（中科院上海冶金所信息功能材料国家重点实验室）
SOI（Silicon-on-insulator）被国际上公认为是“21世纪的硅集成电路技术”。SOI是在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现的、有独特优势的、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。
SOI的重大突破
1998年8月，美国IBM公司宣布在世界上首次利用SOI技术成功地研制出了高速、低功耗、高可靠的微电子主流产品一微处理器等高性能芯片。紧接着，Science杂志以及我国中央电视台新闻联播、“中国科学报”等都相继作了报道。IBM的这一成果之所以引起如此大的轰动，是因为其不仅在世界上首次利用SOI材料制造出具有完善功能的复杂芯片，而且SOI微处理芯片的工作速度显著提高，功耗大幅度降低。与体硅CMOS技术相比，SOI技术使芯片的功能提高了35%，实现摩尔定律图，上性能的跳跃。IBM的这一，成果标志着SOI技术正从以军工应用为主转向量大面广的低压低功耗电路。SOI IC工艺与常规工艺几乎完全相容，某种程度上说还有所简化，也是其得以迅速发展的重要条件。
SOI的优越性
体硅的厚度约几百微米（零点几毫米），只有顶层约1微米用于制造器件，器件和衬底之间的相互作用引起一系列寄生效应。而SOI器件有源区位于绝缘层上的硅膜内，完整的介质隔离可以避免体硅器件中存在的大部分寄生效应，因此SOI电路具有以下优点：
SOI器件具有优良的抗辐照性能。SOI材料上层Si膜厚度仅为0.1~1微米，有源区与衬底之间有SiO2绝缘层，任何衬底产生的光电流均不会影响SOI器件的有源区。SOI电路和抗辐照的加固性能优于体硅器件50倍以上，抗干扰能力非常强，它可以在恶劣的辐照条件下（如空间和核爆炸环境）能长时间保持高可靠性地工作。
SOI集成电路的各器件之间在物理和电学上互相隔离，可以进一步提高电路密度，改善电路可靠性，并且提高电路速度。SOI器件可以在较低的电压下来达到体硅电路在高电压下才能获得的性能，使功耗降低到目前芯片的三分之一。
最具竞争力的SOI材料制备技术
SOI材料的应用在很大程度，上取决于它的制备技术。SOI材料的种类及制备方法较多，其中最具有竞争力的技术是注氧隔离（SIMOX）技术以及最近才发展起来智能剥离（Smart-cut）技术。目前国外8英寸SOI已经商品化，样品达到12英寸，质量能基本满足目前最先进的半导体工艺线的要求而投人商业生产。据美国Rose Associates（Los Altos，CA）市场分析，到2005年国际市场上SOI的销售将达到硅材料市场的10%。根据美国SEMATECH和SELETE两大国际半导体发展规划组织公布的未来半导体工业发展技术路图，到2005年，半导体工业将建筑在12~16英寸硅基半导体上。要在那个时代占据SOI市场，改进SOI制备技术，提高SOI材料质量，并发展全新的低成本、高效率制作大尺寸SOI新技术已成为国际著名半导体公司的战略重点。
注氧隔离（SIMOX）技术SIMOX（seperation by implanted oxygen）技术是迄今为止最成熟的SOI制备技术，它主要包括两个工艺步骤：（1）氧离子注入。典型的注入剂量约为2×1018/cm2，用以在硅表层下产生一个高浓度的注氧层；（2）高温退火。使注入的氧与硅反应形成SiO2绝缘层。这种方法的主要限制是需要昂贵的大束流注氧专用机。第二个问题是为消除氧注入损伤，实现表面硅层固相再结晶，形成良好的Si/SiO2界面，必须用专用退火炉进行高温（≥1300℃长时间（5h）退火，因而SIMOX材料成本较高。其优点是SIMOX厚度均匀，尤其适于制作超薄型SOI。
智能剥离（Smart-cut）SOI技术Smart-cut技术是法国LETI公司提出的。其原理是利用H+注入在Si片中形成气泡层，将注氢片与另一支撑片键合（两个硅片之间至少一片的表面要有热氧化SiO2覆盖层），经适当的热处理使注氢片从气泡层完整裂开，形成SOI结构。Smart-cut技术是一种较理想的SOI制备技术。
SOI技术的新进展
