Im Chip-Herstellungsprozess fällt häufig der Begriff „SOI“. Und auch in der Chipfertigung werden SOI-Substrate üblicherweise zur Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt. Die einzigartige Struktur von SOI-Substraten kann die Leistung von Chips erheblich verbessern. Was genau ist SOI? Was sind seine Vorteile? In welchen Bereichen wird es verwendet? Wie wird es hergestellt?
Was ist ein SOI-Substrat?
SOI ist die Abkürzung für Silicon-On-Insulator. Wörtlich bedeutet es Silizium auf einer Isolierschicht. Der eigentliche Aufbau besteht darin, dass sich auf dem Siliziumwafer eine ultradünne Isolierschicht, beispielsweise SiO2, befindet. Auf der Isolierschicht befindet sich eine weitere dünne Siliziumschicht. Diese Struktur trennt die aktive Siliziumschicht von der Siliziumschicht des Substrats. Beim herkömmlichen Siliziumprozess wird der Chip ohne Verwendung einer Isolierschicht direkt auf dem Siliziumsubstrat gebildet.
Was sind die Vorteile von SOI-Substrat?
Geringer Substratleckstrom
Durch das Vorhandensein einer isolierenden Schicht aus Siliziumoxid (SiO2) wird der Transistor effektiv vom darunter liegenden Siliziumsubstrat isoliert. Diese Isolierung reduziert den unerwünschten Stromfluss von der aktiven Schicht zum Substrat. Der Leckstrom steigt mit der Temperatur, sodass die Zuverlässigkeit des Chips in Umgebungen mit hohen Temperaturen erheblich verbessert werden kann.
Reduzieren Sie die parasitäre Kapazität
In der SOI-Struktur ist die parasitäre Kapazität deutlich reduziert. Parasitäre Kapazitäten begrenzen oft die Geschwindigkeit und erhöhen den Stromverbrauch, sodass sie bei der Signalübertragung zusätzliche Verzögerungen verursachen und zusätzliche Energie verbrauchen. Durch die Reduzierung dieser parasitären Kapazitäten sind Anwendungen in Hochgeschwindigkeits- oder Low-Power-Chips üblich. Im Vergleich zu gewöhnlichen Chips, die im CMOS-Verfahren hergestellt werden, kann die Geschwindigkeit von SOI-Chips um 15 % gesteigert und der Stromverbrauch um 20 % gesenkt werden.
Geräuschisolierung
Bei Mixed-Signal-Anwendungen kann das von digitalen Schaltkreisen erzeugte Rauschen analoge oder HF-Schaltkreise stören und dadurch die Systemleistung beeinträchtigen. Da die SOI-Struktur die aktive Siliziumschicht vom Substrat trennt, wird tatsächlich eine Art inhärente Rauschisolierung erreicht. Dies bedeutet, dass es für von digitalen Schaltkreisen erzeugtes Rauschen schwieriger ist, sich über das Substrat auf empfindliche analoge Schaltkreise auszubreiten.
Wie stellt man SOI-Substrat her?
Im Allgemeinen gibt es drei Methoden: SIMOX, BESOI, Kristallwachstumsmethode usw. Aufgrund des begrenzten Platzes stellen wir hier die gängigere SIMOX-Technologie vor.
SIMOX, der vollständige Name für Separation by IMplantation of OXygen, besteht darin, durch Sauerstoffionenimplantation und anschließendes Hochtemperaturglühen eine dicke Siliziumdioxidschicht (SiO2) im Siliziumkristall zu bilden, die als Isolatorschicht der SOI-Struktur dient.
Hochenergetische Sauerstoffionen werden in einer bestimmten Tiefe in das Siliziumsubstrat implantiert. Durch die Steuerung der Energie und Dosierung der Sauerstoffionen können Tiefe und Dicke der zukünftigen Siliziumdioxidschicht bestimmt werden. Der mit Sauerstoffionen implantierte Siliziumwafer durchläuft einen Hochtemperatur-Glühprozess, normalerweise zwischen 1100 und 1300 Grad. Bei dieser hohen Temperatur reagieren die implantierten Sauerstoffionen mit dem Silizium und bilden eine kontinuierliche Siliziumdioxidschicht. Diese Isolierschicht ist unter dem Siliziumsubstrat vergraben und bildet eine SOI-Struktur. Die oberflächliche Siliziumschicht wird zur Funktionsschicht für die Herstellung des Chips, während die darunter liegende Siliziumdioxidschicht als Isolatorschicht fungiert und die Funktionsschicht vom Siliziumsubstrat isoliert.
In welchen Chips werden SOI-Substrate verwendet?
Sie können in CMOS-Geräten, HF-Geräten und photonischen Siliziumgeräten verwendet werden.
Was sind die üblichen Dicken jeder Schicht von SOI-Substraten?
Dicke der Siliziumsubstratschicht: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm ~ und mehr
SiO2-Dicke: 100 nm bis 10 μm
Aktive Siliziumschicht: Größer oder gleich 20 nm