I chipfremstillingsprocessen bliver udtrykket "SOI" ofte hørt. Og chipfremstilling bruger normalt også SOI-substrater til at fremstille integrerede kredsløb. Den unikke struktur af SOI-substrater kan i høj grad forbedre ydeevnen af chips, så hvad er SOI præcist? Hvad er dens fordele? På hvilke områder bruges det? Hvordan er det fremstillet?
Hvad er et SOI-substrat?
SOI er forkortelsen for Silicon-On-Insulator. Det betyder bogstaveligt silicium på et isolerende lag. Den egentlige struktur er, at der er et ultratyndt isolerende lag, såsom SiO2, på siliciumwaferen. Der er endnu et tyndt siliciumlag på det isolerende lag. Denne struktur adskiller det aktive siliciumlag fra siliciumlaget på substratet. I den traditionelle siliciumproces dannes chippen direkte på siliciumsubstratet uden brug af et isolatorlag.
Hvad er fordelene ved SOI-substrat?
Lav substratlækstrøm
På grund af tilstedeværelsen af et isolerende lag af siliciumoxid (SiO2), isolerer det effektivt transistoren fra det underliggende siliciumsubstrat. Denne isolation reducerer uønsket strømflow fra det aktive lag til substratet. Lækstrømmen stiger med temperaturen, så chippens pålidelighed kan forbedres væsentligt i højtemperaturmiljøer.
Reducer parasitisk kapacitans
I SOI-strukturen er den parasitære kapacitans betydeligt reduceret. Parasitiske kapacitanser begrænser ofte hastigheden og øger strømforbruget, så de tilføjer ekstra forsinkelse under signaltransmission og bruger ekstra energi. Ved at reducere disse parasitære kapacitanser er applikationer almindelige i højhastigheds- eller laveffektchips. Sammenlignet med almindelige chips fremstillet i CMOS-processen kan hastigheden af SOI-chips øges med 15% og strømforbruget kan reduceres med 20%.
Støjisolering
I blandede signalapplikationer kan støj genereret af digitale kredsløb interferere med analoge eller RF-kredsløb og derved forringe systemets ydeevne. Da SOI-strukturen adskiller det aktive siliciumlag fra substratet, opnår den faktisk en slags iboende støjisolering. Det betyder, at det er sværere for støj, der genereres af digitale kredsløb, at forplante sig gennem substratet til følsomme analoge kredsløb.
Hvordan fremstiller man SOI-substrat?
Der er generelt tre metoder: SIMOX, BESOI, krystalvækstmetode osv. På grund af begrænset plads introducerer vi her den mere almindelige SIMOX teknologi.
SIMOX, det fulde navn på Separation by IMplantation of OXygen, er at bruge oxygenionimplantation og efterfølgende højtemperaturudglødning til at danne et tykt siliciumdioxid (SiO2) lag i siliciumkrystallen, som tjener som det isolerende lag af SOI-strukturen.
Højenergi-iltioner implanteres i en bestemt dybde i siliciumsubstratet. Ved at styre energien og doseringen af oxygenionerne kan dybden og tykkelsen af det fremtidige siliciumdioxidlag bestemmes. Siliciumwaferen implanteret med oxygenioner gennemgår en højtemperaturudglødningsproces, normalt mellem 1100 grader og 1300 grader. Ved denne høje temperatur reagerer de implanterede oxygenioner med siliciumet og danner et kontinuerligt siliciumdioxidlag. Dette isolerende lag er begravet under siliciumsubstratet og danner en SOI-struktur. Overfladesiliciumlaget bliver det funktionelle lag til fremstilling af chippen, mens siliciumdioxidlaget nedenunder fungerer som et isolerende lag, der isolerer det funktionelle lag fra siliciumsubstratet.
I hvilke chips anvendes SOI-substrater?
De kan bruges i CMOS-enheder, RF-enheder og siliciumfotoniske enheder.
Hvad er de almindelige tykkelser af hvert lag af SOI-substrater?
Silicium substrat lagtykkelse: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ og derover
SiO2 tykkelse: 100 nm til 10μm
Aktivt siliciumlag: Større end eller lig med 20nm
