源区

位于绝缘层上的硅膜内，完整的介质隔离可以避免体硅器件普遍存在的大部分寄生效应；由于SOI集成电路的各器件之间在物理和电学上互相隔离，可以进一步提高电路密度、改善电路可靠性并提高电路速度。而且由于SOI器件中在有源区和衬底之间存在隐埋绝缘层，衬底区产生的电荷不能被SOI器件所收集，因此抗辐照性能大大提高；SOI器件中由于结面积比体硅器件小得多，因此不会出现体硅器件在高温下失效的情况；再加上SOI器件的功耗只有目前芯片的1/3左右，其综合性能得到世界各地广泛关注并被寄予厚望并不是意外的事情。

国内SOI技术现有基础

1.成功建成了我国SOI生产线，解决了我国SOI材料的“有无问题”

中科院上海微系统与信息技术研究所于上世纪80年代初在国内率先开展SOI技术研究，已有二十余年SOI研究的丰富经验，先后承担了“七五”、“八五”、“九五”、“十五”SOI国家项目。在SOI的工艺、材料性质、微结构、材料表征、器件工艺等方面取得国际水平的研究成果。

在国家的支持下，中科院上海微系统与信息技术研究所联合其他战略投资者，于2001年7月在上海市嘉定区成立了上海新傲科技有限公司，建成了国内唯一的SOI生产线。上海微系统所将其拥有的SOI专用技术经评估后已投入上海新傲科技有限公司。新傲公司突破了一系列SOI材料制备的关键技术，研发、生产了4英寸-6英寸SOI系列产品，产品系列包括高剂量、低剂量、超薄、高阻SIMOX晶片等，制备的SOI材料性能指标达到或超过国际SEMI标准。所生产的SOI材料，解决了我国SOI材料的“有无问题”，极大推动了我国SOI技术的应用，并已成功进入国际市场，为我国硅基半导体材料走向国际实现了突破性进展。 与此同时，以资深科学家和青年博士为研发核心，经过三年努力，新傲公司已拥有一支包括研发科学家/技术专家、工艺工程师、设备工程师、质量工程师和操作技师在内的20人的高端硅基半导体材料技术团队，并得到中科院上海微系统所和国际合作者的人才支持，能够有效地进行技术研发和工艺开发。 2.SOI技术的应用取得重要进展

新傲公司成功实现SOI材料产业化以后，已向国内器件研制单位如中国电子科技集团无锡58所、中国科学院微电子所等提供4英寸～6英寸SOI材料,用于各种SOI器件研制，

保证特种器件研制的需求。同时还向多家从事微机械、光通信、生物芯片等SOI材料新应用的研究机构与公司提供了SOI圆片。

3.在SOI CMOS物理和辐射加固等方面取得多方面的研究成果

经过国内许多单位多年的努力，其中包括北京大学微电子所、清华大学微电子所、中国科学院微电子所、中国科学院半导体所、中国航天时代电子公司七七一所、中电科技集团58所、24所等，在SOI CMOS物理和辐射加固等方面取得多方面的研究成果。

自1994年以来，已经召开过六届全国SOI技术研讨会。特别是近两届全国SOI技术研讨会的学术报告、交流表明：我国SOI技术进入了重要的发展和应用阶段。近几年，基于SOI技术的64KSRAM的研制成功，0.8μm(5英寸SOI工艺平台的建成，SOI在抗辐射电路、微机械、高压电路、光子集成应用等方面都取得了重要进展。 4.建成和在建数条SOI电路流水线

其中有：中电集团58所0.8μm SOI CMOS制造平台(5英寸)；中科院微电子所SOI CMOS流水线(4英寸)；中国航天时代电子公司七七一所SOI CMOS流水线(6英寸)等。

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