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。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。”3SOI 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(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 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。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。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 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+/-0.5m,好的可以达到 + /-0.3m 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。3.3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年年底生产出第一批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