Στη διαδικασία κατασκευής τσιπ, ακούγεται συχνά ο όρος "SOI". Και η κατασκευή τσιπ συνήθως χρησιμοποιεί υποστρώματα SOI για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η μοναδική δομή των υποστρωμάτων SOI μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση των τσιπ, οπότε τι ακριβώς είναι το SOI; Ποια είναι τα πλεονεκτήματά του; Σε ποιους τομείς χρησιμοποιείται; Πώς κατασκευάζεται;
Τι είναι ένα υπόστρωμα SOI;
Το SOI είναι η συντομογραφία του Silicon-On-Insulator. Κυριολεκτικά σημαίνει πυρίτιο σε μονωτικό στρώμα. Η πραγματική δομή είναι ότι υπάρχει ένα εξαιρετικά λεπτό μονωτικό στρώμα, όπως το SiO2, στη γκοφρέτα πυριτίου. Υπάρχει ένα άλλο λεπτό στρώμα πυριτίου στο μονωτικό στρώμα. Αυτή η δομή διαχωρίζει το στρώμα ενεργού πυριτίου από το στρώμα πυριτίου του υποστρώματος. Στην παραδοσιακή διαδικασία πυριτίου, το τσιπ σχηματίζεται απευθείας στο υπόστρωμα πυριτίου χωρίς τη χρήση μονωτικού στρώματος.
Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του υποστρώματος SOI;
Χαμηλό ρεύμα διαρροής υποστρώματος
Λόγω της παρουσίας ενός μονωτικού στρώματος οξειδίου του πυριτίου (SiO2), απομονώνει αποτελεσματικά το τρανζίστορ από το υποκείμενο υπόστρωμα πυριτίου. Αυτή η απομόνωση μειώνει την ανεπιθύμητη ροή ρεύματος από το ενεργό στρώμα προς το υπόστρωμα. Το ρεύμα διαρροής αυξάνεται με τη θερμοκρασία, επομένως η αξιοπιστία του τσιπ μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας.
Μειώστε την παρασιτική χωρητικότητα
Στη δομή SOI, η παρασιτική χωρητικότητα μειώνεται σημαντικά. Οι παρασιτικές χωρητικότητες συχνά περιορίζουν την ταχύτητα και αυξάνουν την κατανάλωση ενέργειας, έτσι προσθέτουν επιπλέον καθυστέρηση κατά τη μετάδοση του σήματος και καταναλώνουν επιπλέον ενέργεια. Με τη μείωση αυτών των παρασιτικών χωρητικοτήτων, οι εφαρμογές είναι κοινές σε τσιπ υψηλής ταχύτητας ή χαμηλής ισχύος. Σε σύγκριση με τα συνηθισμένα τσιπ που κατασκευάζονται στη διαδικασία CMOS, η ταχύτητα των τσιπ SOI μπορεί να αυξηθεί κατά 15% και η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να μειωθεί κατά 20%.
Απομόνωση θορύβου
Σε εφαρμογές μικτού σήματος, ο θόρυβος που δημιουργείται από ψηφιακά κυκλώματα μπορεί να επηρεάσει τα αναλογικά κυκλώματα ή τα κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων, υποβαθμίζοντας έτσι την απόδοση του συστήματος. Δεδομένου ότι η δομή SOI διαχωρίζει το στρώμα ενεργού πυριτίου από το υπόστρωμα, επιτυγχάνει στην πραγματικότητα ένα είδος εγγενούς απομόνωσης θορύβου. Αυτό σημαίνει ότι είναι πιο δύσκολο για τον θόρυβο που δημιουργείται από ψηφιακά κυκλώματα να διαδοθεί μέσω του υποστρώματος σε ευαίσθητα αναλογικά κυκλώματα.
Πώς να κατασκευάσετε το υπόστρωμα SOI;
Υπάρχουν γενικά τρεις μέθοδοι: SIMOX, BESOI, μέθοδος ανάπτυξης κρυστάλλων κ.λπ. Λόγω περιορισμένου χώρου, εδώ εισάγουμε την πιο κοινή τεχνολογία SIMOX.
Το SIMOX, το πλήρες όνομα του Separation by IMplantation of OXygen, είναι να χρησιμοποιήσει εμφύτευση ιόντων οξυγόνου και επακόλουθη ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία για να σχηματίσει ένα παχύ στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) στον κρύσταλλο πυριτίου, το οποίο χρησιμεύει ως το μονωτικό στρώμα της δομής SOI.
Ιόντα οξυγόνου υψηλής ενέργειας εμφυτεύονται σε συγκεκριμένο βάθος στο υπόστρωμα πυριτίου. Με τον έλεγχο της ενέργειας και της δοσολογίας των ιόντων οξυγόνου, μπορεί να προσδιοριστεί το βάθος και το πάχος του μελλοντικού στρώματος διοξειδίου του πυριτίου. Η γκοφρέτα πυριτίου που εμφυτεύεται με ιόντα οξυγόνου υφίσταται μια διαδικασία ανόπτησης σε υψηλή θερμοκρασία, συνήθως μεταξύ 1100 μοιρών και 1300 μοιρών. Σε αυτή την υψηλή θερμοκρασία, τα εμφυτευμένα ιόντα οξυγόνου αντιδρούν με το πυρίτιο για να σχηματίσουν ένα συνεχές στρώμα διοξειδίου του πυριτίου. Αυτό το μονωτικό στρώμα είναι θαμμένο κάτω από το υπόστρωμα πυριτίου, σχηματίζοντας μια δομή SOI. Το επιφανειακό στρώμα πυριτίου γίνεται το λειτουργικό στρώμα για την κατασκευή του τσιπ, ενώ το στρώμα διοξειδίου του πυριτίου από κάτω λειτουργεί ως μονωτικό στρώμα, απομονώνοντας το λειτουργικό στρώμα από το υπόστρωμα πυριτίου.
Σε ποια τσιπ χρησιμοποιούνται υποστρώματα SOI;
Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές CMOS, συσκευές RF και φωτονικές συσκευές πυριτίου.
Ποια είναι τα κοινά πάχη κάθε στρώσης υποστρωμάτων SOI;
Πάχος στρώσης υποστρώματος πυριτίου: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ και άνω
Πάχος SiO2: 100 nm έως 10 μm
Ενεργό στρώμα πυριτίου: Μεγαλύτερο ή ίσο με 20 nm
