SOI專利技術綜述

王朝政　吳　瓊（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南　鄭州　450002）

SOI專利技術綜述

王朝政吳瓊
（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450002）

絕緣體上的硅（SOI，silicon on insulator）作為替代體硅的新一代基板制造技術，具有功耗低、寄生電容小、抑制脈沖電流干擾，消除閂鎖效應等諸多優點，在集成電路制造領域占據著重要地位。本文從專利分析角度出發，重點研究了SOI技術的發展路線、技術難點以及各技術分支中的專利申請情況，為國內SOI技術的研究和專利布局提供一定的借鑒。

SOI；專利布局；技術路線

1　前言

絕緣體上的硅（SOI），其主要是在頂層硅和背襯底之間引入一層埋氧化層。隨著器件尺寸的縮小，目前的體硅技術在集成電路中的應用產生了許多負面效應［1］：寄生可控硅閂鎖效應和軟實效效應，表面能級量子化效應、隧穿效應、短溝道效應、窄溝道效應、漏感應勢壘降低效應、熱載流子效應、亞閾值電導效應等各種多維及非線性效應，嚴重影響了器件的性能，同時，體硅技術中，由于采用了槽隔離技術，器件隔離區所占芯片面積相對增大，導致器件的寄生電容增大，影響了器件的集成度及速度，為了解決體硅技術帶來的上述缺陷，人們提出了一種全新的SOI技術。

2　SOI技術發展路線

隨著SOI技術的不斷發展，材料成為SOI技術發展的主要障礙，目前，SOI材料制備的主流技術主要分為注氧隔離技術（SIMOX），硅片鍵合和反面腐蝕（BESOI）技術以及將鍵合與注入相結合的Smart Cut技術。

2.1SIMOX技術

注氧隔離技術［2］利用在普通晶圓片的層間注入氧離子，經過130℃高溫退火后形成隔離層。此方法有兩個關鍵步驟：高溫離子注入后續的超高溫退火。SIMOX的缺點在于長時間大劑量的離子注入，以及后續的長時間超高溫退火工藝。SIMOX的技術難點在于顆粒的控制，埋層特別是低劑量超低劑量埋層的完整性、金屬沾污、界面臺的控制、界面和表面的粗糙度以及表層硅中的缺陷。

2.2BESOI技術

鍵合和反面腐蝕技術［3］是通過在硅和二氧化硅或二氧化硅和二氧化硅之間使用鍵合技術，兩個圓片緊密鍵合在一起，并在中間形成二氧化硅層充當絕緣層。鍵合技術的核心問題是表層硅厚度的均勻性控制問題。此外，還存在鍵合的邊緣控制、界面缺陷問題、翹曲度彎曲度的控制、滑移線控制、顆粒控制、崩邊、界面沾污等關鍵技術問題。

2.3Smart Cut技術

Smart Cut技術［4，5］是利用氫離子注入到硅片中，形成具有氣泡層的注氫片，與支撐硅片鍵合，經適當的熱處理使注氫片從氣泡層處完整裂開，形成SOI結構。Smartcut技術的核心在于利用氫離子注入的特性結合常規鍵合技術，利用氫離子注入引起的剝離性能提高了頂層硅的均勻性。

3　SOI技術重要申請人的技術路線

3.1檢索范圍和數據庫

為全面了解世界各國公司在SOI主流技術方面的專利信息，采用以下信息庫作為數據來源：中國專利全文數據庫（CNTXT，1985年至今）；歐洲專利數據庫（VEN，1827年至今）；日本全文數據庫（JPTXT，1979年至今）。

李秋紅研究組制備出排列整齊的納米墻SnS2［9］，產物首次可逆放電容量可達817 mAh g-1，遠遠高于理論容量，循環四十周后，容量保持率為86%。倍率循環性能測試顯示，其循環穩定性較好，表明納米結構可有效提高SnS2的循環可逆性。李秋紅等又合成出3D-花狀的SnS2［11］，循環五十周后，容量仍然保持在502 mAh g-1。

3.2檢索策略

由于SOI廣泛應用于高性能超大規模集成電路、高速存貯設備、低功耗電路、高溫傳感器、軍用抗輻照器件、移動通訊系統、光電子集成器件以及MEMS（微機電）［6］等硅集成電路技術領域，故其分類號大多分布在H01L27，H01L21，H01L29下，少量分布在B81C1、G09G3下，所以在統計SOI技術在世界主要公司的專利信息時采用了“分類號+關鍵詞”的檢索方法，在統計世界主要公司分別在SIMOX、BESOI、Smart Cut三種技術上的專利信息時，考慮到文獻量相對較少，故采用了對“關鍵詞”進行統計的檢索策略。

