中国科学院微电子研究所研究员 韩郑生

　　“半导体”本身是指导电性能介于导体和绝缘体之间的那些材料。但是，半导体技术包括材料、器件和集成电路制造技术，已成为综合数学、物理、化学等学科知识和各种先进技术的非常庞大、复杂的体系。相类似，SOI(Silicon-On-Insulator)字面意思是绝缘体上硅，可以理解为一种特殊结构的硅材料。而SOI技术却包含非常丰富的内容。SOI技术也包括材料、器件和集成电路制造技术。
　　国内外进展及SOI产业化进程
　　SOI技术的优劣是以常规的体硅技术为参照的。以CMOS技术为例，体硅CMOS技术是以阱的反向PN结作为隔离，将器件分开。而SOI CMOS实现了完全介质隔离，由此带来了一系列优越性：可靠性高、速度快、功耗低、集成密度高等。
　　国外对SOI器件的抗辐射加固技术研究从20世纪70年代起，开展了大量的工作；80-90年代，研究重点集中在SOI器件的抗总剂量加固技术方面；90年代至今，重点集中在高能质子、重粒子、中子等对SOI器件产生的单粒子效应及加固技术方面。近年来，国际上在不同类型、不同工艺的SOI器件，特别是大规模、超大规模CMOS/SOI集成电路的抗辐射加固技术的研究取得了大量实用化的成果，抗电离辐射总剂量能力可达1×104Gy(Si)，抗瞬时剂量率辐射可达5×109Gy(Si)/s；抗单粒子效应可达1×10-10errors/bit·day。
　　在SOI材料方面，国际上主要以美国IBIS公司采用SIMOX技术制作的SOI材料，以法国SOITEC公司采用SMART-CUT技术制作的SOI材料为主要代表。
　　在抗辐照SOI(SOS)CMOS集成电路制造方面，主要有美国Harris公司、Honeywell公司。
　　在高性能SOI CMOS集成电路制造方面，主要是以美国AMD、IBM公司为代表。美国TI公司也在主流的模拟集成电路中采用了SOI技术。这些标志着SOI技术真正进入产业领域。
　　国内一些单位在SOI材料和SOI电路的研制上做过一些工作，但和国外仍有较大差距。在SOI材料方面开展研究工作的单位有中国科学院上海微系统与信息技术研究所、北京大学、中国电子科技集团公司第48所等，现在上海新傲科技有限公司已可以提供商业化的SOI材料。在SOI器件和电路研制方面有中国科学院微电子研究所、中国电子科技集团公司第58所、航天时代集团第七七一研究所、中国科学院半导体所等。
　　中国科学院微电子研究所在“九五”期间承担国家攻关项目“亚微米CMOS/SIMOX器件和电路的研究”，开展了部分耗尽(PD)和薄膜全耗尽(FD)SOI CMOS器件工艺和相关电路的研制。研制成功0.8μm全耗尽SOI 101级环形振荡器，在3V电压下门延迟为69ps/门。研制出4Kbit静态随机存储器(SRAM)。随后该所研制成功SOI/CMOS 64Kbit静态随机存储器(SRAM)，抗γ总剂量达到1×104Gy(Si)，抗单粒LET值>59MeV-cm2/mg(无翻转)。
　　技术及成本是SOI技术应用瓶颈
　　SOI技术具有诸多明显优点，早在上世纪90年代初，许多人就预测SOI技术将替代体硅技术而成为集成电路的主流制造工艺，但是直到进入亚100nm集成电路技术时代，SOI技术才被产业界广为接受。制约SOI使用的因素有技术方面的，也有成本方面的。
　　1.技术方面
　　影响SOI技术应用有材料方面的，也有集成电路制造方面的问题。
　　材料方面。SOI材料的质量是影响SOI技术发展的决定因素。SOI材料是在体单晶硅的基础上，进一步加工而成的。在此过程中杂质沾污、晶格缺陷、氧化层缺陷，以及顶层硅的均匀性都是SOI材料要解决的重要问题。
　　器件和电路方面。任何事物都有两个方面，完全介质隔离带来一系列优势，同时也带来负面影响。例如：浮体效应、自加热效应等。
　　由于完全介质隔离，器件的体区通常是浮着的，虽然浮体对提高器件的速度有利，但是也会带来一系列问题，如kink效应、历史效应等。解决这些问题需要从工艺和电路设计，尤其是版图设计方面综合考虑。解决kink效应的方法之一，是采用全耗尽SOI技术，一般认为当顶层硅的膜厚小于100nm属于全耗尽，大于100nm属于部分耗尽。理论上，全耗尽SOI CMOS器件的性能更优越。但是其器件的阈值电压(VT)受厚度变化影响很大。目前，SOI产品基本上是采用PD-SOI技术。
　　静电放电一直是CMOS集成电路需要关注的重要问题之一，SOI CMOS集成电路的防静电放电技术更具挑战性。
　　体硅集成电路下面的衬底可以提供散热途径，而SOI的散热途径被中间的氧化层阻隔，所以这也是需要关注的问题之一。
　　2.成本方面
　　材料成本也是影响SOI技术使用的重要因素，前面提到SOI材料是在体单晶硅的基础上经再加工而制成的，材料成本当然要比硅单晶材料高。微电子技术之所以能快速而持续地发展是和地球上存在丰富而廉价的硅资源分不开的。
　　有锁就要有开锁的钥匙。采用SOI技术，可以使集成电路制造过程中的工艺简化，降低工艺加工成本，以补偿材料的成本。另外，采用SOI技术改善了产品性能，也会提高产品的竞争力。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　来源：中国电子报