U procesu proizvodnje čipova često se čuje izraz "SOI". Proizvodnja čipova takođe obično koristi SOI supstrate za proizvodnju integrisanih kola. Jedinstvena struktura SOI supstrata može uvelike poboljšati performanse čipova, pa šta je zapravo SOI? Koje su njegove prednosti? U kojim poljima se koristi? Kako se proizvodi?
Šta je SOI supstrat?
SOI je skraćenica od Silicon-On-Insulator. To doslovno znači silicijum na izolacionom sloju. Stvarna struktura je da postoji ultra tanak izolacijski sloj, kao što je SiO2, na silikonskoj pločici. Na izolacionom sloju je još jedan tanak sloj silikona. Ova struktura odvaja aktivni silicijumski sloj od silicijumskog sloja podloge. U tradicionalnom procesu silikona, čip se formira direktno na silicijumskoj podlozi bez upotrebe izolacionog sloja.
Koje su prednosti SOI supstrata?
Mala struja curenja podloge
Zbog prisustva izolacionog sloja silicijum oksida (SiO2), on efikasno izoluje tranzistor od silicijumskog supstrata ispod. Ova izolacija smanjuje neželjeni protok struje od aktivnog sloja do podloge. Struja curenja raste sa temperaturom, tako da se pouzdanost čipa može značajno poboljšati u okruženjima sa visokim temperaturama.
Smanjite parazitsku kapacitivnost
U strukturi SOI, parazitski kapacitet je značajno smanjen. Parazitski kapaciteti često ograničavaju brzinu i povećavaju potrošnju energije, tako da dodaju dodatno kašnjenje tokom prijenosa signala i troše dodatnu energiju. Smanjenjem ovih parazitskih kapacitivnosti, primjene su uobičajene u čipovima velike brzine ili male snage. U poređenju sa običnim čipovima napravljenim u CMOS procesu, brzina SOI čipova može se povećati za 15%, a potrošnja energije može se smanjiti za 20%.
Izolacija buke
U aplikacijama s mješovitim signalom, šum koji stvaraju digitalna kola može ometati analogna ili RF kola, čime se pogoršavaju performanse sistema. Budući da struktura SOI odvaja aktivni silicijumski sloj od podloge, ona zapravo postiže neku vrstu inherentne izolacije buke. To znači da je šumu koji stvaraju digitalna kola teže da se širi kroz supstrat do osjetljivih analognih kola.
Kako proizvesti SOI supstrat?
Generalno postoje tri metode: SIMOX, BESOI, metoda rasta kristala, itd. Zbog ograničenog prostora, ovdje uvodimo češću SIMOX tehnologiju.
SIMOX, puni naziv odvajanja IMplantacijom kisika, je korištenje implantacije kisikovih jona i naknadnog žarenja na visokim temperaturama za formiranje debelog sloja silicijum dioksida (SiO2) u kristalu silicija, koji služi kao izolacijski sloj strukture SOI.
Visokoenergetski joni kiseonika implantiraju se na određenu dubinu u silicijumsku podlogu. Kontrolom energije i doziranja jona kiseonika može se odrediti dubina i debljina budućeg sloja silicijum dioksida. Silicijumska pločica implantirana jonima kiseonika prolazi kroz proces žarenja na visokim temperaturama, obično između 1100 i 1300 stepeni. Na ovoj visokoj temperaturi, implantirani ioni kiseonika reaguju sa silicijumom i formiraju neprekidni sloj silicijum dioksida. Ovaj izolacijski sloj je zakopan ispod silikonske podloge, formirajući strukturu SOI. Površinski silicijumski sloj postaje funkcionalni sloj za proizvodnju čipa, dok sloj silicijum dioksida ispod deluje kao izolacioni sloj, izolujući funkcionalni sloj od silicijumske podloge.
U kojim se čipovima koriste SOI supstrati?
Mogu se koristiti u CMOS uređajima, RF uređajima i silicijumskim fotonskim uređajima.
Koje su uobičajene debljine svakog sloja SOI supstrata?
Debljina sloja silikonske podloge: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ i više
Debljina SiO2: 100 nm do 10 μm
Aktivni silicijumski sloj: veći ili jednak 20nm