1、項(xiàng)目提出的背景、必要性及意義

由于國外SOI材料價(jià)格昂貴，而且對我國封鎖禁運(yùn)，國內(nèi)研究單位和生產(chǎn)廠家難以開展研制和生產(chǎn)SOI集成電路，在21世紀(jì)初根本不可能依賴進(jìn)口實(shí)現(xiàn)我國電子、信息等高科技的發(fā)展和國防的現(xiàn)代化進(jìn)程。如果我們能實(shí)現(xiàn)SOI材料的國產(chǎn)化，就可以批量生產(chǎn)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(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈和宇宙飛船的電子控制系統(tǒng)，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(shí)力。同時(shí)，為SOI器件在移動(dòng)通訊、計(jì)算機(jī)、汽車、航空航天、核能和石油提煉等民用高科技領(lǐng)域的大規(guī)模推廣應(yīng)用，提供技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的支持。

目前，美國能夠制備出的商用SOI硅片，雖然品質(zhì)尚未完善，但其售價(jià)昂貴。如果可能率先實(shí)現(xiàn)SOI材料的產(chǎn)業(yè)化，必將進(jìn)一步推進(jìn)全國電子信息材料領(lǐng)域的發(fā)展，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2、SOI的用途與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

SOI材料是21世紀(jì)最重要的硅集成電路材料。由于材料的特殊結(jié)構(gòu)，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(yīng)和熱電子效應(yīng)的影響，同時(shí)具有無閂鎖、低漏電、低功耗、速度快和高驅(qū)動(dòng)能力，耐高溫和抗輻照能力強(qiáng)，集成度高和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜谥圃斓蛪骸⒌凸钠骷透邷仄骷üぷ鳒囟瓤蛇_(dá)300℃，例如高溫壓力傳感器）。在CMOS／SOI電路中，因輻照產(chǎn)生的光電流比體硅CMOS電路小近3個(gè)數(shù)量級，抗瞬態(tài)輻照能力和抗中子輻照的能力遠(yuǎn)高于體硅CMOS電路。

SOI器件主要用于計(jì)算機(jī)、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(wèi)星和導(dǎo)彈上用的抗輻照電路。由于SOI材料，特別是薄膜SOI結(jié)構(gòu)材料有效地克服了體硅材料的不足，充分發(fā)揮了硅集成技術(shù)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(lǐng)域中，均有極其廣泛的應(yīng)用前景。SOI材料是制造國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中需要的超高速信號處理和強(qiáng)抗核輻射能力的計(jì)算機(jī)及控制部件的理想材料。SOI技術(shù)成為國防微電子尖端技術(shù)。制備SOI材料的技術(shù)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(jié)晶、硅片鍵合及腐蝕減薄技術(shù)（BESOI，Bond and etch back）、氧離子注入隔離技術(shù)SIMOX（Separation by implanted oxygen）和智能剝離技術(shù)（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(yù)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(guī)模生產(chǎn)。

Smart- cut是為克服BESOI技術(shù)中硅片減薄的困難而發(fā)展起來的新技術(shù)，很有前景，已成為當(dāng)前SOI技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。用Smart-Cut技術(shù)制備SOI材料，目前有一些不易克服的困難：在注氫剝離時(shí)，高劑量注入的氫處于一種離散的凝聚狀態(tài)，不形成大面積的連續(xù)層，使剝離困難，剝離后的頂部硅層表面必須進(jìn)一步處理，才能制造器件；由于表層的平整度和雜質(zhì)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(shù)是目前SOI材料的主流制造技術(shù)，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(fā)展，目前SIMOX技術(shù)是向低注入劑量、低注入能量的方向發(fā)展，目的是制造超薄硅膜的SOI材料，同時(shí)減少注入時(shí)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(shù)在這方面更加顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

與國際相比，我國的SIMOX材料在材料的綜合性能指標(biāo)上仍有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｖ饕憩F(xiàn)在頂部硅層的電阻率均勻性、位錯(cuò)密度和金屬沾污狀況不及國外先進(jìn)水平，目前不能滿足集成電路的要求。制造設(shè)備落后，缺乏強(qiáng)束流（>1mA）的專用注氧機(jī)和超高溫退火設(shè)備（>1300℃），是造成我國在SIMOX材料制造技術(shù)上的巨大差距的主要原因。目前國內(nèi)研究和生產(chǎn)單位所能得到的SOI材料，基本都是通過非正規(guī)渠道從國外獲得，數(shù)量很少，質(zhì)量也不能保證，根本無法滿足需要。

