V procese výroby čipov je často počuť pojem „SOI“. A výroba čipov tiež zvyčajne používa substráty SOI na výrobu integrovaných obvodov. Jedinečná štruktúra substrátov SOI môže výrazne zlepšiť výkon čipov, takže čo to vlastne SOI je? Aké sú jeho výhody? V akých oblastiach sa používa? Ako sa vyrába?
Čo je substrát SOI?
SOI je skratka pre Silicon-On-Insulator. Doslova to znamená kremík na izolačnej vrstve. Skutočná štruktúra je taká, že na kremíkovej doštičke je ultratenká izolačná vrstva, ako je SiO2. Na izolačnej vrstve je ďalšia tenká kremíková vrstva. Táto štruktúra oddeľuje aktívnu kremíkovú vrstvu od kremíkovej vrstvy substrátu. Pri tradičnom kremíkovom procese sa čip vytvára priamo na kremíkovej podložke bez použitia izolačnej vrstvy.
Aké sú výhody SOI substrátu?
Nízky zvodový prúd substrátu
Vďaka prítomnosti izolačnej vrstvy oxidu kremičitého (SiO2) účinne izoluje tranzistor od podkladového kremíkového substrátu. Táto izolácia znižuje nežiaduci tok prúdu z aktívnej vrstvy do substrátu. Zvodový prúd sa zvyšuje s teplotou, takže spoľahlivosť čipu sa môže výrazne zlepšiť v prostredí s vysokou teplotou.
Znížte parazitnú kapacitu
V štruktúre SOI je výrazne znížená parazitná kapacita. Parazitné kapacity často obmedzujú rýchlosť a zvyšujú spotrebu energie, takže pridávajú ďalšie oneskorenie počas prenosu signálu a spotrebúvajú energiu navyše. Znížením týchto parazitných kapacít sú aplikácie bežné vo vysokorýchlostných alebo nízkoenergetických čipoch. V porovnaní s bežnými čipmi vyrobenými v procese CMOS môže byť rýchlosť SOI čipov zvýšená o 15% a spotreba energie môže byť znížená o 20%.
Izolácia hluku
V aplikáciách so zmiešaným signálom môže šum generovaný digitálnymi obvodmi interferovať s analógovými alebo RF obvodmi, čím sa znižuje výkon systému. Keďže štruktúra SOI oddeľuje aktívnu kremíkovú vrstvu od substrátu, v skutočnosti dosahuje istý druh prirodzenej izolácie hluku. To znamená, že pre šum generovaný digitálnymi obvodmi je ťažšie šíriť sa cez substrát do citlivých analógových obvodov.
Ako vyrobiť SOI substrát?
Vo všeobecnosti existujú tri metódy: SIMOX, BESOI, metóda rastu kryštálov atď. Kvôli obmedzenému priestoru tu uvádzame bežnejšiu technológiu SIMOX.
SIMOX, celým názvom Separation by IMplantation of OXygen, má využiť implantáciu kyslíkových iónov a následné vysokoteplotné žíhanie na vytvorenie hrubej vrstvy oxidu kremičitého (SiO2) v kryštáli kremíka, ktorý slúži ako izolačná vrstva štruktúry SOI.
Vysokoenergetické kyslíkové ióny sú implantované do špecifickej hĺbky kremíkového substrátu. Riadením energie a dávkovania kyslíkových iónov možno určiť hĺbku a hrúbku budúcej vrstvy oxidu kremičitého. Kremíkový plátok s implantovanými iónmi kyslíka prechádza procesom žíhania pri vysokej teplote, zvyčajne medzi 1100 stupňami a 1300 stupňami. Pri tejto vysokej teplote reagujú implantované kyslíkové ióny s kremíkom a vytvárajú súvislú vrstvu oxidu kremičitého. Táto izolačná vrstva je pochovaná pod kremíkovým substrátom a vytvára štruktúru SOI. Povrchová vrstva kremíka sa stáva funkčnou vrstvou na výrobu čipu, zatiaľ čo vrstva oxidu kremičitého pod ňou pôsobí ako izolačná vrstva, ktorá izoluje funkčnú vrstvu od kremíkového substrátu.
V ktorých čipoch sa používajú substráty SOI?
Môžu byť použité v zariadeniach CMOS, RF zariadeniach a kremíkových fotonických zariadeniach.
Aké sú bežné hrúbky jednotlivých vrstiev SOI substrátov?
Hrúbka vrstvy silikónového substrátu: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm ~ a viac
Hrúbka SiO2: 100 nm až 10 μm
Aktívna silikónová vrstva: Väčšia alebo rovná 20 nm