1、項目提出的背景、必要性及意義

由于國外SOI材料價格昂貴，而且對我國封鎖禁運，國內研究單位和生產廠家難以開展研制和生產SOI集成電路，在21世紀初根本不可能依賴進口實現我國電子、信息等高科技的發展和國防的現代化進程。如果我們能實現SOI材料的國產化，就可以批量生產各種系列軍用急需的SOI抗輻照、無鎖定、高速度、低功耗的集成電路和各種高性能的高溫傳感器，裝備我國的衛星、火箭、導彈和宇宙飛船的電子控制系統，提高這些武器裝備的使用壽命、控制精度和安全可靠性，提高我國的國防實力。同時，為SOI器件在移動通訊、計算機、汽車、航空航天、核能和石油提煉等民用高科技領域的大規模推廣應用，提供技術和產業化的支持。

目前，美國能夠制備出的商用SOI硅片，雖然品質尚未完善，但其售價昂貴。如果可能率先實現SOI材料的產業化，必將進一步推進全國電子信息材料領域的發展，帶來巨大的經濟效益和社會效益。

2、SOI的用途與技術發展現狀

SOI材料是21世紀最重要的硅集成電路材料。由于材料的特殊結構，決定了用SOI材料制作的器件具有極低的寄生電容和極低的工作電壓，能減少短溝道效應和熱電子效應的影響，同時具有無閂鎖、低漏電、低功耗、速度快和高驅動能力，耐高溫和抗輻照能力強，集成度高和工藝簡單等優點。可用于制造低壓、低功耗器件和高溫器件（工作溫度可達300℃，例如高溫壓力傳感器）。在CMOS／SOI電路中，因輻照產生的光電流比體硅CMOS電路小近3個數量級，抗瞬態輻照能力和抗中子輻照的能力遠高于體硅CMOS電路。

SOI器件主要用于計算機、汽車、航空和石油提煉等需要的低壓、低功耗和高溫器件以及軍事微電子航空航天中衛星和導彈上用的抗輻照電路。由于SOI材料，特別是薄膜SOI結構材料有效地克服了體硅材料的不足，充分發揮了硅集成技術的潛力，它在高性能的ULSI、高壓、高溫、抗輻照、低壓低功耗及三維集成電路領域中，均有極其廣泛的應用前景。SOI材料是制造國防和經濟建設中需要的超高速信號處理和強抗核輻射能力的計算機及控制部件的理想材料。SOI技術成為國防微電子尖端技術。制備SOI材料的技術有多種，例如硅外延橫向生長、二氧化硅上的多晶硅或非晶硅的再結晶、硅片鍵合及腐蝕減薄技術（BESOI，Bond and etch back）、氧離子注入隔離技術SIMOX（Separation by implanted oxygen）和智能剝離技術（Smart-cut，即用鍵合方法將長有氧化層的硅片和另一硅片合成于一體，預先注入的氫原子層加溫后將上層剝離、拋光）。其中SIMOX和Smart-cut更適合于大規模生產。

Smart- cut是為克服BESOI技術中硅片減薄的困難而發展起來的新技術，很有前景，已成為當前SOI技術的研究熱點之一。用Smart-Cut技術制備SOI材料，目前有一些不易克服的困難：在注氫剝離時，高劑量注入的氫處于一種離散的凝聚狀態，不形成大面積的連續層，使剝離困難，剝離后的頂部硅層表面必須進一步處理，才能制造器件；由于表層的平整度和雜質等原因，鍵合的界面的物理性能不完美，同樣影響頂層硅上電路的可靠性。

SIMOX技術是目前SOI材料的主流制造技術，美國IBIS和SPRIL公司、法國SOITEC公司已有商品化的SOI材料出售。隨著薄膜全耗盡亞微米集成電路的發展，目前SIMOX技術是向低注入劑量、低注入能量的方向發展，目的是制造超薄硅膜的SOI材料，同時減少注入時間，減少沾污，改善頂部硅膜的晶體完整性，并降低成本。SIMOX技術在這方面更加顯示出其獨特的優點。

與國際相比，我國的SIMOX材料在材料的綜合性能指標上仍有相當的差距。主要表現在頂部硅層的電阻率均勻性、位錯密度和金屬沾污狀況不及國外先進水平，目前不能滿足集成電路的要求。制造設備落后，缺乏強束流（>1mA）的專用注氧機和超高溫退火設備（>1300℃），是造成我國在SIMOX材料制造技術上的巨大差距的主要原因。目前國內研究和生產單位所能得到的SOI材料，基本都是通過非正規渠道從國外獲得，數量很少，質量也不能保證，根本無法滿足需要。

