Mikroshēmu ražošanas procesā bieži tiek dzirdēts termins "SOI". Un mikroshēmu ražošanā arī parasti izmanto SOI substrātus, lai ražotu integrētās shēmas. Unikālā SOI substrātu struktūra var ievērojami uzlabot mikroshēmu veiktspēju, kas tad īsti ir SOI? Kādas ir tās priekšrocības? Kādās jomās to izmanto? Kā tas tiek ražots?
Kas ir SOI substrāts?
SOI ir Silicon-On-Izolatora saīsinājums. Tas burtiski nozīmē silīciju uz izolācijas slāņa. Faktiskā struktūra ir tāda, ka uz silīcija plāksnītes ir īpaši plāns izolācijas slānis, piemēram, SiO2. Uz izolācijas slāņa ir vēl viens plāns silīcija slānis. Šī struktūra atdala aktīvā silīcija slāni no substrāta silīcija slāņa. Tradicionālajā silīcija procesā mikroshēma tiek veidota tieši uz silīcija substrāta, neizmantojot izolatora slāni.
Kādas ir SOI substrāta priekšrocības?
Zema substrāta noplūdes strāva
Silīcija oksīda (SiO2) izolācijas slāņa klātbūtnes dēļ tas efektīvi izolē tranzistoru no pamatā esošā silīcija substrāta. Šī izolācija samazina nevēlamo strāvas plūsmu no aktīvā slāņa uz substrātu. Noplūdes strāva palielinās līdz ar temperatūru, tāpēc mikroshēmas uzticamību var ievērojami uzlabot augstas temperatūras vidē.
Samaziniet parazitāro kapacitāti
SOI struktūrā parazitārā kapacitāte ir ievērojami samazināta. Parazītiskās kapacitātes bieži ierobežo ātrumu un palielina enerģijas patēriņu, tāpēc signāla pārraides laikā tās rada papildu aizkavi un patērē papildu enerģiju. Samazinot šīs parazitārās kapacitātes, lietojumprogrammas ir izplatītas ātrgaitas vai mazjaudas mikroshēmās. Salīdzinot ar parastajām mikroshēmām, kas izgatavotas CMOS procesā, SOI mikroshēmu ātrumu var palielināt par 15% un enerģijas patēriņu samazināt par 20%.
Trokšņa izolācija
Jauktu signālu lietojumos digitālo ķēžu radītais troksnis var traucēt analogajām vai RF shēmām, tādējādi pasliktinot sistēmas veiktspēju. Tā kā SOI struktūra atdala aktīvā silīcija slāni no substrāta, tā faktiski panāk sava veida raksturīgu trokšņa izolāciju. Tas nozīmē, ka digitālo ķēžu radītajam troksnim ir grūtāk izplatīties caur substrātu uz jutīgām analogajām shēmām.
Kā ražot SOI substrātu?
Parasti ir trīs metodes: SIMOX, BESOI, kristālu augšanas metode utt. Ierobežotās vietas dēļ mēs iepazīstinām ar visizplatītāko SIMOX tehnoloģiju.
SIMOX, pilns nosaukums Separation by IMplantation of OXygen, ir izmantot skābekļa jonu implantāciju un tai sekojošu atkvēlināšanu augstā temperatūrā, lai silīcija kristālā izveidotu biezu silīcija dioksīda (SiO2) slāni, kas kalpo kā SOI struktūras izolatora slānis.
Augstas enerģijas skābekļa joni tiek implantēti noteiktā dziļumā silīcija substrātā. Kontrolējot skābekļa jonu enerģiju un devu, var noteikt topošā silīcija dioksīda slāņa dziļumu un biezumu. Silīcija plāksne, kas implantēta ar skābekļa joniem, tiek pakļauta augstas temperatūras atkausēšanas procesam, parasti no 1100 grādiem līdz 1300 grādiem. Šajā augstajā temperatūrā implantētie skābekļa joni reaģē ar silīciju, veidojot nepārtrauktu silīcija dioksīda slāni. Šis izolācijas slānis ir aprakts zem silīcija substrāta, veidojot SOI struktūru. Virsmas silīcija slānis kļūst par funkcionālo slāni mikroshēmas izgatavošanai, savukārt zemāk esošais silīcija dioksīda slānis darbojas kā izolatora slānis, izolējot funkcionālo slāni no silīcija substrāta.
Kurās mikroshēmās tiek izmantoti SOI substrāti?
Tos var izmantot CMOS ierīcēs, RF ierīcēs un silīcija fotoniskās ierīcēs.
Kādi ir katra SOI substrātu slāņa kopējie biezumi?
Silīcija substrāta slāņa biezums: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm ~ un vairāk
SiO2 biezums: 100 nm līdz 10 μm
Aktīvais silīcija slānis: lielāks vai vienāds ar 20 nm