I brikkefremstillingsprosessen blir begrepet "SOI" ofte hørt. Og brikkeproduksjon bruker også vanligvis SOI-substrater for å produsere integrerte kretser. Den unike strukturen til SOI-substrater kan i stor grad forbedre ytelsen til sjetonger, så hva er egentlig SOI? Hva er dens fordeler? På hvilke felt brukes det? Hvordan er det produsert?
Hva er et SOI-substrat?
SOI er forkortelsen for Silicon-On-Insulator. Det betyr bokstavelig talt silisium på et isolerende lag. Selve strukturen er at det er et ultratynt isolerende lag, som SiO2, på silisiumplaten. Det er enda et tynt silisiumlag på det isolerende laget. Denne strukturen skiller det aktive silisiumlaget fra silisiumlaget på substratet. I den tradisjonelle silisiumprosessen dannes brikken direkte på silisiumsubstratet uten å bruke et isolasjonslag.
Hva er fordelene med SOI-substrat?
Lav lekkasjestrøm for underlaget
På grunn av tilstedeværelsen av et isolerende lag av silisiumoksid (SiO2), isolerer det effektivt transistoren fra det underliggende silisiumsubstratet. Denne isolasjonen reduserer uønsket strømflyt fra det aktive laget til underlaget. Lekkasjestrømmen øker med temperaturen, så påliteligheten til brikken kan forbedres betydelig i høytemperaturmiljøer.
Reduser parasittisk kapasitans
I SOI-strukturen er den parasittiske kapasitansen betydelig redusert. Parasittiske kapasitanser begrenser ofte hastigheten og øker strømforbruket, så de legger til ekstra forsinkelse under signaloverføring og bruker ekstra energi. Ved å redusere disse parasittiske kapasitansene er applikasjoner vanlige i høyhastighets- eller laveffektbrikker. Sammenlignet med vanlige brikker laget i CMOS-prosessen, kan hastigheten på SOI-brikker økes med 15 % og strømforbruket kan reduseres med 20 %.
Støyisolering
I applikasjoner med blandede signaler kan støy generert av digitale kretser forstyrre analoge eller RF-kretser, og dermed forringe systemytelsen. Siden SOI-strukturen skiller det aktive silisiumlaget fra underlaget, oppnår den faktisk en slags iboende støyisolering. Dette betyr at det er vanskeligere for støy generert av digitale kretser å forplante seg gjennom underlaget til følsomme analoge kretser.
Hvordan produsere SOI-substrat?
Det er generelt tre metoder: SIMOX, BESOI, krystallvekstmetode osv. På grunn av begrenset plass introduserer vi her den mer vanlige SIMOX-teknologien.
SIMOX, det fulle navnet på Separation by IMplantation of OXygen, er å bruke oksygenionimplantasjon og påfølgende høytemperaturgløding for å danne et tykt silisiumdioksyd (SiO2) lag i silisiumkrystallen, som fungerer som isolatorlaget til SOI-strukturen.
Oksygenioner med høy energi implanteres i en bestemt dybde i silisiumsubstratet. Ved å kontrollere energien og doseringen av oksygenionene kan dybden og tykkelsen på det fremtidige silisiumdioksidlaget bestemmes. Silisiumplaten implantert med oksygenioner gjennomgår en høytemperaturglødingsprosess, vanligvis mellom 1100 grader og 1300 grader. Ved denne høye temperaturen reagerer de implanterte oksygenionene med silisiumet for å danne et kontinuerlig silisiumdioksydlag. Dette isolerende laget er begravd under silisiumsubstratet, og danner en SOI-struktur. Overflate-silisiumlaget blir det funksjonelle laget for fremstilling av brikken, mens silisiumdioksydlaget under fungerer som et isolasjonslag, og isolerer det funksjonelle laget fra silisiumsubstratet.
I hvilke chips brukes SOI-substrater?
De kan brukes i CMOS-enheter, RF-enheter og silisiumfotoniske enheter.
Hva er de vanlige tykkelsene på hvert lag med SOI-substrater?
Silisium substrat lagtykkelse: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ og over
SiO2 tykkelse: 100 nm til 10μm
Aktivt silisiumlag: Større enn eller lik 20nm
