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。

　　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(ITOX，Internal Oxidization )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 SIMOX 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 给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。

　　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。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。

　　信息产业部电子 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 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。

　　3 注氧键合技术

　　在传统的键合和离子注入技术的基础上，陈 猛博士于 2005 年提出了注氧键合技术 （Simbond），以此解决传统键合表层硅均匀性难 以控制的问题。基于此，上海新傲科技公司于 2005 年年底生产出批 Simbond SOI 材料，均 匀性达到+/-10nm,且埋层厚度可调。在此基础上外 延后顶层硅厚度均匀性可控制在+/-2.0%范围内。 该技术利用氧离子注入和后续的退火工艺，利用 氧离子注入产生的一个分布均匀的离子注入层， 并在退火过程中形成二氧化硅绝缘层。此二氧化 硅绝缘层用来充当化学腐蚀阻挡层，可对圆片在 最终抛光前器件层的厚度及其均匀性有很好的控 制。由于在此工艺中，表层硅的均匀性由氧离子 注入工艺来控制，因此，顶层硅均匀性很好。同 时，绝缘埋层的厚度可随意调节。一般来说，顶 层硅的厚度均匀性可以控制在+/-10nm 以内 （顶 层硅厚度小于 300nm）。

　　如果为了获得更厚的顶层硅，可以采用外延 技术。考虑到单片式外延炉的均匀性一般可以控 制在+/-2%甚至 1.5%以内，因此，采用 Simbond 技 术加上外延制备厚顶层硅 SOI 材料，顶层硅的厚 度均匀性可以控制在+/-2%以内。

　　腐蚀阻挡层的缺陷和注入剂量的减小是一对 矛盾。如何使用超低剂量制备出具有良好腐蚀阻 挡效果的腐蚀阻挡层，是该技术能否实用化和得 到产业界认可的关键。总而言之，注氧成本决定 了最终 SOI 材料的成本，而腐蚀阻挡层的质量决 定了最终 SOI 材料顶层硅以及在此基础上外延生 长的外延层的质量。

　　4 注氢键合技术（智能剥离，Smart-Cut）

　　1995 年 M Bruel 利用键合和离子注入技术的 优点提出了智能剥离（Smart-Cut）技术。它是利 用氢离子注入到硅片中，形成具有气泡层的注氢 片，与支撑硅片键合（两个硅片中至少有一片的 表面带有热氧化的 SiO2 覆盖层），经适当的热处 理使注氢片从气泡层处完整裂开，形成 SOI 结构。

　　Smart-cut 技术的核心在于利用氢离子注入的 特性结合常规键合技术，利用氢离子注入引起的 剥离性能提高了顶层硅的均匀性。其它方面的控 制同常规键合技术类似。Smart-cut 技术问世以来， 以法国 SOITEC 公司为主的研究发展了大量相关的 技术，使 Smart-cut 成为现在站垄断地位的薄膜 SOI 制备技术，其薄膜市场的占有率目前接近 100%。SOITEC 也凭借 Smart-cut 技术成为世界上 核心的薄膜 SOI 供应商。

　　目前世界上日本 S.E.H 和德国 WACKER 均取 得了 SOITEC 的技术许可，可以生产 8 英寸和 12 英寸的 Smart-cut 产品。

　　注氢键合技术一般也用于制备薄膜 SOI 材料。 要制备顶层硅厚度大于 1.5μm 的 SOI 材料，需要 外延技术的辅助。

　　绝缘体上硅基板由以下三层构成：

　　薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路

　　相当薄的绝缘二氧化硅中间层

　　非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。

　　开始采用SOI材料做基板时，芯片制造商在生产过程中仍然能够继续使用传统的制造工艺和设备。事实证明，SOI完全能够满足主流MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的性能需求。对部分耗尽型和全部耗尽型CMOS（互补金属氧化物半导体） 器件的性能改善、漏电流减小以及功耗减少等都会产生极大地影响，特别适合于低电压器件结构等。

