Sirujen valmistusprosessissa termiä "SOI" kuullaan usein. Ja siruvalmistuksessa käytetään yleensä myös SOI-substraatteja integroitujen piirien valmistukseen. SOI-substraattien ainutlaatuinen rakenne voi parantaa huomattavasti sirujen suorituskykyä, joten mikä SOI oikein on? Mitkä ovat sen edut? Millä aloilla sitä käytetään? Miten se valmistetaan?
Mikä on SOI-substraatti?
SOI on lyhenne sanoista Silicon-On-Insulator. Se tarkoittaa kirjaimellisesti piitä eristyskerroksessa. Varsinainen rakenne on, että piikiekon päällä on erittäin ohut eristyskerros, kuten SiO2. Eristyskerroksen päällä on toinen ohut piikerros. Tämä rakenne erottaa aktiivisen piikerroksen substraatin piikerroksesta. Perinteisessä piiprosessissa siru muodostetaan suoraan piisubstraatille ilman eristekerrosta.
Mitkä ovat SOI-substraatin edut?
Matala substraatin vuotovirta
Eristävän piioksidikerroksen (SiO2) ansiosta se eristää tehokkaasti transistorin alla olevasta piisubstraatista. Tämä eristys vähentää ei-toivottua virran virtausta aktiivisesta kerroksesta substraattiin. Vuotovirta kasvaa lämpötilan myötä, joten sirun luotettavuutta voidaan parantaa merkittävästi korkeissa lämpötiloissa.
Vähennä loiskapasitanssia
SOI-rakenteessa loiskapasitanssi pienenee merkittävästi. Parasiittiset kapasitanssit rajoittavat usein nopeutta ja lisäävät virrankulutusta, joten ne lisäävät ylimääräistä viivettä signaalin lähetyksen aikana ja kuluttavat ylimääräistä energiaa. Pienentämällä näitä loiskapasitansseja, sovellukset ovat yleisiä nopeissa tai pienitehoisissa siruissa. Tavallisiin CMOS-prosessissa valmistettuihin siruihin verrattuna SOI-sirujen nopeutta voidaan kasvattaa 15 % ja tehonkulutusta vähentää 20 %.
Melun eristys
Sekasignaalisovelluksissa digitaalisten piirien tuottama kohina voi häiritä analogisia tai RF-piirejä, mikä heikentää järjestelmän suorituskykyä. Koska SOI-rakenne erottaa aktiivisen piikerroksen substraatista, se itse asiassa saavuttaa eräänlaisen luontaisen kohinan eristyksen. Tämä tarkoittaa, että digitaalisten piirien synnyttämän kohinan on vaikeampaa levitä substraatin läpi herkkiin analogisiin piireihin.
Kuinka valmistaa SOI-substraattia?
Yleensä on kolme menetelmää: SIMOX, BESOI, kiteen kasvatusmenetelmä jne. Rajallisen tilan vuoksi esittelemme tässä yleisemmän SIMOX-tekniikan.
SIMOX, koko nimi Separation by IMplantation of OXygen, on käyttää happi-ioni-istutusta ja sitä seuraavaa korkean lämpötilan hehkutusta paksun piidioksidikerroksen (SiO2) muodostamiseksi piikiteeseen, joka toimii SOI-rakenteen eristekerroksena.
Korkeaenergiset happi-ionit istutetaan tiettyyn syvyyteen piisubstraatissa. Säätämällä happi-ionien energiaa ja annostusta voidaan määrittää tulevan piidioksidikerroksen syvyys ja paksuus. Happiioneilla istutettu piikiekko käy läpi korkean lämpötilan hehkutusprosessin, yleensä 1100-1300 astetta. Tässä korkeassa lämpötilassa istutetut happi-ionit reagoivat piin kanssa muodostaen jatkuvan piidioksidikerroksen. Tämä eristävä kerros haudataan piisubstraatin alle muodostaen SOI-rakenteen. Pintapiikerroksesta tulee toiminnallinen kerros sirun valmistuksessa, kun taas alla oleva piidioksidikerros toimii eristekerroksena, joka eristää toiminnallisen kerroksen piisubstraatista.
Missä siruissa SOI-substraatteja käytetään?
Niitä voidaan käyttää CMOS-laitteissa, RF-laitteissa ja piifotonilaitteissa.
Mitkä ovat kunkin SOI-substraattikerroksen yleiset paksuudet?
Pii-substraattikerroksen paksuus: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm ~ ja enemmän
SiO2 paksuus: 100 nm - 10 μm
Aktiivinen piikerros: Suurempi tai yhtä suuri kuin 20 nm
