SOI材料的发展历史、应用现状与发展新趋势（下）
陈猛  王一波
上海新傲科技有限公司
4. SOI的应用领域
4.1 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英寸和12英寸大尺寸薄膜SOI，其中绝大多数用户为尖端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前两家供应了几乎全部的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款最新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，宣布其最新扩充发展策略。
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星途揽月行政版2022款报价图片
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采用与否SOI极其相关。Intel的参与将极大的改变SOI的发展方向。下图给了J.P.Mogen预测有与没有Intel参与下各个技术拥有的薄膜SOI的市场发展预测。
图6. 薄膜SOI市场的发展预测 (红有Intel参与；兰，无Intel参与，来源: JPMogon estimate)
图7. J.P.Mogen预测有与没有Intel参与下各个技术拥有的薄膜SOI的市场发展预测 4.2 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，现在拓展到功率和灵巧器件以及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，使得在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，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，器件的利润也相对降低，对SOI材料的价格比较敏感。在这些SOI材料用户里面，很大的应用主要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受端的放大器电路；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、声频、音频放大器等；韩国的Magnchip(Hynix)则为Kopin生产用于数码相机用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
忙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。
4.3 SOI在集成光通讯方面的应用
广州女司机撞人SOI可作为一种结构材料,SOI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IPO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.
5. SOI发展的新趋势
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5.1 应变硅 (sSOI)
应变硅是一种能够提高载流子迁移率和增强器件性能的新技术[5-8]。相对于采用别的高迁移率半导体材料，如III-V族化合物半导体，在硅中引入应变对CMOS器件制造工艺的影响更小，因而这项技术成为人们的首选。当前有两类广泛使用的制备应变硅的方法。一类是在晶体管制作前在衬底上形成应变硅晶片（strained silicon wafer），被称作“全局”方案；另一类是在晶体管周围通过“局部”膜层引入应变--工艺致应变（process-induced strain）。目前，国际上IC工业评价的应变硅衬底主要是两种“全局”方案：直接在绝缘体上生长的应变硅（strained silicon on insulator, sSOI，应变SOI）以及在绝缘体上的弛豫硅锗（sGOI）上生长的应变硅。
随着SOI材料在器件应用的普及，SOI技术也暴露出自身结构上存在的一些问题。其中最大的两个问题为：1）硅器件层电子迁移率和空穴迁移率偏低；2）埋层SiO2的热导率低，易导致“自加热效应”。许多研究机构正致力于改进SOI结构，以提高顶层的电子迁移率和绝缘埋层的热导率。
SOI顶层是用于制备器件有源层的区域。由于硅材料的电子迁移率偏低，进一步提高顶层的电子迁移率成为SOI研究的新趋势，目前已出现绝缘层上应变硅(sSOI)和绝缘层上硅锗(SGOI)技术。
5.1.1绝缘体上硅锗（sGOI）上生长的应变硅（应变硅/弛豫的锗硅/SiO2/硅衬底）
先通过SIMOX和Smart-cut技术或氧化扩散法等制备SGOI（SiGe On Insulator）材料，再在弛豫的硅锗上生长应变硅。为实现应变Si结构所需的衬底材料一直是应变Si技术发展的瓶颈，SGOI材料被认为是满足这一需要的良好衬底材料。这种结构中由于SiGe层的存在，顶层的Si薄层中将会存在张应变。显然，由于Ge与Si晶格结构相同、晶格常数相差约4%，SiGe材料在工艺上与传统集成电路工艺基本兼容，SiGe的组分可调又使得Si层的应变可调。
5.1.2 应变SOI，或绝缘体上应变硅（sSOI）（应变硅/SiO2/硅衬底）
这种技术直接在绝缘体上生长应变硅（sSOI），而无驰豫SiGe 中间层。例如，Amber Wave 公司制备绝缘体上应变Si（sSOI）的过程如图8所示：第一步，在普通Si 片上外延递变组分的SiGe 层，然后在外延一层固定组分的驰豫SiGe 层，最后外延应变Si 层。利用CMP 技术将应变Si 表面抛光至粗糙度低于5埃（40um×40um）。第二步，利用Smart-Cut 技术，在该外延片中注入氢，然后将其与一个覆盖有氧化层的Si 片键合，然后剥离，退火。第三步，应变Si 表面残留的SiGe 层通过湿法腐蚀去除。轮胎进货哪里便宜
上面两种技术得到的都是“全局”应变硅晶片，其中，前一种技术包含有中间锗硅层，在后续工艺中因为锗的存在会导致某些集成问题，例如：
1） 热导致锗外扩散到应变硅层并降低其中的应变。当锗到达栅氧界面时，表面的陷阱密度会大大增加，降低了晶体管的性能和可靠性。
2） 杂质在锗硅中的扩散与在硅中完全不同，这样要重新设计源/漏的扩展范围。锗硅的低带隙还增加了二极管的漏电流和晶体管的关断电流。
3） 螺位错会增加二极管的漏电流，螺位错密度要低到104/cm 2
才能把对二极管漏电流的影响减到最小。 由于sSOI马自达6阿特兹
具有应变硅的各种优点，且没有含锗衬底所面临的各种缺陷与工艺极限而越来越受关注。就全耗尽器件结构而言，典型应变硅膜的厚度为10-20 nm，如果与现有的部分耗尽设计完全兼容，可以将这一厚度提高至70 nm。典型的应力值为1.5 GPa ± 20 Mpa，变化为1s。 图8. Amberwave 制备sSOI 的流程：（a ）键合；（b ）剥离；（c ）SiGe
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