SOI——纳米技术时代的高端硅基材料

第３８卷第１期２００８年２月微电子学ＭｆｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．３８。

Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２００８ＳｏＩ一纳米技术时代的高端硅基材料林成鲁（中国科学院上海微系统与信息技术研究所；上海新傲科技有限公司，上海２０１８２１）摘要：绝缘体上硅（ＳＯＩ）是纳米技术时代的高端硅基材料。

详细介绍了ＳＯＩ在半导体技术领域中的应用，以及近年来为满足ＳＯＩ的特殊应用要求研发的多种ＳＯＩ新材料及其制备技术；综述了绝缘体上应变硅（ｓＳＯＩ），绝缘体上锗（ＧＯＩ）等ＳＯＩ技术的现状和发展动向；最后，对ＳＯＩ技术的发展前景进行了展望。

关键词：高端硅基材料；绝缘体上硅；绝缘体上应变硅；绝缘体土锗中图分类号：ＴＮ３０４文献标识码：Ａ文章编号：１００４—３３６５（２００８）０１—００４４—０６ＳＯＩ。

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・——ＡｄｖａｎｃｅｄＳｉｌｉｃｏｎ－ＢａｓｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｒａＬＩＮＣｈｅｎｇ—ｌｕ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓＩＳｈａｎｇｈａｉＳＩＭＧＵＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８２１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃｏｎ－Ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｉｓａｎａｄｖａｎｃｅｄｓｉｌｉｃｏｎ－ｂａｓｅｄｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｃＩｇＹＥｒａ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ０ｆＳｏＩｉｎｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌＡｖａｒｉｅｔｙｏｆｎｏｖｅｌＳ０１ｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｓｐｅｃｉｆｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｓｅｘａｍ－ｉｎｅｄ．ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｔｈｅｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔｏｆＳＯｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｔｒａｉｎｅｄｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ｓＳｌｏｌＩ）ａｎｄｇｅｒｍａｎｉｕｍ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＧＯＩ），ｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄａｎｄｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｓＩｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｄｖａｎｃｅｄｓｉｌｉｃｏｎ－ｂａｓｅｄｒｎａｔｅｒｉａｌ；Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ（Ｓ０１）；Ｓｔｒａｉｎｅｄｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ｓｓｏＩ）Ｅ】殴蜒ＩＣ：２５２０１纳米技术时代的高端衬底材料集成电路的特征尺寸在１９９９年开始缩小到亚１００ｎｌＴＩ，英特尔（Ｉｎｔｅｌ）在２００６年６月实现了９０ｎｍ与６５ａｍ的“制造接替”；６５ｎｍ技术代的微处理器（ＣＰＵ）由物理栅长仅为３５ｎｍ的近三亿只金属一氧化膜一半导体场效应晶体管（ＭＯｓＦＥＴ）组成，在芯片生产方面实现了里程碑式的跨越。

英特尔４５ｎｍ处理器已正式宣布量产，全球独家首次采用高五金属栅技术。

英特尔为半导体制造技术带来了一次革命，从而使摩尔定律（Ｍｏｏｒｅ’ＳＬａｗ）得到进一步延伸。

根据“国际半导体技术发展路线图”（ＩＴＲＳ）的预测，摩尔定律所预测的高速发展至少将持续到２０２０年，那时的晶体管物理栅长将是６ｒｉｍ！在６年收稿日期：２００７－１２—１５；定稿日期：２００８－０１—１５后的２０１３年，集成电路将进入３２ａｍ技术代，并于２０１６年进入２２ａｍ技术代。

随着芯片集成度的进一步提高，即器件特征尺寸的进一步缩小，将会面临大量来自传统工作模式、传统材料，乃至传统器件物理基础等方面的问题。

因此，必须在器件物理、材料、器件结构、关键工艺、集成技术等基础研究领域寻求突破。

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，重点开发绝缘体上硅（ＳＯＩ）、应变硅、Ｇｅ—ｓｉ、金属栅、低ｋ及高忌介质材料等。