　　除了CMOS器件，SOI还可用来制造技术的微电子机械系统（MEMS），MEMS 可用于传感器以及微光电技术电路等。此外，也可以利用SOI增强BiCMOS、功率器件和高压器件的性能，另外还能够改善在高温环境或者曝光在电离辐射环境下的集成电路的性能。

　　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。由于减小了寄生电容， 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。”

　　1、SOI 的高端应用—8 英寸和 12 英寸的薄膜 SOI

　　国际 SOI 市场 95%的应用集中在 8 英寸（1 英 寸=25.4 毫米）和 12 英寸大尺寸薄膜 SOI，其中绝 大多数用户为微电子技术的引导者，如 IBM、AMD 等。目前供应商为法国 SOITEC、日 本信越（SEH）、日本 SUMCO，其中 SOITEC 对 前两家用户供应了几乎全部的 SOI 产品。其主要 驱动力来自于高速、低功耗 SOI 电路，特别是微 处理器（CPU）应用，技术含量高，附加值大 [2-4]。例如，2005-2006 财务年度 SOITEC 公司销 售的 SOI 圆片，12 英寸占 60%，8 英寸占 28%， 其他占 12%。可见，SOI 的高端应用，主要是需要 12 英寸的圆片。

　　SOI 材料市场每年约扩大 40％，2006 年更是 增长了将近 100%。预计到 2010 年，规模将超过 10 亿美元，远远高于硅材料每年 7.7％的增长率。 届时 SOI 材料将占全部硅半导体材料的 10％。最 近，SOI 材料在民用设备中的应用越来越多，任天 堂“Wii”、索尼计算机娱乐（SCE）“PS3”、美国 微软“Xbox 360”等 3 款游戏机全部配备了采 用 SOI 材料的处理器。今后，还有望应用于数码 相机、平板电视和汽车等使用的处理器和 SoC （系统芯片）。

　　IBM 和 AMD 等公司是 SOI 技术的主要推动者。 IBM 在其纽约的 12 英寸生产线 100%采用 SOI 材 料以替代硅衬底材料，用 SOI 技术推出了新型 AS/ 400 服务器系列，比目前的高端机型的速度几乎快 出 4 倍。IBM、SONY、TOSHIBA 联合开发 SOI 上 90～45nm 线宽的技术，并将 S0I 技术引入电子 消费类芯片的生产中，市场非常广阔。

　　AMD 将 SOI 技术移植入所有 PC 处理器，用 于 Athlon 64、Turion 64、Opteron 等,是目前全球最 大的 SOI 材料消费者。AMD 宣布转移至 65 纳米 制程技术，并发表新一代高效能运算方案，推出 高效能 AMD Athlon 64 X2 双核心桌上型处理器。 采用 65 纳米线宽技术之 AMD 处理器，在同时执 行多个应用程序时能发挥优异的效能，让业者能 开发体积小巧的个人计算机，适合住家与办公室 环境应用。在 2007 年中，AMD 的 Fab 36 晶圆厂 将完全转移至 65 纳米技术。

　　随着微处理器（CPU）、游戏机芯片 （GPU）制程对 SOI 技术需求愈来愈强，SOI 已成 为各大晶圆代工角逐核心客户青睐的武器。台积 电、联电都不敢轻忽先进制程以下导入 SOI 技术 大量生产的重要性，新加坡特许半导体则抢先在 90 纳米制程便采用 IBM 授权，赢得微软 （Microsoft）XBOX 360 GPU 订单。台积电正评 估未来 45 纳米制程争取代工 CPU 的可能性，未来 更积极取得 SOI 技术势在必行。

　　SOITEC 公司为满足全球对 SOI 与其它衬底不 断增加的需求，宣布其扩充发展策略。截至 2006 年 3 月为止，SOITEC 在 Bernin 生产据点的 投资已超过 3.5 亿欧元，预计在设备装设完成时的 总投资将超过 5 亿欧元，员工人数接近 1000 人。 SOITEC 针对 300 毫米晶圆的年产能预估将可从目 前的 72 万片提升至 100 万片。SOITEC 选择在新 加坡设立新的 300 毫米 SOI 晶圆厂，名为三号晶 圆厂。2005 财年，SOITEC 公司与 AMD 签订了 1 亿 5000 万美元的 SOI 材料供货合同，2006 财年又 新签订了 3 亿 5000 万美元的合同。

