SOI專利技術(shù)綜述

王朝政　吳　瓊（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450002）

SOI專利技術(shù)綜述

王朝政吳瓊
（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)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(shù)，具有功耗低、寄生電容小、抑制脈沖電流干擾，消除閂鎖效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在集成電路制造領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。本文從專利分析角度出發(fā)，重點(diǎn)研究了SOI技術(shù)的發(fā)展路線、技術(shù)難點(diǎn)以及各技術(shù)分支中的專利申請情況，為國內(nèi)SOI技術(shù)的研究和專利布局提供一定的借鑒。

SOI；專利布局；技術(shù)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(shù)在集成電路中的應(yīng)用產(chǎn)生了許多負(fù)面效應(yīng)［1］：寄生可控硅閂鎖效應(yīng)和軟實(shí)效效應(yīng)，表面能級量子化效應(yīng)、隧穿效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)、漏感應(yīng)勢壘降低效應(yīng)、熱載流子效應(yīng)、亞閾值電導(dǎo)效應(yīng)等各種多維及非線性效應(yīng)，嚴(yán)重影響了器件的性能，同時(shí)，體硅技術(shù)中，由于采用了槽隔離技術(shù)，器件隔離區(qū)所占芯片面積相對增大，導(dǎo)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(shù)帶來的上述缺陷，人們提出了一種全新的SOI技術(shù)。

2　SOI技術(shù)發(fā)展路線

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

2.1SIMOX技術(shù)

注氧隔離技術(shù)［2］利用在普通晶圓片的層間注入氧離子，經(jīng)過130℃高溫退火后形成隔離層。此方法有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：高溫離子注入后續(xù)的超高溫退火。SIMOX的缺點(diǎn)在于長時(shí)間大劑量的離子注入，以及后續(xù)的長時(shí)間超高溫退火工藝。SIMOX的技術(shù)難點(diǎn)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(shù)

鍵合和反面腐蝕技術(shù)［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(shù)，兩個(gè)圓片緊密鍵合在一起，并在中間形成二氧化硅層充當(dāng)絕緣層。鍵合技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)問題。

2.3Smart Cut技術(shù)

Smart Cut技術(shù)［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(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎棺淦瑥臍馀輰犹幫暾验_，形成SOI結(jié)構(gòu)。Smartcut技術(shù)的核心在于利用氫離子注入的特性結(jié)合常規(guī)鍵合技術(shù)，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(shù)重要申請人的技術(shù)路線

3.1檢索范圍和數(shù)據(jù)庫

為全面了解世界各國公司在SOI主流技術(shù)方面的專利信息，采用以下信息庫作為數(shù)據(jù)來源：中國專利全文數(shù)據(jù)庫（CNTXT，1985年至今）；歐洲專利數(shù)據(jù)庫（VEN，1827年至今）；日本全文數(shù)據(jù)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(chǎn)物首次可逆放電容量可達(dá)817 mAh g-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論容量，循環(huán)四十周后，容量保持率為86%。倍率循環(huán)性能測試顯示，其循環(huán)穩(wěn)定性較好，表明納米結(jié)構(gòu)可有效提高SnS2的循環(huán)可逆性。李秋紅等又合成出3D-花狀的SnS2［11］，循環(huán)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(yīng)用于高性能超大規(guī)模集成電路、高速存貯設(shè)備、低功耗電路、高溫傳感器、軍用抗輻照器件、移動(dòng)通訊系統(tǒng)、光電子集成器件以及MEMS（微機(jī)電）［6］等硅集成電路技術(shù)領(lǐng)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(tǒng)計(jì)SOI技術(shù)在世界主要公司的專利信息時(shí)采用了“分類號+關(guān)鍵詞”的檢索方法，在統(tǒng)計(jì)世界主要公司分別在SIMOX、BESOI、Smart Cut三種技術(shù)上的專利信息時(shí)，考慮到文獻(xiàn)量相對較少，故采用了對“關(guān)鍵詞”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的檢索策略。

3.3檢索結(jié)果

3.3.1在中文庫中檢索到涉及SOI技術(shù)的專利文獻(xiàn)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(xiàn)總數(shù)量的69%，位于B81C1、G09G3下的文獻(xiàn)量約占SOI文獻(xiàn)總量的2.5%，以及其它的B部、G部下的分類號；SIMOX文獻(xiàn)量6 833篇，BESOI文獻(xiàn)量1 331篇，Smart Cut文獻(xiàn)量269篇，在中國申請的擁有SOI文獻(xiàn)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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所中國科學(xué)院微電子研究所中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所SOITEC SILICON ON INSULATOR北京大學(xué)臺灣積體電路制造股份有限公司

3.3.2在歐洲專利數(shù)據(jù)庫中檢索到關(guān)于SOI技術(shù)的專利文獻(xiàn)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(xiàn)總數(shù)量的86%；SIMOX文獻(xiàn)量1 235篇，BESOI文獻(xiàn)量1 287篇，Smart Cut SOI文獻(xiàn)量133篇；世界前8公司在SOI專利文獻(xiàn)占有量的信息統(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)庫中檢索到關(guān)于SOI技術(shù)的專利文獻(xiàn)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(xiàn)總數(shù)量的70.2%，SIMOX文獻(xiàn)量5 101篇，BESOI文獻(xiàn)量607篇，Smart Cut SOI文獻(xiàn)量390篇；在日本申請的擁有SOI文獻(xiàn)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(dǎo)體株式會(huì)社セイコーエプソン株式會(huì)社株式會(huì)社東芝ソニー株式會(huì)社株式會(huì)社デンソー株式會(huì)社半導(dǎo)體エネルギー研究所株式會(huì)社日立製作所日本電気株式會(huì)社