业界公认，ＳＯＩ技术已成为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解万方数据第１期林成鲁：ＳＯＩ一纳米技术时代的高端硅基材料决方案之一，是维持摩尔定律走势的利器。

图１是国际上ＳｏＩ材料头号供应商——法国Ｓｏｉｔｅｃ公司给出的先进材料发展路线图，绝缘体上硅（Ｓ０１），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‘¨。

图１纳米技术时代的高端衬底材料发展路线图Ｆｉｇ．１ＲｏａｄｍａｐｏｆａｄｖａｎｃｅｄｓｕｂｓｔｍｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｒａ２ＳＯＩ的应用２．１高端应用国际ＳＯＩ市场９５％的应用集中在２００ｍｍ（８英寸）和３００ｍｍ（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，前两家提供了约９０％的产品。

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［ｚ－４］。

例如，２００５—２００６财务年度，Ｓｏｉｔｅｃ公司销售的ＳＯＩ圆片中，３００ｍｍ占６０％，２００ｍｍ占２８％。

ＳＯＩ的高端应用，主要是需要３００ｍｍ的圆片。

图２是薄膜ＳＯＩ和厚膜ＳＯＩ在未来几年的增长需求；图３说明２００ｍｌｎ和３００ＩＴＩＩＴＩＳＯＩ将在未来有非常快速的发展，其需求增长将远远超过硅材料的平均增长水平。

Ｓ０１材料市场每年约扩大４０％，预计到２０１０年，规模将达到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ＬＳＩ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“Ｘｂｏｘ３６０”等３款最新游戏机全部配备了采用Ｓ０１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）。

图２薄膜ＳＯｌ和厚膜ＳＯＩ的增长需求Ｆｉｇ．２ＧｒｏｗｔｈｄｅｍａｎｄｏｆｂｏｔｈｔｈｉｎａｎｄｔｈｉｃｋＳ０１ｍａｔｅｒｉａｌｓ图３２００ｍ１２１和３００ｍｍＳＯｌ的需求增长Ｆｉｇ．３Ｇｒｏｗｔｈｄｅｍａｎｄｏｆ２００ｎｌＴｌａｎｄ３００ｎｌｎＳ０１ｗａｆｅｒｓＩＢＭ和ＡＭＤ等公司是ＳＯＩ技术的主要推动者。

ＩＢＭ在纽约的３００ｍｍ生产线全部采用ＳＯＩ材料替代硅衬底材料，用ＳＯｌ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４倍。

ＩＢＭ、Ｓｏｎｙ、Ｔｏｓｈｉｂａ联合开发Ｓ０１上９０～４５ｎｌｎ线宽的技术，并将ＳＯＩ技术引入电子消费类芯片的生产中，市场非常广阔。

ＡＭＤ将ＳＯＩ技术移植到所有ＰＣ处理器，用于Ａｔｈｌｏｎ６４、Ｔｕｒｉｏｎ６４、Ｏｐｔｅｒｏｎ等，是目前全球最大的ＳＯＩ材料消费者。

ＡＭＤ宣布转移至６５ｎｒｌｌ工艺技术，并发表新一代高效能运算方案，推出高效能ＡＭＤＡｔｈｌｏｎ６４Ｘ２双核心台式机处理器。

采用６５ｎｌｎ线宽技术之ＡＭＤ处理器，在同时执行多个应用万方数据林成鲁：Ｓｏ卜一纳米技术时代的高端硅基材料２００８筵程序时能发挥优异的效能，便于开发体积小巧的个人计算机，适合家庭与办公室环境应用。

