SOI专利技术综述

王朝政　吴　琼（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450002）

SOI专利技术综述

王朝政吴琼
（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

绝缘体上的硅（SOI，silicon on insulator）作为替代体硅的新一代基板制造技术，具有功耗低、寄生电容小、抑制脉冲电流干扰，消除闩锁效应等诸多优点，在集成电路制造领域占据着重要地位。本文从专利分析角度出发，重点研究了SOI技术的发展路线、技术难点以及各技术分支中的专利申请情况，为国内SOI技术的研究和专利布局提供一定的借鉴。

SOI；专利布局；技术路线

1　前言

绝缘体上的硅（SOI），其主要是在顶层硅和背衬底之间引入一层埋氧化层。随着器件尺寸的缩小，目前的体硅技术在集成电路中的应用产生了许多负面效应［1］：寄生可控硅闩锁效应和软实效效应，表面能级量子化效应、隧穿效应、短沟道效应、窄沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、亚阈值电导效应等各种多维及非线性效应，严重影响了器件的性能，同时，体硅技术中，由于采用了槽隔离技术，器件隔离区所占芯片面积相对增大，导致器件的寄生电容增大，影响了器件的集成度及速度，为了解决体硅技术带来的上述缺陷，人们提出了一种全新的SOI技术。

2　SOI技术发展路线

随着SOI技术的不断发展，材料成为SOI技术发展的主要障碍，目前，SOI材料制备的主流技术主要分为注氧隔离技术（SIMOX），硅片键合和反面腐蚀（BESOI）技术以及将键合与注入相结合的Smart Cut技术。

2.1SIMOX技术

注氧隔离技术［2］利用在普通晶圆片的层间注入氧离子，经过130℃高温退火后形成隔离层。此方法有两个关键步骤：高温离子注入后续的超高温退火。SIMOX的缺点在于长时间大剂量的离子注入，以及后续的长时间超高温退火工艺。SIMOX的技术难点在于颗粒的控制，埋层特别是低剂量超低剂量埋层的完整性、金属沾污、界面台的控制、界面和表面的粗糙度以及表层硅中的缺陷。

2.2BESOI技术

键合和反面腐蚀技术［3］是通过在硅和二氧化硅或二氧化硅和二氧化硅之间使用键合技术，两个圆片紧密键合在一起，并在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。键合技术的核心问题是表层硅厚度的均匀性控制问题。此外，还存在键合的边缘控制、界面缺陷问题、翘曲度弯曲度的控制、滑移线控制、颗粒控制、崩边、界面沾污等关键技术问题。

2.3Smart Cut技术

Smart Cut技术［4，5］是利用氢离子注入到硅片中，形成具有气泡层的注氢片，与支撑硅片键合，经适当的热处理使注氢片从气泡层处完整裂开，形成SOI结构。Smartcut技术的核心在于利用氢离子注入的特性结合常规键合技术，利用氢离子注入引起的剥离性能提高了顶层硅的均匀性。

3　SOI技术重要申请人的技术路线

3.1检索范围和数据库

为全面了解世界各国公司在SOI主流技术方面的专利信息，采用以下信息库作为数据来源：中国专利全文数据库（CNTXT，1985年至今）；欧洲专利数据库（VEN，1827年至今）；日本全文数据库（JPTXT，1979年至今）。

李秋红研究组制备出排列整齐的纳米墙SnS2［9］，产物首次可逆放电容量可达817 mAh g-1，远远高于理论容量，循环四十周后，容量保持率为86%。倍率循环性能测试显示，其循环稳定性较好，表明纳米结构可有效提高SnS2的循环可逆性。李秋红等又合成出3D-花状的SnS2［11］，循环五十周后，容量仍然保持在502 mAh g-1。

3.2检索策略

由于SOI广泛应用于高性能超大规模集成电路、高速存贮设备、低功耗电路、高温传感器、军用抗辐照器件、移动通讯系统、光电子集成器件以及MEMS（微机电）［6］等硅集成电路技术领域，故其分类号大多分布在H01L27，H01L21，H01L29下，少量分布在B81C1、G09G3下，所以在统计SOI技术在世界主要公司的专利信息时采用了“分类号+关键词”的检索方法，在统计世界主要公司分别在SIMOX、BESOI、Smart Cut三种技术上的专利信息时，考虑到文献量相对较少，故采用了对“关键词”进行统计的检索策略。

3.3检索结果

3.3.1在中文库中检索到涉及SOI技术的专利文献共21236篇，其中，位于分类号H01L27，H01L21，H01L29下的申请量共14 574篇，约占SOI文献总数量的69%，位于B81C1、G09G3下的文献量约占SOI文献总量的2.5%，以及其它的B部、G部下的分类号；SIMOX文献量6 833篇，BESOI文献量1 331篇，Smart Cut文献量269篇，在中国申请的拥有SOI文献量排名前8的公司：

序号1 2 3 4 5 6 7 8 FRQ 1981 454 360 305 267 260 254 238 TREM IBM中国科学院上海微系统与信息技术研究所中国科学院微电子研究所中国科学院半导体研究所株式会社半导体能源研究所SOITEC SILICON ON INSULATOR北京大学台湾积体电路制造股份有限公司

3.3.2在欧洲专利数据库中检索到关于SOI技术的专利文献共17528篇，其中，位于分类号H01L27，H01L21，H01L29下的申请量共15102篇，约占SOI文献总数量的86%；SIMOX文献量1 235篇，BESOI文献量1 287篇，Smart Cut SOI文献量133篇；世界前8公司在SOI专利文献占有量的信息统计如下：