3、SOI材料的需求與供應(yīng)情況

目前，國內(nèi)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(nèi)，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(guī)模生產(chǎn)并廣泛用于通訊、電子、計(jì)算機(jī)、航空業(yè)、汽車業(yè)等民用領(lǐng)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(chǎn)品類似，從1998年以后，隨著生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展和生產(chǎn)成本的下降，國際市場的SOI材料價(jià)格基本處于一種緩慢下降的趨勢中，預(yù)計(jì)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(nèi)市場。

4、SOI制備技術(shù)存在的技術(shù)難題

盡管SIMOX技術(shù)在國外已實(shí)現(xiàn)商品化，仍然有三個(gè)重要問題沒有解決：由于經(jīng)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(cuò)，特別是難以消除的穿通位錯(cuò)，單晶質(zhì)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(chǎn)物；過高的退火溫度影響了產(chǎn)品的成品率和成本。一般來說高溫退火是消除位錯(cuò)的有效途徑，為了獲得高品質(zhì)的材料，退火溫度高過1300℃，退火時(shí)間長達(dá)6小時(shí)，幾乎成為公認(rèn)的技術(shù)方案。如果不是已經(jīng)非常接近硅的熔點(diǎn)，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(dá)到更優(yōu)越的全耗盡狀態(tài)。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(yōu)點(diǎn)。亞微米超薄SOI技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高吞吐能力和抗輻照電路的理想選擇。

5、項(xiàng)目技術(shù)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(dá)到預(yù)定的深度和濃度，也要達(dá)到表面硅層和氧化硅層的電特性要求。同時(shí)控制注入時(shí)硅片的溫度，以保持頂部硅層的單晶狀態(tài)。高溫退火：徹底地清洗以后，在硅片表面生長一層保護(hù)作用的氧化硅膜?？刂仆嘶饻囟?、時(shí)間和保護(hù)氣氛，使硅片形成預(yù)定尺寸、電性能的三層結(jié)構(gòu)。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(nèi)。非晶化技術(shù)改善產(chǎn)品質(zhì)量：結(jié)合硅自注入非晶化和快速熱退火技術(shù)，控制工藝條件，主要解決SIMOX技術(shù)中的表面硅層的單晶和氧化硅層的完整均勻性的產(chǎn)品質(zhì)量問題，也要優(yōu)化注入和退火的工藝技術(shù)，以降低成本和提高生產(chǎn)率。

6、項(xiàng)目實(shí)施對環(huán)境影響及擬采取的措施

半導(dǎo)體材料制造過程中，需要清除硅片表面上的各種雜質(zhì)，包括制作過程中產(chǎn)生的表面層、金屬沾污、殘余的有機(jī)溶劑和化學(xué)試劑。高純水（UPDI水）的主要用途是去除硅片表面的各種化學(xué)雜質(zhì)。除了清洗硅片過程中排出的化學(xué)雜質(zhì)，在清掃及維修受污染的專用制造設(shè)備，特別是制水設(shè)備會流出廢氣和廢液。副產(chǎn)物及所有受污染物料，必須作為危險(xiǎn)品進(jìn)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(tǒng)的廢液、干式吸附器的固體廢料等）。必須采取適當(dāng)?shù)念A(yù)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(fù)使用的受污染物料，必須經(jīng)過特別處理以防員工受污染物的影響。

7、項(xiàng)目實(shí)施的社會效益評價(jià)

國外的SOI材料價(jià)格昂貴，即使對我國解除禁運(yùn)，或找到辦法進(jìn)口，其價(jià)格仍是國內(nèi)用戶所無法承受的。對國家而言就要花費(fèi)大量寶貴的外匯。在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)SOI材料的產(chǎn)業(yè)化，其相對低廉的價(jià)格必將受到國內(nèi)用戶的歡迎，一方面可以大量滿足國內(nèi)用戶的需要，另一方面也可以使國家減少甚至不用進(jìn)口，為國家節(jié)約大量外匯。當(dāng)國產(chǎn)SOI材料進(jìn)軍國際市場后，還可以為國家大量創(chuàng)匯。

到目前為止，國內(nèi)尚無一家企業(yè)具備SOI材料產(chǎn)業(yè)化的能力。如果能夠在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)SOI材料的大規(guī)模生產(chǎn)，建立起具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的并具備消化吸收及創(chuàng)新能力的新材料產(chǎn)業(yè)體系，這將是我國高新材料制造技術(shù)的一個(gè)里程碑，必將影響和帶動(dòng)國內(nèi)相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。本文源自澤天傳感，轉(zhuǎn)載請保留出處。