В процеса на производство на чипове често се чува терминът "SOI". И производството на чипове също обикновено използва SOI субстрати за производство на интегрални схеми. Уникалната структура на SOI субстратите може значително да подобри производителността на чиповете, така че какво точно е SOI? Какви са неговите предимства? В какви области се използва? Как се произвежда?
Какво е SOI субстрат?
SOI е съкращението от Silicon-On-Insulator. Това буквално означава силиций върху изолационен слой. Действителната структура е, че има ултра-тънък изолационен слой, като SiO2, върху силиконовата пластина. Има още един тънък силиконов слой върху изолационния слой. Тази структура разделя активния силициев слой от силициевия слой на субстрата. При традиционния силициев процес, чипът се формира директно върху силиконовия субстрат, без да се използва изолационен слой.
Какви са предимствата на SOI субстрата?
Нисък ток на утечка на субстрата
Благодарение на наличието на изолационен слой от силициев оксид (SiO2), той ефективно изолира транзистора от долния силициев субстрат. Тази изолация намалява нежелания поток от активния слой към субстрата. Токът на утечка се увеличава с температурата, така че надеждността на чипа може да бъде значително подобрена в среда с висока температура.
Намаляване на паразитния капацитет
В структурата на SOI паразитният капацитет е значително намален. Паразитните капацитети често ограничават скоростта и увеличават консумацията на енергия, така че добавят допълнително забавяне по време на предаване на сигнала и консумират допълнителна енергия. Чрез намаляване на тези паразитни капацитети приложенията са често срещани във високоскоростни чипове с ниска мощност. В сравнение с обикновените чипове, направени в CMOS процеса, скоростта на SOI чиповете може да бъде увеличена с 15%, а консумацията на енергия може да бъде намалена с 20%.
Шумоизолация
В приложения със смесени сигнали, шумът, генериран от цифрови схеми, може да повлияе на аналогови или RF вериги, като по този начин влоши производителността на системата. Тъй като SOI структурата отделя активния силициев слой от субстрата, тя всъщност постига един вид присъща шумоизолация. Това означава, че е по-трудно шумът, генериран от цифровите схеми, да се разпространи през субстрата до чувствителните аналогови схеми.
Как да произведем SOI субстрат?
Най-общо има три метода: SIMOX, BESOI, метод за растеж на кристали и т.н. Поради ограниченото пространство, тук представяме по-разпространената технология SIMOX.
SIMOX, пълното име на Разделяне чрез IMplantation на OXygen, е да използва имплантиране на кислородни йони и последващо високотемпературно отгряване за образуване на дебел слой силициев диоксид (SiO2) в силициевия кристал, който служи като изолационен слой на SOI структурата.
Високоенергийните кислородни йони се имплантират на определена дълбочина в силициевия субстрат. Чрез контролиране на енергията и дозировката на кислородните йони може да се определи дълбочината и дебелината на бъдещия слой силициев диоксид. Силициевата пластина, имплантирана с кислородни йони, преминава през процес на високотемпературно отгряване, обикновено между 1100 градуса и 1300 градуса. При тази висока температура имплантираните кислородни йони реагират със силиция, за да образуват непрекъснат слой от силициев диоксид. Този изолационен слой е заровен под силиконовия субстрат, образувайки SOI структура. Повърхностният силициев слой става функционален слой за производството на чипа, докато слоят силициев диоксид отдолу действа като изолационен слой, изолиращ функционалния слой от силициевия субстрат.
В кои чипове се използват SOI субстрати?
Те могат да се използват в CMOS устройства, RF устройства и силициеви фотонни устройства.
Какви са обичайните дебелини на всеки слой SOI субстрати?
Дебелина на слоя силиконов субстрат: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ и повече
Дебелина на SiO2: 100 nm до 10 μm
Активен силициев слой: По-голям или равен на 20 nm
