高温压力传感器与SOI材料产业化可行性研究报告

1、项目提出的背景、必要性及意义

由于国外SOI材料价格昂贵，而且对我国封锁禁运，国内研究单位和生产厂家难以开展研制和生产SOI集成电路，在21世纪初根本不可能依赖进口实现我国电子、信息等高科技的发展和国防的现代化进程。如果我们能实现SOI材料的国产化，就可以批量生产各种系列军用急需的SOI抗辐照、无锁定、高速度、低功耗的集成电路和各种高性能的高温传感器，装备我国的卫星、火箭、导弹和宇宙飞船的电子控制系统，提高这些武器装备的使用寿命、控制精度和安全可靠性，提高我国的国防实力。同时，为SOI器件在移动通讯、计算机、汽车、航空航天、核能和石油提炼等民用高科技领域的大规模推广应用，提供技术和产业化的支持。

目前，美国能够制备出的商用SOI硅片，虽然品质尚未完善，但其售价昂贵。如果可能率先实现SOI材料的产业化，必将进一步推进全国电子信息材料领域的发展，带来巨大的经济效益和社会效益。

2、SOI的用途与技术发展现状

SOI材料是21世纪最重要的硅集成电路材料。由于材料的特殊结构，决定了用SOI材料制作的器件具有极低的寄生电容和极低的工作电压，能减少短沟道效应和热电子效应的影响，同时具有无闩锁、低漏电、低功耗、速度快和高驱动能力，耐高温和抗辐照能力强，集成度高和工艺简单等优点。可用于制造低压、低功耗器件和高温器件（工作温度可达300℃，例如高温压力传感器）。在CMOS／SOI电路中，因辐照产生的光电流比体硅CMOS电路小近3个数量级，抗瞬态辐照能力和抗中子辐照的能力远高于体硅CMOS电路。

SOI器件主要用于计算机、汽车、航空和石油提炼等需要的低压、低功耗和高温器件以及军事微电子航空航天中卫星和导弹上用的抗辐照电路。由于SOI材料，特别是薄膜SOI结构材料有效地克服了体硅材料的不足，充分发挥了硅集成技术的潜力，它在高性能的ULSI、高压、高温、抗辐照、低压低功耗及三维集成电路领域中，均有极其广泛的应用前景。SOI材料是制造国防和经济建设中需要的超高速信号处理和强抗核辐射能力的计算机及控制部件的理想材料。SOI技术成为国防微电子尖端技术。制备SOI材料的技术有多种，例如硅外延横向生长、二氧化硅上的多晶硅或非晶硅的再结晶、硅片键合及腐蚀减薄技术（BESOI，Bond and etch back）、氧离子注入隔离技术SIMOX（Separation by implanted oxygen）和智能剥离技术（Smart-cut，即用键合方法将长有氧化层的硅片和另一硅片合成于一体，预先注入的氢原子层加温后将上层剥离、抛光）。其中SIMOX和Smart-cut更适合于大规模生产。

Smart- cut是为克服BESOI技术中硅片减薄的困难而发展起来的新技术，很有前景，已成为当前SOI技术的研究热点之一。用Smart-Cut技术制备SOI材料，目前有一些不易克服的困难：在注氢剥离时，高剂量注入的氢处于一种离散的凝聚状态，不形成大面积的连续层，使剥离困难，剥离后的顶部硅层表面必须进一步处理，才能制造器件；由于表层的平整度和杂质等原因，键合的界面的物理性能不完美，同样影响顶层硅上电路的可靠性。

SIMOX技术是目前SOI材料的主流制造技术，美国IBIS和SPRIL公司、法国SOITEC公司已有商品化的SOI材料出售。随着薄膜全耗尽亚微米集成电路的发展，目前SIMOX技术是向低注入剂量、低注入能量的方向发展，目的是制造超薄硅膜的SOI材料，同时减少注入时间，减少沾污，改善顶部硅膜的晶体完整性，并降低成本。SIMOX技术在这方面更加显示出其独特的优点。

与国际相比，我国的SIMOX材料在材料的综合性能指标上仍有相当的差距。主要表现在顶部硅层的电阻率均匀性、位错密度和金属沾污状况不及国外先进水平，目前不能满足集成电路的要求。制造设备落后，缺乏强束流（>1mA）的专用注氧机和超高温退火设备（>1300℃），是造成我国在SIMOX材料制造技术上的巨大差距的主要原因。目前国内研究和生产单位所能得到的SOI材料，基本都是通过非正规渠道从国外获得，数量很少，质量也不能保证，根本无法满足需要。