序号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在日本专利数据库中检索到关于SOI技术的专利文献共41265篇，其中，位于分类号H01L27，H01L21，H01L29下的申请量共28 973篇，约占SOI文献总数量的70.2%，SIMOX文献量5 101篇，BESOI文献量607篇，Smart Cut SOI文献量390篇；在日本申请的拥有SOI文献量排名前8的公司：

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

3.4检索数据分析

IBM作为世界顶级的科技公司，其在SOI技术上的专利拥有量表明：IBM对SOI技术作出了重要贡献。对于SIMOX技术的改进主要集中在低剂量氧离子注入工艺的研究以及改善的SIMOX材料结构。例如：专利申请（CN1574226A，20050202）公开了一种利用SIMOX和锗互扩散形成基本上驰豫的、高质量绝缘体上硅锗衬底材料SGOI的方法，其中，在离子注入时采用了低剂量离子注入工艺，这种利用低剂量离子注入工艺以及SIMOX和锗互扩散形成的具有改善结构的SOI衬底集中显示了其在SIMOX技术上的改进。在此基础上，为了进一步提高器件的性能，有专利文献报道了具有选择或混合晶向取向的SIMOX衬底，例如，专利申请（CN1728362A，20060201）公开了一种具有不同晶向的平面混合取向的SOI衬底。同时，通过对IBM在SOI技术上的专利信息，可以看出，IBM公司在SOI技术专利申请上遍布多个国家。

此外，为了制造三维集成电路，IBM公司利用了BESOI技术，例如：由于现有技术中的方法难以制造出性能优异的三维集成电路，专利申请（CN1604306A，20050406）公开了一种利用BESOI技术制作的在不同晶向晶片上的器件层的三维CMOS集成电路，该申请提出了一种利用键合技术制造了一种在现有技术中不存在的具有制作在不同表面积取向上NFET和PFET的三维集成电路。在Smart Cut技术领域，IBM公司的专利申请量较少。在Smart Cut技术领域，法国的SOITEC公司占据着绝对的优势.专利申请（CN101866824A，20101020）公开了一种采用Smart Cut技术再生衬底表面的方法，从专利信息统计的结果来看，SOITEC公司目前有关Smart Cut SOI技术的专利申请也分布在多国。

专利信息的统计数据显示，国内的专利申请中，在SOI技术上拥有绝对优势的机构为中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院微电子研究所以及中国科学院半导体研究所，但其专利申请大都集中在中国国内。

其中，在SIMOX技术领域中，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的陈猛提供了一种采用低剂量离子注入形成SIMOX晶圆衬底的技术，专利申请（CN1383189A，20021204）为了解决内热氧化退火工艺的复杂性以及避免A.Ogura等人采用的极慢的升温速率来提高隐埋SiO2层质量的方法，提出了一种低剂量注入的SIMOX工艺。此外，在国内的BRSOI技术领域，中国科学院上海微系统与信息技术研究所依旧占据主要优势，例如，专利申请（CN1610114A，20050427）公开了一种采用键合（BESOI）技术制备的一种三维多层平面互补金属氧化物半导体器件，同时，上海新傲科技股份有限公司在BESOI技术领域也占据相对优势。在国内的Smart Cut技术领域，除中国科学院上海微系统与信息技术研究所外，还有上海新傲科技股份有限公司、西安电子科技大学等单位。例如，专利申请（CN1359158A，20020717）公开了一种采用离子注入和键合相结合的Smart Cut技术制备了一种具有SGOI结构的衬底材料。

通过对SOI技术专利信息进行梳理发现，IBM关于SOI的申请主要集中在SIMOX技术和BESOI技术上，而在Smart Cut技术领域占有的专利申请份额较少，法国SOITEC公司却在Smart Cut技术领域的专利申请占有绝对优势，对于国内，就整个SOI技术领域而言，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院微电子研究所以及中国科学院半导体研究所占有绝对数量的专利申请，但在SIMOX、BESOI、Smart Cut的技术领域，上海微系统与信息技术研究所占据大量的申请量份额，此外，上海新傲科技股份有限公司在BESOI、Smart Cut两个技术领域也占有一定量的份额，但其专利申请大都集中在中国国内。

4　总结和展望

随着SOI技术的不断发展，SOI技术已经成为决定器件发展的核心技术，而涉及SOI技术的专利申请和授权量呈现大幅增长，已经成为半导体领域跨国公司进行专利布局的重点。IBM、SOITEC、东芝等国际跨国公司在各自擅长的技术领域拥有众多的涉及核心技术的专利，并实现了产业化应用。目前，以中科院为代表的研究院所的技术主要集中在第一代的SIMOX技术研究上，虽然拥有一定数量的专利，但离产业化应用存在很大差距，在第二代BESOI、第三代Smart Cut技术上与国外存在很大差距。国内院所、企业应该进一步加强新技术的研究、加强专利布局和产业应用，促进我国半导体产业的长期发展。

［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技术及其发展和应用［J］.压电与声光.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］陈猛，王一波.SOI材料的发展历史、应用现状与发展新趋势（上）［J］.中国集成电路.2007，（7）：75-79.

［6］陈昕.SOI技术的发展思路［J］.电子器件.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，硕士，研究方向：太阳能电池；吴琼（1988-），女，硕士，研究方向：电池器件。