3.3檢索結果

3.3.1在中文庫中檢索到涉及SOI技術的專利文獻共21236篇，其中，位于分類號H01L27，H01L21，H01L29下的申請量共14 574篇，約占SOI文獻總數量的69%，位于B81C1、G09G3下的文獻量約占SOI文獻總量的2.5%，以及其它的B部、G部下的分類號；SIMOX文獻量6 833篇，BESOI文獻量1 331篇，Smart Cut文獻量269篇，在中國申請的擁有SOI文獻量排名前8的公司：

序號1 2 3 4 5 6 7 8 FRQ 1981 454 360 305 267 260 254 238 TREM IBM中國科學院上海微系統與信息技術研究所中國科學院微電子研究所中國科學院半導體研究所株式會社半導體能源研究所SOITEC SILICON ON INSULATOR北京大學臺灣積體電路制造股份有限公司

3.3.2在歐洲專利數據庫中檢索到關于SOI技術的專利文獻共17528篇，其中，位于分類號H01L27，H01L21，H01L29下的申請量共15102篇，約占SOI文獻總數量的86%；SIMOX文獻量1 235篇，BESOI文獻量1 287篇，Smart Cut SOI文獻量133篇；世界前8公司在SOI專利文獻占有量的信息統計如下：

序號1 2 3 4 5 6 7 8 FRQ 966 249 209 126 120 115 99 92 TREM IBM TOSHIBA FUJITSU LTD SONY CORP SEIKO EPSON CORP HITACHI LTD MITSUBISHI ELECTRIC SAMSUNG ELECTRONICS

3.3.3在日本專利數據庫中檢索到關于SOI技術的專利文獻共41265篇，其中，位于分類號H01L27，H01L21，H01L29下的申請量共28 973篇，約占SOI文獻總數量的70.2%，SIMOX文獻量5 101篇，BESOI文獻量607篇，Smart Cut SOI文獻量390篇；在日本申請的擁有SOI文獻量排名前8的公司：

序號1 2 3 4 5 6 7 8 FRQ 287 280 274 216 214 185 185 176 TREM信越半導體株式會社セイコーエプソン株式會社株式會社東芝ソニー株式會社株式會社デンソー株式會社半導體エネルギー研究所株式會社日立製作所日本電気株式會社

3.4檢索數據分析

IBM作為世界頂級的科技公司，其在SOI技術上的專利擁有量表明：IBM對SOI技術作出了重要貢獻。對于SIMOX技術的改進主要集中在低劑量氧離子注入工藝的研究以及改善的SIMOX材料結構。例如：專利申請（CN1574226A，20050202）公開了一種利用SIMOX和鍺互擴散形成基本上馳豫的、高質量絕緣體上硅鍺襯底材料SGOI的方法，其中，在離子注入時采用了低劑量離子注入工藝，這種利用低劑量離子注入工藝以及SIMOX和鍺互擴散形成的具有改善結構的SOI襯底集中顯示了其在SIMOX技術上的改進。在此基礎上，為了進一步提高器件的性能，有專利文獻報道了具有選擇或混合晶向取向的SIMOX襯底，例如，專利申請（CN1728362A，20060201）公開了一種具有不同晶向的平面混合取向的SOI襯底。同時，通過對IBM在SOI技術上的專利信息，可以看出，IBM公司在SOI技術專利申請上遍布多個國家。

此外，為了制造三維集成電路，IBM公司利用了BESOI技術，例如：由于現有技術中的方法難以制造出性能優異的三維集成電路，專利申請（CN1604306A，20050406）公開了一種利用BESOI技術制作的在不同晶向晶片上的器件層的三維CMOS集成電路，該申請提出了一種利用鍵合技術制造了一種在現有技術中不存在的具有制作在不同表面積取向上NFET和PFET的三維集成電路。在Smart Cut技術領域，IBM公司的專利申請量較少。在Smart Cut技術領域，法國的SOITEC公司占據著絕對的優勢.專利申請（CN101866824A，20101020）公開了一種采用Smart Cut技術再生襯底表面的方法，從專利信息統計的結果來看，SOITEC公司目前有關Smart Cut SOI技術的專利申請也分布在多國。