3、SOI材料的需求与供应情况

目前，国内SOI器件正处于研制阶段，市场需求量约为1000-2000片／年。今后三五年内，随着SOI器件和电路在国防装备上的广泛采用，对SOI材料的需求量会大幅度上升。如果SOI器件大规模生产并广泛用于通讯、电子、计算机、航空业、汽车业等民用领域，对SOI材料的需求量将会以几何量级急速上升。和别的电子类产品类似，从1998年以后，随着生产规模的发展和生产成本的下降，国际市场的SOI材料价格基本处于一种缓慢下降的趋势中，预计今后几年仍将保持这种下降趋势，但下降幅度将不会太大，尤其是国内市场。

4、SOI制备技术存在的技术难题

尽管SIMOX技术在国外已实现商品化，仍然有三个重要问题没有解决：由于经过高剂量氧离子注入，顶层硅中残存的氧浓度较高，形成较高密度的位错，特别是难以消除的穿通位错，单晶质量差；在二氧化硅埋层中存在着以硅原子为主体的针孔、管道和硅分凝产物；过高的退火温度影响了产品的成品率和成本。一般来说高温退火是消除位错的有效途径，为了获得高品质的材料，退火温度高过1300℃，退火时间长达6小时，几乎成为公认的技术方案。如果不是已经非常接近硅的熔点，退火温度可能还会选得更高，而且提高退火温度的方法用到了极限，仍不能完全解决问题。

近年来由于SOI薄膜材料的研究成功和性能的改善，随着SOI材料表面硅层厚度的减薄，可以使SOI器件达到更优越的全耗尽状态。这种SOI薄膜材料更适合于制造高性能的深亚微米ULSI电路。薄膜全耗尽SOI器件具有：速度高、功耗低（1V电源）、抗辐照特性好、集成度高、成本低等一系列优点。亚微米超薄SOI技术是实现高速、高吞吐能力和抗辐照电路的理想选择。

5、项目技术工艺路线

氧离子注入单晶硅硅片：控制注入的剂量和能量，达到预定的深度和浓度，也要达到表面硅层和氧化硅层的电特性要求。同时控制注入时硅片的温度，以保持顶部硅层的单晶状态。高温退火：彻底地清洗以后，在硅片表面生长一层保护作用的氧化硅膜。控制退火温度、时间和保护气氛，使硅片形成预定尺寸、电性能的三层结构。要求工艺过程造成的金属沾污、损伤和界面不平整控制在允许范围之内。非晶化技术改善产品质量：结合硅自注入非晶化和快速热退火技术，控制工艺条件，主要解决SIMOX技术中的表面硅层的单晶和氧化硅层的完整均匀性的产品质量问题，也要优化注入和退火的工艺技术，以降低成本和提高生产率。

6、项目实施对环境影响及拟采取的措施

半导体材料制造过程中，需要清除硅片表面上的各种杂质，包括制作过程中产生的表面层、金属沾污、残余的有机溶剂和化学试剂。高纯水（UPDI水）的主要用途是去除硅片表面的各种化学杂质。除了清洗硅片过程中排出的化学杂质，在清扫及维修受污染的专用制造设备，特别是制水设备会流出废气和废液。副产物及所有受污染物料，必须作为危险品进行管理，接特殊废料处理（包括固体废渣、受污染的衣服、受污染的真空泵油、水淋系统的废液、干式吸附器的固体废料等）。必须采取适当的预防措施，例如穿戴一次性外套、一次性手套及口罩。像工作服、净化器皿这类要重复使用的受污染物料，必须经过特别处理以防员工受污染物的影响。

7、项目实施的社会效益评价

国外的SOI材料价格昂贵，即使对我国解除禁运，或找到办法进口，其价格仍是国内用户所无法承受的。对国家而言就要花费大量宝贵的外汇。在国内实现SOI材料的产业化，其相对低廉的价格必将受到国内用户的欢迎，一方面可以大量满足国内用户的需要，另一方面也可以使国家减少甚至不用进口，为国家节约大量外汇。当国产SOI材料进军国际市场后，还可以为国家大量创汇。

到目前为止，国内尚无一家企业具备SOI材料产业化的能力。如果能够在国内实现SOI材料的大规模生产，建立起具有我国自主知识产权的并具备消化吸收及创新能力的新材料产业体系，这将是我国高新材料制造技术的一个里程碑，必将影响和带动国内相关科学技术领域的进一步发展。本文源自泽天传感，转载请保留出处。