3.4檢索數(shù)據(jù)分析

IBM作為世界頂級的科技公司，其在SOI技術(shù)上的專利擁有量表明：IBM對SOI技術(shù)作出了重要貢獻(xiàn)。對于SIMOX技術(shù)的改進(jìn)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(jié)構(gòu)。例如：專利申請（CN1574226A，20050202）公開了一種利用SIMOX和鍺互擴(kuò)散形成基本上馳豫的、高質(zhì)量絕緣體上硅鍺襯底材料SGOI的方法，其中，在離子注入時(shí)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(kuò)散形成的具有改善結(jié)構(gòu)的SOI襯底集中顯示了其在SIMOX技術(shù)上的改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高器件的性能，有專利文獻(xiàn)報(bào)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(shí)，通過對IBM在SOI技術(shù)上的專利信息，可以看出，IBM公司在SOI技術(shù)專利申請上遍布多個(gè)國家。

此外，為了制造三維集成電路，IBM公司利用了BESOI技術(shù)，例如：由于現(xiàn)有技術(shù)中的方法難以制造出性能優(yōu)異的三維集成電路，專利申請（CN1604306A，20050406）公開了一種利用BESOI技術(shù)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?zhí)岢隽艘环N利用鍵合技術(shù)制造了一種在現(xiàn)有技術(shù)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(shù)領(lǐng)域，IBM公司的專利申請量較少。在Smart Cut技術(shù)領(lǐng)域，法國的SOITEC公司占據(jù)著絕對的優(yōu)勢.專利申請（CN101866824A，20101020）公開了一種采用Smart Cut技術(shù)再生襯底表面的方法，從專利信息統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來看，SOITEC公司目前有關(guān)Smart Cut SOI技術(shù)的專利申請也分布在多國。

專利信息的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)的專利申請中，在SOI技術(shù)上擁有絕對優(yōu)勢的機(jī)構(gòu)為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學(xué)院微電子研究所以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，但其專利申請大都集中在中國國內(nèi)。

其中，在SIMOX技術(shù)領(lǐng)域中，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(shù)，專利申請（CN1383189A，20021204）為了解決內(nèi)熱氧化退火工藝的復(fù)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(zhì)量的方法，提出了一種低劑量注入的SIMOX工藝。此外，在國內(nèi)的BRSOI技術(shù)領(lǐng)域，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所依舊占據(jù)主要優(yōu)勢，例如，專利申請（CN1610114A，20050427）公開了一種采用鍵合（BESOI）技術(shù)制備的一種三維多層平面互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件，同時(shí)，上海新傲科技股份有限公司在BESOI技術(shù)領(lǐng)域也占據(jù)相對優(yōu)勢。在國內(nèi)的Smart Cut技術(shù)領(lǐng)域，除中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(xué)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(jié)合的Smart Cut技術(shù)制備了一種具有SGOI結(jié)構(gòu)的襯底材料。

通過對SOI技術(shù)專利信息進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，IBM關(guān)于SOI的申請主要集中在SIMOX技術(shù)和BESOI技術(shù)上，而在Smart Cut技術(shù)領(lǐng)域占有的專利申請份額較少，法國SOITEC公司卻在Smart Cut技術(shù)領(lǐng)域的專利申請占有絕對優(yōu)勢，對于國內(nèi)，就整個(gè)SOI技術(shù)領(lǐng)域而言，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學(xué)院微電子研究所以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所占有絕對數(shù)量的專利申請，但在SIMOX、BESOI、Smart Cut的技術(shù)領(lǐng)域，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所占據(jù)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(gè)技術(shù)領(lǐng)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(nèi)。

4　總結(jié)和展望

隨著SOI技術(shù)的不斷發(fā)展，SOI技術(shù)已經(jīng)成為決定器件發(fā)展的核心技術(shù)，而涉及SOI技術(shù)的專利申請和授權(quán)量呈現(xiàn)大幅增長，已經(jīng)成為半導(dǎo)體領(lǐng)域跨國公司進(jìn)行專利布局的重點(diǎn)。IBM、SOITEC、東芝等國際跨國公司在各自擅長的技術(shù)領(lǐng)域擁有眾多的涉及核心技術(shù)的專利，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前，以中科院為代表的研究院所的技術(shù)主要集中在第一代的SIMOX技術(shù)研究上，雖然擁有一定數(shù)量的專利，但離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用存在很大差距，在第二代BESOI、第三代Smart Cut技術(shù)上與國外存在很大差距。國內(nèi)院所、企業(yè)應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)新技術(shù)的研究、加強(qiáng)專利布局和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)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(shù)及其發(fā)展和應(yīng)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(fā)展歷史、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展新趨勢（上）［J］.中國集成電路.2007，（7）：75-79.

［6］陳昕.SOI技術(shù)的發(fā)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。