V procesu výroby čipů je často slyšet termín „SOI“. A výroba čipů také obvykle používá substráty SOI k výrobě integrovaných obvodů. Jedinečná struktura substrátů SOI může výrazně zlepšit výkon čipů, takže co to vlastně SOI je? Jaké jsou jeho výhody? V jakých oborech se používá? Jak se vyrábí?
Co je substrát SOI?
SOI je zkratka pro Silicon-On-Insulator. Doslova to znamená křemík na izolační vrstvě. Skutečná struktura je taková, že na křemíkové destičce je ultratenká izolační vrstva, jako je SiO2. Na izolační vrstvě je další tenká silikonová vrstva. Tato struktura odděluje aktivní křemíkovou vrstvu od křemíkové vrstvy substrátu. V tradičním křemíkovém procesu je čip vytvořen přímo na křemíkovém substrátu bez použití izolační vrstvy.
Jaké jsou výhody SOI substrátu?
Nízký svodový proud substrátu
Díky přítomnosti izolační vrstvy oxidu křemíku (SiO2) účinně izoluje tranzistor od podkladového křemíkového substrátu. Tato izolace snižuje nežádoucí tok proudu z aktivní vrstvy do substrátu. Svodový proud se zvyšuje s teplotou, takže spolehlivost čipu lze výrazně zlepšit v prostředí s vysokou teplotou.
Snižte parazitní kapacitu
Ve struktuře SOI je výrazně snížena parazitní kapacita. Parazitní kapacity často omezují rychlost a zvyšují spotřebu energie, takže přidávají další zpoždění při přenosu signálu a spotřebovávají energii navíc. Snížením těchto parazitních kapacit jsou aplikace běžné ve vysokorychlostních nebo nízkoenergetických čipech. Ve srovnání s běžnými čipy vyrobenými v procesu CMOS lze rychlost SOI čipů zvýšit o 15 % a snížit spotřebu energie o 20 %.
Izolace hluku
V aplikacích se smíšeným signálem může šum generovaný digitálními obvody interferovat s analogovými nebo RF obvody, čímž se snižuje výkon systému. Vzhledem k tomu, že struktura SOI odděluje aktivní křemíkovou vrstvu od substrátu, ve skutečnosti dosahuje jakési vlastní izolace hluku. To znamená, že pro šum generovaný digitálními obvody je obtížnější šířit se substrátem do citlivých analogových obvodů.
Jak vyrobit SOI substrát?
Obecně existují tři metody: SIMOX, BESOI, metoda růstu krystalů atd. Z důvodu omezeného prostoru zde uvádíme běžnější technologii SIMOX.
SIMOX, celým názvem Separation by IMplantation of OXygen, má pomocí implantace kyslíkových iontů a následného vysokoteplotního žíhání vytvořit v krystalu křemíku silnou vrstvu oxidu křemičitého (SiO2), která slouží jako izolační vrstva struktury SOI.
Vysokoenergetické kyslíkové ionty jsou implantovány do specifické hloubky křemíkového substrátu. Řízením energie a dávkování kyslíkových iontů lze určit hloubku a tloušťku budoucí vrstvy oxidu křemičitého. Křemíkový plátek implantovaný kyslíkovými ionty prochází vysokoteplotním žíhacím procesem, obvykle mezi 1100 stupni a 1300 stupni. Při této vysoké teplotě reagují implantované ionty kyslíku s křemíkem za vzniku souvislé vrstvy oxidu křemičitého. Tato izolační vrstva je pohřbena pod křemíkovým substrátem a tvoří strukturu SOI. Povrchová křemíková vrstva se stává funkční vrstvou pro výrobu čipu, zatímco vrstva oxidu křemičitého pod ní působí jako izolační vrstva, izolující funkční vrstvu od křemíkového substrátu.
V jakých čipech se používají substráty SOI?
Mohou být použity v zařízeních CMOS, RF zařízeních a křemíkových fotonických zařízeních.
Jaké jsou běžné tloušťky jednotlivých vrstev SOI substrátů?
Tloušťka vrstvy silikonového substrátu: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm ~ a více
Tloušťka SiO2: 100 nm až 10 μm
Aktivní silikonová vrstva: Větší nebo rovna 20nm