1,、項目提出的背景,、必要性及意義

由于國外SOI材料價格昂貴，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，提高我國的國防實力,。同時,，為SOI器件在移動通訊,、計算機(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,，但其售價昂貴,。如果可能率先實現(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,，同時具有無閂鎖,、低漏電、低功耗,、速度快和高驅(qū)動能力,，耐高溫和抗輻照能力強(qiáng)，集成度高和工藝簡單等優(yōu)點,?？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,，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,，同時減少注入時間,，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特的優(yōu)點,。

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?。主要表現(xiàn)在頂部硅層的電阻率均勻性、位錯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材料價格基本處于一種緩慢下降的趨勢中，預(yù)計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)在國外已實現(xiàn)商品化,，仍然有三個重要問題沒有解決：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,，特別是難以消除的穿通位錯,，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℃，退火時間長達(dá)6小時,，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，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。亞微米超薄SOI技術(shù)是實現(xiàn)高速,、高吞吐能力和抗輻照電路的理想選擇,。

5、項目技術(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。同時控制注入時硅片的溫度,，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,?？刂仆嘶饻囟取r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,、項目實施對環(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,、項目實施的社會效益評價

國外的SOI材料價格昂貴,，即使對我國解除禁運(yùn)，或找到辦法進(jìn)口,，其價格仍是國內(nèi)用戶所無法承受的,。對國家而言就要花費大量寶貴的外匯。在國內(nèi)實現(xiàn)SOI材料的產(chǎn)業(yè)化,，其相對低廉的價格必將受到國內(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)的一個里程碑,，必將影響和帶動國內(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,。