3、SOI材料的需求與供應情況

目前，國內SOI器件正處于研制階段，市場需求量約為1000-2000片／年。今后三五年內，隨著SOI器件和電路在國防裝備上的廣泛采用，對SOI材料的需求量會大幅度上升。如果SOI器件大規模生產并廣泛用于通訊、電子、計算機、航空業、汽車業等民用領域，對SOI材料的需求量將會以幾何量級急速上升。和別的電子類產品類似，從1998年以后，隨著生產規模的發展和生產成本的下降，國際市場的SOI材料價格基本處于一種緩慢下降的趨勢中，預計今后幾年仍將保持這種下降趨勢，但下降幅度將不會太大，尤其是國內市場。

4、SOI制備技術存在的技術難題

盡管SIMOX技術在國外已實現商品化，仍然有三個重要問題沒有解決：由于經過高劑量氧離子注入，頂層硅中殘存的氧濃度較高，形成較高密度的位錯，特別是難以消除的穿通位錯，單晶質量差；在二氧化硅埋層中存在著以硅原子為主體的針孔、管道和硅分凝產物；過高的退火溫度影響了產品的成品率和成本。一般來說高溫退火是消除位錯的有效途徑，為了獲得高品質的材料，退火溫度高過1300℃，退火時間長達6小時，幾乎成為公認的技術方案。如果不是已經非常接近硅的熔點，退火溫度可能還會選得更高，而且提高退火溫度的方法用到了極限，仍不能完全解決問題。

近年來由于SOI薄膜材料的研究成功和性能的改善，隨著SOI材料表面硅層厚度的減薄，可以使SOI器件達到更優越的全耗盡狀態。這種SOI薄膜材料更適合于制造高性能的深亞微米ULSI電路。薄膜全耗盡SOI器件具有：速度高、功耗低（1V電源）、抗輻照特性好、集成度高、成本低等一系列優點。亞微米超薄SOI技術是實現高速、高吞吐能力和抗輻照電路的理想選擇。

5、項目技術工藝路線

氧離子注入單晶硅硅片：控制注入的劑量和能量，達到預定的深度和濃度，也要達到表面硅層和氧化硅層的電特性要求。同時控制注入時硅片的溫度，以保持頂部硅層的單晶狀態。高溫退火：徹底地清洗以后，在硅片表面生長一層保護作用的氧化硅膜。控制退火溫度、時間和保護氣氛，使硅片形成預定尺寸、電性能的三層結構。要求工藝過程造成的金屬沾污、損傷和界面不平整控制在允許范圍之內。非晶化技術改善產品質量：結合硅自注入非晶化和快速熱退火技術，控制工藝條件，主要解決SIMOX技術中的表面硅層的單晶和氧化硅層的完整均勻性的產品質量問題，也要優化注入和退火的工藝技術，以降低成本和提高生產率。

6、項目實施對環境影響及擬采取的措施

半導體材料制造過程中，需要清除硅片表面上的各種雜質，包括制作過程中產生的表面層、金屬沾污、殘余的有機溶劑和化學試劑。高純水（UPDI水）的主要用途是去除硅片表面的各種化學雜質。除了清洗硅片過程中排出的化學雜質，在清掃及維修受污染的專用制造設備，特別是制水設備會流出廢氣和廢液。副產物及所有受污染物料，必須作為危險品進行管理，接特殊廢料處理（包括固體廢渣、受污染的衣服、受污染的真空泵油、水淋系統的廢液、干式吸附器的固體廢料等）。必須采取適當的預防措施，例如穿戴一次性外套、一次性手套及口罩。像工作服、凈化器皿這類要重復使用的受污染物料，必須經過特別處理以防員工受污染物的影響。

7、項目實施的社會效益評價

國外的SOI材料價格昂貴，即使對我國解除禁運，或找到辦法進口，其價格仍是國內用戶所無法承受的。對國家而言就要花費大量寶貴的外匯。在國內實現SOI材料的產業化，其相對低廉的價格必將受到國內用戶的歡迎，一方面可以大量滿足國內用戶的需要，另一方面也可以使國家減少甚至不用進口，為國家節約大量外匯。當國產SOI材料進軍國際市場后，還可以為國家大量創匯。

到目前為止，國內尚無一家企業具備SOI材料產業化的能力。如果能夠在國內實現SOI材料的大規模生產，建立起具有我國自主知識產權的并具備消化吸收及創新能力的新材料產業體系，這將是我國高新材料制造技術的一個里程碑，必將影響和帶動國內相關科學技術領域的進一步發展。本文源自澤天傳感，轉載請保留出處。