Kiibi tootmisprotsessis kuuleb sageli terminit "SOI". Ja kiipide tootmine kasutab integraallülituste valmistamiseks tavaliselt ka SOI substraate. SOI substraatide ainulaadne struktuur võib oluliselt parandada kiipide jõudlust, nii et mis on SOI? Millised on selle eelised? Millistes valdkondades seda kasutatakse? Kuidas seda toodetakse?
Mis on SOI substraat?
SOI on Silicon-On-Isolator lühend. See tähendab sõna-sõnalt räni isolatsioonikihil. Tegelik struktuur seisneb selles, et räniplaadil on üliõhuke isolatsioonikiht, näiteks SiO2. Isolatsioonikihil on veel üks õhuke ränikiht. See struktuur eraldab aktiivse ränikihi substraadi ränikihist. Traditsioonilises räniprotsessis moodustatakse kiip otse ränisubstraadile ilma isolaatorikihti kasutamata.
Millised on SOI substraadi eelised?
Madal substraadi lekkevool
Ränioksiidi (SiO2) isolatsioonikihi olemasolu tõttu isoleerib see transistori tõhusalt selle all olevast ränisubstraadist. See isolatsioon vähendab soovimatut vooluvoolu aktiivsest kihist substraadile. Lekkevool suureneb koos temperatuuriga, seega saab kiibi töökindlust kõrge temperatuuriga keskkondades oluliselt parandada.
Vähendage parasiitmahtuvust
SOI struktuuris on parasiitmahtuvus oluliselt vähenenud. Parasiitmahtuvus piirab sageli kiirust ja suurendab energiatarbimist, seega lisavad nad signaali edastamisel lisaviivitust ja tarbivad lisaenergiat. Nende parasiitmahtuvust vähendades on rakendused kiirete või väikese võimsusega kiipide puhul tavalised. Võrreldes tavaliste CMOS-protsessis valmistatud kiipidega saab SOI-kiipide kiirust suurendada 15% ja energiatarbimist vähendada 20%.
Müra isolatsioon
Segasignaaliga rakendustes võib digitaalsete vooluahelate tekitatud müra häirida analoog- või RF-ahelaid, halvendades seeläbi süsteemi jõudlust. Kuna SOI struktuur eraldab aktiivse ränikihi substraadist, saavutab see tegelikult teatud tüüpi müra isolatsiooni. See tähendab, et digitaalahelate tekitatud müral on raskem levida substraadi kaudu tundlikele analoogskeemidele.
Kuidas valmistada SOI substraati?
Üldiselt on kolm meetodit: SIMOX, BESOI, kristallide kasvatamise meetod jne. Piiratud ruumi tõttu tutvustame siin enamlevinud SIMOX tehnoloogiat.
SIMOX, hapniku implantatsiooniga eraldamise täisnimi, on kasutada hapnikuioonide implanteerimist ja sellele järgnevat kõrgel temperatuuril lõõmutamist, et moodustada ränikristallides paks ränidioksiidi (SiO2) kiht, mis toimib SOI struktuuri isolaatorikihina.
Kõrge energiaga hapnikuioonid siirdatakse ränisubstraadi teatud sügavusele. Hapnikuioonide energiat ja annust reguleerides saab määrata tulevase ränidioksiidikihi sügavuse ja paksuse. Hapnikuioonidega siirdatud räniplaat läbib kõrgtemperatuurilise lõõmutamisprotsessi, tavaliselt vahemikus 1100–1300 kraadi. Sellel kõrgel temperatuuril reageerivad siirdatud hapnikuioonid räniga, moodustades pideva ränidioksiidi kihi. See isoleerkiht on maetud ränisubstraadi alla, moodustades SOI struktuuri. Pinnapealne ränikiht muutub kiibi valmistamise funktsionaalseks kihiks, samas kui allpool olev ränidioksiidi kiht toimib isolaatorikihina, isoleerides funktsionaalse kihi ränisubstraadist.
Millistes kiipides kasutatakse SOI substraate?
Neid saab kasutada CMOS-seadmetes, RF-seadmetes ja ränifotoonilistes seadmetes.
Millised on SOI substraatide iga kihi tavalised paksused?
Ränisubstraadi kihi paksus: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm ~ ja rohkem
SiO2 paksus: 100 nm kuni 10 μm
Aktiivne ränikiht: 20 nm või suurem
