В процессе производства чипов часто можно услышать термин «SOI». При производстве микросхем также обычно используются подложки SOI для изготовления интегральных схем. Уникальная структура подложек SOI может значительно улучшить производительность чипов. Так что же такое SOI? Каковы его преимущества? В каких сферах он используется? Как он производится?
Что такое подложка КНИ?
SOI — это аббревиатура от «кремний на изоляторе». Буквально это означает кремний на изолирующем слое. Фактическая структура заключается в том, что на кремниевой пластине имеется ультратонкий изолирующий слой, такой как SiO2. На изолирующем слое имеется еще один тонкий слой кремния. Эта структура отделяет активный слой кремния от кремниевого слоя подложки. В традиционном кремниевом процессе чип формируется непосредственно на кремниевой подложке без использования изолирующего слоя.
Каковы преимущества подложки SOI?
Низкий ток утечки подложки
Благодаря наличию изолирующего слоя оксида кремния (SiO2) он эффективно изолирует транзистор от нижележащей кремниевой подложки. Эта изоляция уменьшает нежелательный поток тока от активного слоя к подложке. Ток утечки увеличивается с ростом температуры, поэтому надежность чипа можно значительно повысить в условиях высоких температур.
Уменьшите паразитную емкость
В КНИ-структуре паразитная емкость существенно уменьшена. Паразитные емкости часто ограничивают скорость и увеличивают энергопотребление, поэтому они добавляют дополнительную задержку при передаче сигнала и потребляют дополнительную энергию. За счет уменьшения этих паразитных емкостей широко используются приложения в высокоскоростных или маломощных микросхемах. По сравнению с обычными чипами, изготовленными по технологии КМОП, скорость чипов SOI можно увеличить на 15%, а энергопотребление снизить на 20%.
Шумоизоляция
В приложениях со смешанными сигналами шум, создаваемый цифровыми цепями, может мешать работе аналоговых или радиочастотных цепей, тем самым ухудшая производительность системы. Поскольку структура КНИ отделяет активный кремниевый слой от подложки, она фактически обеспечивает своего рода собственную шумоизоляцию. Это означает, что шуму, создаваемому цифровыми схемами, труднее распространяться через подложку к чувствительным аналоговым схемам.
Как изготовить подложку КНИ?
Обычно существует три метода: SIMOX, BESOI, метод выращивания кристаллов и т. д. Из-за ограниченного пространства здесь мы представляем более распространенную технологию SIMOX.
SIMOX, полное название разделения путем имплантации кислорода, заключается в использовании имплантации ионов кислорода и последующего высокотемпературного отжига для формирования толстого слоя диоксида кремния (SiO2) в кристалле кремния, который служит изолирующим слоем структуры SOI.
Высокоэнергетические ионы кислорода имплантируются на определенную глубину кремниевой подложки. Контролируя энергию и дозировку ионов кислорода, можно определить глубину и толщину будущего слоя диоксида кремния. Кремниевая пластина, имплантированная ионами кислорода, подвергается процессу высокотемпературного отжига, обычно от 1100 до 1300 градусов. При такой высокой температуре имплантированные ионы кислорода реагируют с кремнием, образуя сплошной слой диоксида кремния. Этот изолирующий слой скрыт под кремниевой подложкой, образуя структуру КНИ. Поверхностный слой кремния становится функциональным слоем для изготовления чипа, а нижний слой диоксида кремния действует как изоляционный слой, изолируя функциональный слой от кремниевой подложки.
В каких чипах используются подложки SOI?
Их можно использовать в КМОП-устройствах, ВЧ-устройствах и кремниевых фотонных устройствах.
Какова общая толщина каждого слоя подложек КНИ?
Толщина слоя кремниевой подложки: 100 мкм/300 мкм/400 мкм/500 мкм/625 мкм ~ и выше
Толщина SiO2: от 100 нм до 10 мкм
Слой активного кремния: больше или равен 20 нм.