SOI—— 一种全新的芯片制造技术 眼镜 2000年 第25期 　　SOI是IBM最新开发成功的一种芯片制造技术，和目前流行的其他芯片制造技术相比，采用SOI技术制造出的芯片具有体积小、效率高和发热量少等优点。IBM在4月份的芯片生产中已经采用了这项技术，其中包括为康柏公司生产的下一代Alpha处理器。 #1 什么是SOI技术？ 　　所谓SOI（Silicon－On－Insulator），就是在绝缘体上涂上一层很薄的硅。我们知道，硅是一种半导体，电子在晶体管中流动时难免会有电子流失，所以在硅中插入一层绝缘体就可以有效地阻止电子的流失，这种绝缘体材料和硅自然是越接近越好，所以二氧化硅就成为理想的选择。在工作时硅片中的晶体管和硅接触的区域会聚集大量的电荷（见^25030503a^1左），这样会导致电子传输效率降低，当在硅层中插入二氧化硅时（见^25030503a^1右），晶体管和二氧化硅接触的区域不再有电荷出现，使电子的利用率得到提高，整个芯片的工作效率也随之提高。 #1 SOI技术的优点 　　IBM在芯片制造业一直是新技术的积极倡导者，它是首先在芯片生产上采用铜制造技术的厂商。在过去的三十年里，科学家一直在研究如何利用现有的硅制造技术来提高计算机的性能，随着时间的推移，硅技术可挖掘的潜力越来越小，芯片制造业发展的步伐较过去而言放慢了不少。而由IBM开发的SOI技术则可以有效地扭转目前芯片制造业的这种局面，制造出速度更快、成本更低廉的电脑芯片，使芯片制造水平至少向前迈了1年～2年。 　　IBM对采用SOI技术制造的芯片进行了全面的测试，发现和采用普通技术制造的芯片相比，它在性能上大约有20％～25％的提高。根据摩尔定律，SOI技术将是芯片制造业一次重要的飞跃，主要是弥补了前些年因采用CMOS技术导致的芯片制造业进展缓慢。SOI技术主要通过减少电子流失和清除由于CMOS技术造成的“体效应”（Body Effect）来提高芯片的性能，“体效应”是CMOS技术的副产品，它会导致电流持续降低，从而影响到芯片的整体性能。 　　采用SOI技术的另一大优点就是能耗低。SOI技术不仅可以提高芯片的性能，而且还是一种出色的节能技术。最近几年，随着芯片制造技术的不断提高，芯片的能耗也逐渐提高，散热成为芯片使用中不可缺少的手段了。想想也是，几年前推出的486芯片，能耗不足5W，使用时不需要给它装上散热片、风扇等一大堆装饰；后来出现的Pentium，能耗达到了10 W；而目前流行的600MHz Pentium Ⅲ虽然采用了0.18微米技术制造，可是能耗也达到了创纪录的28 W，甚至现在连显示卡的芯片也必须采用散热装置了。芯片温度过高除了会影响芯片的使用寿命外，还会影响到系统的稳定性，所以降低芯片的能耗就成为芯片制造厂商必须解决的当务之急了。IBM在降低芯片能耗上作出过不少努力，如采用MOS晶体管代替双极型晶体管（Bipolar Transistors）就是因为双极型晶体管的能耗过大。采用SOI技术之所以可以降低芯片的能耗，是因为采用SOI技术制造的芯片具有独特的低电压导通性，在相同的低电压下，采用CMOS技术制造的芯片是无法正常工作的。根据ASIC的预测，SOI技术对那些必须使用低能耗的领域（如便携式电脑）的冲击尤为巨大，如一块4MB内存，采用SOI技术制造的要比CMOS技术制造的能耗低1.7毫瓦到30多毫瓦（见^25030503b^2）。 #1 SOI技术面临的问题 　　天下没有免费的午餐，尽管SOI技术比起传统的制造技术拥有更大的优势，但想要成为芯片制造业的主流技术，还必须解决好下面几个问题。首先是技术问题，由于SOI技术不同于传统的芯片制造技术，在材料的选择上也有较大的差异：用于制造MOS晶体管的硅必须是结晶状态的硅，而使用的绝缘体（二氧化硅）也必须非常纯净，不能有一丝杂质，否则无法阻止电子的流失，从而使SOI技术失去了意义。提纯二氧化硅在技术上有一定的难度，这同样会使芯片的制造成本增加，如何开发出一种低成本的提纯技术，是摆在IBM面前的一道难题。根据市场分析家的预测，用SOI技术取代传统的制造技术不是一次小的外科手术，而是一项规模庞大的工程，需要花费相当长的时间才能完成。 　　对于其他芯片制造商来说，就不仅仅是简单的技术问题了，因为使用SOI技术必须对芯片进行重新设计，而且无法利用现有的硅生产工艺进行大规模生产，必须对生产线进行相当大的调整才能满足SOI的工艺要求，这显然是一笔不小的开销。正是由于以上原因，SOI技术目前还不可能成为芯片制造商普遍采用的技术，尽管IBM极力推崇这项技术，传统的CMOS技术仍将是目前的主流技术。 #1 SOI技术未来展望 　　不可否认，SOI技术和传统技术相比具有无可比拟的优越性，但成为芯片制造业的主流技术还需要一定的时间。Zieber认为SOI技术是芯片制造业一块重要的里程碑，即使没有得到其他芯片制造商的积极响应，IBM仍然会采用SOI技术生产以后的芯片产品，就像当年从铝技术进化到铜技术一样。IBM重要合作伙伴——德州仪器和摩托罗拉已经明确表示将会在未来的芯片生产上使用SOI技术。 　　IBM目前已经开始利用SOI技术为康柏生产下一代Alpha处理器，这批Alpha处理器的时钟频率达到1.2 GHz。根据康柏公司发言人介绍，Alpha处理器最初采用IBM 0.18微米技术生产，处理器的主芯片、缓存控制器和缓存利用IBM的陶瓷技术封装在一起，这样可以有效地将热量减到最少。根据IBM的发展计划，这批Alpha处理器在未来将采用0.13微米技术制造，其中主芯片将采用0.1微米SOI技术制造。