　　但是，Smart-cut 技术拥有的薄膜 SOI 市场与 Intel 采用 SOI 与否极其相关。Intel 的参与将极大 的改变 SOI 的发展方向。

　　2、SOI 的其它应用—4-6 英寸 SOI

　　SOI 早期的主要应用集中在航空、航天和军事， 现在拓展到功率和智能器件以及微电子机械系统 （MEMS）应用。特别是在汽车电子、显示、无 线通讯等方面发展迅速。由于电源的控制与转换、 汽车电子以及消费性功率器件方面对恶劣环境、 高温、大电流、高功耗方面的要求，使得为满足 可靠性方面的严格要求不得不采用 SOI 器件。在 这些领域多采用 5 英寸和 6 英寸键合 SOI 材料，目 前的用户包括美国 Maxim、ADI、TI，日本 NEC、Toshiba、Panasonic、Denso、FUJI、Omron 等，以及欧洲 Philips、X-Fab 等。这个领域的特点 在于 SOI 器件技术相对比较成熟，技术含量相对 较低，器件的利润也相对较低，对 SOI 材料的价 格比较敏感。在这些 SOI 材料用户里面，主要应 用来源于各种应用中的驱动电路：如 Maxim 的应 用于主要为手机接收端的放大器电路； Panasonic、TI、 FUJI、Toshiba、NEC 等主要应用 在显示驱动电路中的扫描驱动电路；Denso 的应用 主要在汽车电子、无线射频电路等；Toshiba 的应 用甚至在空调的电源控制电路中；Omron 主要在 传感器方面；ADI 也主要在高温电路、传感器等； 而 Phillips 的应用则主要是功率器件中的 LDMOS，用于消费类电子中如汽车音响、音频放 大器等；韩国的 Magnchip(Hynix)则为 Kopin 生产 用于数码相机的显示驱动电路和为 LG 生产的 PDP 显示驱动电路等。

　　4 到 6 英寸 SOI 的发展方向为高压高功率器件、 MEMS、传感器等领域。键合技术是生产 4 到 6 英 寸厚埋层 SOI 材料的主流技术。SIMOX 技术在本 领域使用有限。

　　对于汽车电子方面的应用，诸如 NXP(前 Philips Semiconductor)、Denso(日本电装株式会社)、 Renesas(瑞萨)、Atmel(爱特梅尔)以及 National Semiconductor(国家半导体)等公司正在使用 SOI 来 帮助汽车制造商们设计出更安全、更舒适以及更 便捷的汽车。

　　DaimlerChrysler（戴姆勒克莱斯勒）， BMW（宝马）、Ford(福特)、GM(通用)、VW(德 国大众)、 Toyota（丰田）以及更多的汽车厂商正 在尝试在跨多重应用和汽车网络协议使用的基于 SOI 的芯片。SOI 使得芯片能够在很高的温度环境 下（例如，在汽车引擎附近）运行，甚至在电子 噪声环境下也能够正常运行。同时，它还能实现 “智能功率”IC,即能够将数码、模拟以及功率组 件紧密地封装在同一只芯片中。

　　3、SOI 在集成光通讯方面的应用

　　SOI 作为一种结构材料，在集成无源光通信器 件方面的应用在 20 世纪初曾经很火热。在密集波 分复用(DWDM)、波分复用(WDM)、光耦合 VOA、AWG 等方面都曾大量开展 SOI 的应用,试 图用于高速宽带接口等方面。

　　但是,SOI 在集成光通讯方面的应用在 2000 年 后由于整个光通信市场的变化而迅速衰退。这方 面的典型公司为英国 Bookham。Bookham 靠 SOI 基无源光通信器件发展起来而上市（IPO，Initial Public Offering）首次公开募股成功,后来随光通信 市场的变化而完全淡出 SOI 基无源光通信领域,转 而发展基于传统材料的有源光通信器件。