V procesu izdelave čipov se pogosto sliši izraz "SOI". Tudi proizvodnja čipov običajno uporablja substrate SOI za izdelavo integriranih vezij. Edinstvena struktura substratov SOI lahko močno izboljša zmogljivost čipov, torej kaj točno je SOI? Kakšne so njegove prednosti? Na katerih področjih se uporablja? Kako se izdeluje?
Kaj je substrat SOI?
SOI je okrajšava za Silicon-On-Insulator. Dobesedno pomeni silicij na izolacijski plasti. Dejanska struktura je, da je na silicijevi rezini ultratanka izolacijska plast, kot je SiO2. Na izolacijskem sloju je še ena tanka silikonska plast. Ta struktura ločuje aktivno plast silicija od plasti silicija substrata. Pri tradicionalnem silicijevem postopku je čip oblikovan neposredno na silicijevem substratu brez uporabe izolatorske plasti.
Kakšne so prednosti substrata SOI?
Nizek tok uhajanja substrata
Zaradi prisotnosti izolacijske plasti silicijevega oksida (SiO2) učinkovito izolira tranzistor od osnovnega silicijevega substrata. Ta izolacija zmanjša nezaželen tok toka od aktivne plasti do podlage. Uhajajoči tok narašča s temperaturo, zato je mogoče zanesljivost čipa znatno izboljšati v okoljih z visoko temperaturo.
Zmanjšajte parazitsko kapacitivnost
V strukturi SOI je parazitska kapacitivnost znatno zmanjšana. Parazitske kapacitivnosti pogosto omejijo hitrost in povečajo porabo energije, zato med prenosom signala dodajo dodatno zakasnitev in porabijo dodatno energijo. Z zmanjšanjem teh parazitskih kapacitivnosti so aplikacije pogoste v čipih z visoko hitrostjo ali nizko porabo energije. V primerjavi z običajnimi čipi, izdelanimi v procesu CMOS, se lahko hitrost čipov SOI poveča za 15 %, poraba energije pa se lahko zmanjša za 20 %.
Izolacija hrupa
V aplikacijah z mešanimi signali lahko šum, ki ga ustvarjajo digitalna vezja, moti analogna ali RF vezja in s tem poslabša delovanje sistema. Ker struktura SOI ločuje aktivno plast silicija od substrata, dejansko doseže nekakšno inherentno izolacijo hrupa. To pomeni, da se hrup, ki ga ustvarjajo digitalna vezja, težje širi skozi substrat do občutljivih analognih vezij.
Kako izdelati substrat SOI?
Na splošno obstajajo trije načini: SIMOX, BESOI, metoda rasti kristalov itd. Zaradi omejenega prostora tukaj predstavljamo pogostejšo tehnologijo SIMOX.
SIMOX, polno ime Separation by IMplantation of OXygen, je uporaba implantacije kisikovih ionov in poznejšega visokotemperaturnega žarjenja za oblikovanje debele plasti silicijevega dioksida (SiO2) v silicijevem kristalu, ki služi kot izolacijska plast strukture SOI.
Visokoenergijski kisikovi ioni so implantirani v določeno globino silicijevega substrata. Z nadzorovanjem energije in odmerka kisikovih ionov je mogoče določiti globino in debelino bodoče plasti silicijevega dioksida. Silicijeva rezina, implantirana s kisikovimi ioni, je podvržena visokotemperaturnemu žarjenju, običajno med 1100 in 1300 stopinjami. Pri tej visoki temperaturi implantirani kisikovi ioni reagirajo s silicijem in tvorijo neprekinjeno plast silicijevega dioksida. Ta izolacijska plast je zakopana pod silicijevo podlago in tvori strukturo SOI. Površinska plast silicija postane funkcionalna plast za izdelavo čipa, medtem ko spodnja plast silicijevega dioksida deluje kot izolacijska plast, ki funkcionalno plast izolira od silicijeve podlage.
V katerih čipih se uporabljajo substrati SOI?
Uporabljajo se lahko v napravah CMOS, RF napravah in silicijevih fotonskih napravah.
Kakšne so običajne debeline vsake plasti SOI substratov?
Debelina sloja silicijeve podlage: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ in več
Debelina SiO2: 100 nm do 10 μm
Aktivna silicijeva plast: večja ali enaka 20 nm