絕緣層上覆矽與晶圓工程的新領域
先進晶圓製造技術促使業者加速運用SOI與相關「工程基板」技術，同時針對消費性、企業、汽車以及無線通訊市場開發晶片產品。
Andre-Jacques Auberton-Herve / Soitec總裁暨執行長
絕緣層上覆矽或SOI基板技術，已被主流市場廣泛採用。以SOI技術為基礎的晶片現今已達到每年120億美元市場規模，全球IC市場6%的市佔率，而市場成長率高達40%。這些晶片見諸於PC、伺服器、電視遊樂器、消費性電子、無線通訊產品、汽車、微機電系統、光電等產品市場，以及SOI起家的傳統軍事與航太領域。
在中國，包括聯想、方正、清華同方、清華紫光、曙光、IBM、惠普、昇陽等各大OEM與跨國領導企業，均供應以SOI技術為基礎的AMD64晶片(OpteronTM、AthlonTM)產品。被企業與工業市場的客戶廣泛採用的IBM Power4、5、6 以及z系列伺服器晶片，這些晶片均採用SOI製程。列入全球百大排行榜的兩部中國超級電腦，也都採用SOI晶片(一部來自IBM公司，另一部則是AMD產品) 。
在中國國內製造市場方面，SOI晶片正開始擴展主流應用市場。產業觀察家預估在未來幾年，就會有第一款產品在晶圓代工廠進行建置作業。發展的動力來源包括成本、效能以及功率耗損。
運用設計最佳化的SOI，能大幅地降低晶片製造的成本，尤其是從65奈米以後的節點，能用來提升一個世代的性能，並減少一半的功耗。
然而，對於晶圓代工廠而言，一個完善的技術流程、電子特性、與整合至設計工具的模組，搭配上合適的設計元件庫，是提供SOI予客戶的必要條件。新加坡的特許半導體公司是全球第一個支援SOI晶圓廠，目前正為超微、IBM與微軟等大企業代工生產。其他晶圓廠也將投入SOI的領域。幸運的是，以往必須自行研發的智產(IP)，如今將可從像ARM這類的領導供應商取得。
SOI 製造技術
中國的SOI技術，主要是採用SIMOX晶圓製造法，透過氧氣佈植的技術，在晶圓表面下生成一個絕緣層。在高產量的工業應用，SIMOX還未發展成可行的解決方案。
取而代之的是，全世界目前90%的SOI晶圓是採用一種名為Smart CutTM的專利技術製造，這個技術為Soitec公司所擁有，同時授權給SEH與Siltronics等晶圓製造商。
Smart Cut技術可用來將晶圓基板材料(例如矽)所生成的超薄單晶體層移植到另一個表面。該技術採用離子植入以及原子解剖刀活性化製程作為一種「原子解剖刀」(atomic scalpel)，逐一將晶圓水平橫向切割，將薄層從「施體」基板上提起，然後再放置於新基板上(參考圖一)。這種流程提供相當高的控制力，同一個施體基板能重複使用，配合後續元件層的移動作業。
在Smart Cut製程中，矽晶薄膜與/或埋藏氧化層的厚度，可在一個相當廣的範圍內，可透過佈植能源與氧化時間進行調整。矽晶薄膜的厚度範圍從20nm到1.5mm，埋藏氧化層的厚度可從10nm到3mm。膜層越來越薄化的趨勢，充分滿足了摩爾定律在規模比例縮放(scaling)方面的需求。
SOI元件發展有兩大主要推動力量：高效能元件的功耗降低、以及系統單晶片(SoC)，其中包括低功耗與可攜式射頻(RF)應用。在所有的環境中，基板參數與電晶體設計都是相互依存的。
然而，一個技術節點開始投產之前，基板必須在幾年前就準備妥當，讓電晶體設計人員有充足的時間來執行他們決定。
射頻元件的SOI
當射頻晶片建立在傳統的矽基板製時，矽元件的半導體屬性會導致基板中射頻訊號的衰減。矽元件的半導體屬性，還會導致各種寄生干擾(串音) 的傳輸。在高阻抗基板上運用SOI，能有效地改進晶片的高頻行為層：大幅降低阻抗損失與串音(參考圖二所示)。
高阻抗(HR)SOI基板為射頻與SoC電路設計人員開啟新視野。各種功能(像是天線開關)通常需要昂貴的III-V族化合物，現在都可整合在矽元件中，降低整體系統成本，並達到和以往大致相同的效能，以及更高的整合度。由於絕緣效率的改進，故能達到密度更高的晶片配置。SOI亦能將處理過的頂層轉移至各種低導電度基板(例如玻璃)，進一步改善射頻效能。
STMicroelectronics最近在國際電機電子工程師協會的SOI會議(尼加拉瓜瀑布，2006年)獲得「最佳論文」獎，其理論是HR SOI可取代III-V族的技術，在未來幾年可應用在V、W、與G頻帶(至少達到200 GHz)，擴展低成本、量產型CMOS數位與射頻/MMW應用市場。
應變SOI