ITOX-提高SIMOX材料质量的新工艺国际上SOI材料的主流制备技术是SIMOX和Smart-Cut。为了提高SIMOX质量，降低成本，人们从不同的角度进行努力。日本钢铁公司研究表明，采用ITOX新工艺减少了SOI上层Si的位错密度，提高了上层Si和BOX层的厚度均匀性以及表面、界面的平整度，减小了BOX层的针孔密度，减少了金属的沾污等。而且，降低剂量可达到较厚的BOX层。
智能剥离（Smart-cut）SOI新技术进展SOTTEC公司建成的Smart-cut SOI新基地，预计在2002年SOI产量可达到100万片/年。SOTEC公司报道了近几年SOI材料质量的不断提高；美国加州大学报道了以H*图形注入方法（即光刻成图形再局部注入）实现Smart-cut，这样可以减小Si损伤，还可能用于器件图形的转移。
SOI应用的新进展
美国、日本国际半导体发展规划组织1998年、1999年公布的未来半导体工业发展技术路图中指出，现有的材料和工艺正接近它们的物理极限，要进一步减小IC的特征尺寸（小于0.1微米），现有的材料和工艺遇到了严峻的挑战，必须在材料和工艺上有重大突破。SOI技术正是深亚微米集成电路五个极具挑战问题的关键解决方案之一，SOI材料是未来半导体工业发展新的基础材料。
在1998年IBM进行了基于SOI技术的CMOS-TS技术（0.28微米）生产，去年中期IBM进入了0.18微米工艺上的CMOS-8S体硅微处理器制备，并拟将在今年初更新到8S-SOI技术，其运行速度将超过1 GHz。摩托罗拉公司紧随IBM公司的战略路线，将在今年初将其HIP6微处理器更新到SOI技术，预计主频将从600 MHz提高到800 MHz。此外，摩托罗拉公司在其核心产品，如PowerPCTM、M-CoreTM、6800/Co和DSP以及单芯片系统（System On Chip）中逐步大量采用SOI技术。德州仪器公司的主导研究集中于单芯片系统DSPs，认为SOI技术是未来DSPs系统很有前景的关键技术之一，目前该公司的SOI研究集中在0.25微米SOI技术用于存储器、微处理器和逻辑电路上。AMD公司已发布计划加速其在实验室中对SOI技术的研制。总之，SOI技术的优越性得到世界各大半导体公司的普遍承认。
近几年来，以笔记本电脑、移动电话为代表的便携式系统迅速地发展了起来。一般情况下它们只能使用电池或者是太阳能电池作为电源，因此降低系统功耗和驱动电压就成为亟待解决的问题。在降低电路的电压与功耗方面，体硅电路受到一定的限制。如笔记本电脑的微处理器、为了使功耗降低二个数量级，仅依靠电路设计是达不到要求的。因此SOI技术成为解决便携式系统“功耗危机”的关键技术。IBM以SOI技术成功地研制出高速、高可靠性的微电子主流产品——微处理器。在功耗不变的前提下，其速度提高25~30%。
上海冶金所SOI技术研究进展
中国科学院上海冶金研究所于80年代初在国内率先开展SOI技术研究，“七五”、“八五”、“九五”期间先后承担SOI研究的国家攻关研究项目、中科院基础研究重点项目、国家自然科学基金项目等，并进入科学院知识创新工程。在当今SOI材料研究的各个最新进展方面，如注氧隔离的SOI（SIMOX）与智能剥离SOI（Smart-cut）等技术的研究方面，居于国内领先位置，并保持国际先进水平。先后解决了含氧离子源、大束流的氧离子束、特殊的真空靶室等一系列工艺和技术难题，持续对SOI材料合成中的物理、化学问题进行了深入的研究，解决了大剂量注入物理、化学反应过程本质，界面态控制，高温退火动力学过程等一系列基础问题。另一方面，冶金所积极开展SOI基微电子器件的研究，或独立或合作，研制出SOI/CMOS倒相器、多路模拟开关、A/D D/A转换器以及压力传感器，并取得与申请多项专利，在SCI刊物上发表近百篇论文，研究工作处于国际先进水平。
上海冶金研究所是目前国内唯一全面掌握SOI材料制备技术、唯一能小批量提供SOI材料的单位。经过不断的努力，目前，SOI科研成果在国家的支持、领导的关心、广大科技工作者的努力下，正在走向产业化。相信不久，我们的科研成果将转化为高科技的产品，这种被誉为“21世纪的硅材料”将在新的世纪里大放异彩，为我国的微电子产业作出贡献。