專利信息的統計數據顯示，國內的專利申請中，在SOI技術上擁有絕對優勢的機構為中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院微電子研究所以及中國科學院半導體研究所，但其專利申請大都集中在中國國內。

其中，在SIMOX技術領域中，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的陳猛提供了一種采用低劑量離子注入形成SIMOX晶圓襯底的技術，專利申請（CN1383189A，20021204）為了解決內熱氧化退火工藝的復雜性以及避免A.Ogura等人采用的極慢的升溫速率來提高隱埋SiO2層質量的方法，提出了一種低劑量注入的SIMOX工藝。此外，在國內的BRSOI技術領域，中國科學院上海微系統與信息技術研究所依舊占據主要優勢，例如，專利申請（CN1610114A，20050427）公開了一種采用鍵合（BESOI）技術制備的一種三維多層平面互補金屬氧化物半導體器件，同時，上海新傲科技股份有限公司在BESOI技術領域也占據相對優勢。在國內的Smart Cut技術領域，除中國科學院上海微系統與信息技術研究所外，還有上海新傲科技股份有限公司、西安電子科技大學等單位。例如，專利申請（CN1359158A，20020717）公開了一種采用離子注入和鍵合相結合的Smart Cut技術制備了一種具有SGOI結構的襯底材料。

通過對SOI技術專利信息進行梳理發現，IBM關于SOI的申請主要集中在SIMOX技術和BESOI技術上，而在Smart Cut技術領域占有的專利申請份額較少，法國SOITEC公司卻在Smart Cut技術領域的專利申請占有絕對優勢，對于國內，就整個SOI技術領域而言，中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院微電子研究所以及中國科學院半導體研究所占有絕對數量的專利申請，但在SIMOX、BESOI、Smart Cut的技術領域，上海微系統與信息技術研究所占據大量的申請量份額，此外，上海新傲科技股份有限公司在BESOI、Smart Cut兩個技術領域也占有一定量的份額，但其專利申請大都集中在中國國內。

4　總結和展望

隨著SOI技術的不斷發展，SOI技術已經成為決定器件發展的核心技術，而涉及SOI技術的專利申請和授權量呈現大幅增長，已經成為半導體領域跨國公司進行專利布局的重點。IBM、SOITEC、東芝等國際跨國公司在各自擅長的技術領域擁有眾多的涉及核心技術的專利，并實現了產業化應用。目前，以中科院為代表的研究院所的技術主要集中在第一代的SIMOX技術研究上，雖然擁有一定數量的專利，但離產業化應用存在很大差距，在第二代BESOI、第三代Smart Cut技術上與國外存在很大差距。國內院所、企業應該進一步加強新技術的研究、加強專利布局和產業應用，促進我國半導體產業的長期發展。

［1］Sorin Cristoloveanu.Introduction to silicon on insulator materials and devices［J］.Microelectronic engineering.1997，39：145-154.

［2］Wang Xi，Chen Meng，et al.Novel approaches for low cost fabrication of SOI［J］.Current Applied Physics，2001，1：225-231.

［3］古美良，胡明.SOI技術及其發展和應用［J］.壓電與聲光.2006，（2）：236-239.

［4］Aspar B，Bruel，et al.Basic mechanisms involved in the smart-cut process［J］.Micro Eng，1997，（36）：233-240.

［5］陳猛，王一波.SOI材料的發展歷史、應用現狀與發展新趨勢（上）［J］.中國集成電路.2007，（7）：75-79.

［6］陳昕.SOI技術的發展思路［J］.電子器件.2010，33（2）：193-196.

Summary of SOI on Patented Technology

Wang ChaozhengWu Qiong
（Patent Examination Cooperation Henan Center Of The Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

SOI，as a new substitution of bulk silicon，which has the advantages of power dissipation，low parasitic capacitance，restrainning the pulse effect，eliminating the latch-up effect，and takes over the main position.This article mainly studies the technology roadmap，difficulties of the SOI，besides the basic situation of patent application in the SOI technolody，from the viewpoint of patent，which provides some references for the research of SOI，the layout of the patent.

SOI；layout of the patent；technology roadmap

TN304.12

A

1003-5168-（2016）04-0064-03

2016-3-20

王朝政（1987-），男，碩士，研究方向：太陽能電池；吳瓊（1988-），女，碩士，研究方向：電池器件。