能增進遷移率的應變矽元件，可搭配SOI技術，強化電子的遷移率。目前業界的發展包括單軸應變技術，在IC製造時局部地運用在SOI晶圓上。這項技術如今被建置在AMD與IBM的高效能微處理器。
應變型絕緣層上覆矽(sSOI) (參考圖二)進一步增進元件的效能，協助克服各種局部應力技術所衍生的間距限制，這種影響在45nm以下環境節點中將變得越來越為顯著。
sSOI明顯改善在n-通道與p-通道元件中遷移率與電流強度，幅度端視產生應力的SiGe元件中鍺元素的內容。
施體晶圓最近在降低瑕疵方面的進展，以及Smart Cut製程的改良，讓sSOI基板的應變薄膜厚度從10nm 發展到80nm。所製造出不同厚度的sSOI都完全施加應力。巨觀拉曼量測(10 x 10cm)在絕緣材料上的40nm厚的應變矽層，顯示晶圓上平均的應力達到1.3GPa， 1s均勻度誤差範圍為?.065GPa。sSOI提高遷移率的特性，在FD、PD以及FinFET架構上獲得驗證。A‧V-Y Thean在最近的VLSI研討會上報告(2006年6月，美國夏威夷)雙應力氮層與嵌入型SiGe材料，加入源極與汲極，搭配sSOI基板技術，讓NMOS與PMOS的汲極電流分別增加27%與36% 。
sSOI量產晶圓現已問市。這種新型基板的品質可媲美複雜IC製造。sSOI可作為後續磊晶的樣板，結合鍺或SiGe磊晶元件，開啟能隙工程的大門。這種別名為「雙通道」的技術，能讓PMOS達到最高的電洞遷移率。sSOI的應力平均達1.3 GPa，並能擴展至 2.5GPa，帶來效能擴充的空間。
嵌入型記憶體
AMD與Toshiba正尋求各種方法，運用SOI的浮體(FB)效應開發嵌入型記憶體。事實上，調整浮體單元中金屬孔的密度能夠決定有效電壓閾值，因而決定了讀取的資料值是1或者是0。由於浮體存儲單元中沒有電容器件，因此嵌入的DRAM或SRAM單元僅占整個空間的一小部分。
對於高效能微處理器而言，這種元件是理想的嵌入型記憶體解決方案，AMD已經獲得了Innovative Silicon公司命名為Z-RAM技術的FB存儲版授權。東芝正運用超薄BOX SOI開發其FB-RAM，將針對SOI上的系統單晶片(SoC)，開發極具潛力的高效能、低成本、嵌入型記憶體架構。
智慧型功率，高溫環境
在汽車與工業應用方面，包括NXP(前身為飛利浦半導體)、Denso、瑞薩科技、Atmel以及美國國家半導體在內的廠商，正運用SOI協助汽車製造商，開發出更安全、舒適、且更便利的汽車。
戴姆勒克萊斯勒、BMW、福特、通用汽車、福斯、 Toyota 等車廠，正運用以SOI為基礎的晶片開發各種應用，以及發展各種汽車網路通訊協定。SOI讓晶片能在極高的溫度下運作(置於汽車引擎附近)，並能在充斥電磁干擾的環境下正常運作。它也能支援 「智慧型功率」ICs，這類元件將數位、類比以及功耗元件，密集地封裝在同一個晶片中。
低功耗的超薄BOX
在32nm的節點環境中，SOI搭配超薄的埋藏氧化層(絕緣層)能解決某些關鍵的設計挑戰。降低BOX的厚度，能帶來許多利益。
舉例而言，全耗盡(FD) IC架構就非常適合應用在低功耗、需要多重臨界電壓(multi VT)的設計中。利用基板背面的閘極偏壓，不需要高吸收劑量的佈植，就能在電路中不同層級設定VT臨界電壓。
此外，研發業者將能控制表面未摻雜的電子通道，進而提高載子的遷移率，排除因植入溝道裏攙雜物的變化而產生臨界電壓不匹配現象，進而降低短通道效應。同時確保Ion/Ioff比能超過106。
當VDD低於1V時，BOX厚度必須確保足夠的後端閘極控制能力，而不需耗費大量空間的電荷泵浦，這個厚度一般介於10至25奈米間。UT BOX SOI 的發展動力主要來自浮體單元DRAM與後端閘極FD MOSFET應用。Hitachi現正針對高速、低功耗SoC，開發薄型BOX解決方案。
結論
拜上述各種主流應用所賜，加上未來技術節點的發展，SOI市場正快速成長。在現有主流應用外，SOI開始擴展至各種相關領域，包括：奈米工程、微機電系統、光子、光電，以及搭配各種III-V族元素。
擴展版圖，大部份原因歸功於Smart Cut能延伸至任何晶圓尺吋，支援施體基板的切割功能，並能針對各種參數進行調整。隨著中國的研發業者與製造商加入SOI與其他工程基板的產業化行列，相信應用的版圖還會持續擴展。SST-AP/Taiwan
圖一：此圖顯示Smart CutTM技術用來製造SOI晶圓。在此案例中，此製成是以氫佈植與晶圓接合技術連結至矽操作基板B上。
圖二：傳統矽晶圓上的射頻電路(左)。SOI上的射頻電路，採用高阻抗(HR)矽基板(右)。