在２００７年中，ＡＭＤ的Ｆａｂ３６晶圆厂将完全转移至６５ｎｌｎ技术。

随着微处理器（ＣＰＵ）、游戏机芯片（ＧＰＵ）工艺对ＳＯＩ技术需求愈来愈强，ＳＯＩ已成各大晶圆代工厂角逐核心客户的武器。

台积电、联电都不敢忽略或轻视先进工艺下导入ＳｏＩ技术大量生产的重要性；新加坡特许半导体则抢先在９０啪工艺便采用ＩＢＭ授权，赢得微软（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ）Ⅺ幻Ｘ３６０ＧＰＵ订单。

台积电正评估未来４５ｎｍ工艺争取代工ＣＰＵ的可能性，未来更积极取得ＳＯＩ技术势在必行。

２００７年１０月，在美国加利福尼亚州召开的ＩＥＥＥＳｏＩ国际会议上，一种采用ＳＯＩ的零电容ＲＡＭ（Ｚ－ＲＡＭ：ＺｅｒｏＣａｐａｃｉｔｏｒＲ』蝴）技术引起了各国的注意［５］。

Ｚ－ＲＡＭ技术是近几年出现的极具潜力的、革命性的ＤＲＡＭ技术。

由于ＤＲＡＭ产业产品销售超过３３０亿美元，这种技术的成功将极大地推动ＳＯＩ的应用。

Ｚ－ＲＡＭ由高密度存储知识产权开发商ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＳｉｌｉｃｏｎＩｎｃ（ｇｑ意硅片公司）开发，海力士半导体ＤＲＡＭ产品已获得Ｚ－删存储技术授权。

Ｚ－ＲＡＭ是一种基于无电容设计的嵌入存储技术，采用这种技术，可以实现非常高密度的处理器缓存设计。

Ｚ－ＲＡＭ是采用绝缘体上硅（ＳＯＤ结构晶圆实现的；Ｚ－ＲＡＭ的单晶体管存储位单元可利用电路制造中发现的浮体效应（ＦＢＥ）实现，通过在一个传统ＳｏＩＭＯＳＦＥＴ的沟道下捕获电荷来存储数据。

与ＤＲＡＭ相比，在同样的功耗下，Ｚ＿ＲＡＭ的速度更高。

该存储器可以采用普通ＳＯＩＣＭＯＳ逻辑工艺制造。

如果采用ＳＯＩ进行设计，无需改变标准逻辑工艺，Ｚ－ＲＡＭ就可用于嵌人式存储器阵列。

采用Ｚ－ＲＡＭ的ＤＲＡＭ将使用一种单晶体管位单元，来替代多个晶体管和电容器的组合。

这表明，自２０世纪７０年代初发明ＤＲＡＭ以来，基本ＤＲＡＭ位单元实现了首次变革。

Ｓｏｉｔｅｃ公司为满足全球对ＳＯＩ与其他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，Ｓｏｉｔｅｃ在Ｂｅｒｎｉｎ生产基地的投资已超过３．５亿欧元，预计在设备装设完成后总投资将超过５亿欧元，员工人数接近１０００。

Ｓｏｉｔｅｃ针对３００ｍｍ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３００ｍｍＳｏＩ晶圆厂，名为三号晶圆厂。

２００５财年，Ｓｏｉｔｅｃ公司与ＡＭＤ签订了１．５亿美元的ＳＯＩ材料供货合同，２００６财年又新签订了３．５亿美元的合同。

２．２Ｓ０１的其他应用ＳＯＩ早期的主要应用集中在航空航天和军事，现在已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在恶劣环境、高温、大电流、高功耗条件下的应用对可靠性的严格要求，不得不采用Ｓ０ｌ器件。

在这些领域，多采用１５０ＩＴＩＩＴＩ和２００ｒａｉｎＳＯＩ材料。

目前的用户包括美国的Ｍａｘｉｍ、ＡＤＩ、ＴＩ公司，日本的ＮＥＣ、Ｔｏｓｈｉｂａ、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ、Ｄｅｎｓｏ、ＦＵＪＩ、Ｏｍｒｏｎ等公司，以及欧洲的Ｐｈｉｌｉｐｓ、Ｘ－Ｆａｂ等公司。

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。