En el procés de fabricació de xips, s'escolta sovint el terme "SOI". I la fabricació de xips també sol utilitzar substrats SOI per fabricar circuits integrats. L'estructura única dels substrats SOI pot millorar molt el rendiment dels xips, així que què és exactament SOI? Quins són els seus avantatges? En quins camps s'utilitza? Com es fabrica?
Què és un substrat SOI?
SOI és l'abreviatura de Silicon-On-Insulator. Literalment significa silici sobre una capa aïllant. L'estructura real és que hi ha una capa aïllant ultrafina, com ara SiO2, a la hòstia de silici. Hi ha una altra capa fina de silici a la capa aïllant. Aquesta estructura separa la capa de silici activa de la capa de silici del substrat. En el procés tradicional de silici, el xip es forma directament sobre el substrat de silici sense utilitzar una capa aïllant.
Quins són els avantatges del substrat SOI?
Baix corrent de fuga del substrat
A causa de la presència d'una capa aïllant d'òxid de silici (SiO2), aïlla eficaçment el transistor del substrat de silici subjacent. Aquest aïllament redueix el flux de corrent no desitjat de la capa activa al substrat. El corrent de fuga augmenta amb la temperatura, de manera que la fiabilitat del xip es pot millorar significativament en entorns d'alta temperatura.
Reduir la capacitat dels paràsits
A l'estructura SOI, la capacitat paràsita es redueix significativament. Les capacitats paràsites sovint limiten la velocitat i augmenten el consum d'energia, de manera que afegeixen un retard addicional durant la transmissió del senyal i consumeixen energia addicional. En reduir aquestes capacitats paràsites, les aplicacions són habituals en xips d'alta velocitat o de baixa potència. En comparació amb els xips ordinaris fets en el procés CMOS, la velocitat dels xips SOI es pot augmentar un 15% i el consum d'energia es pot reduir en un 20%.
Aïllament acústic
En aplicacions de senyals mixtes, el soroll generat pels circuits digitals pot interferir amb els circuits analògics o de RF, degradant així el rendiment del sistema. Com que l'estructura SOI separa la capa de silici activa del substrat, en realitat aconsegueix una mena d'aïllament de soroll inherent. Això significa que és més difícil que el soroll generat pels circuits digitals es propagui a través del substrat a circuits analògics sensibles.
Com fabricar el substrat SOI?
En general, hi ha tres mètodes: SIMOX, BESOI, mètode de creixement de cristalls, etc. A causa de l'espai limitat, aquí introduïm la tecnologia SIMOX més comuna.
SIMOX, el nom complet de Separació per implantació d'oxigen, és utilitzar la implantació d'ions d'oxigen i el posterior recuit a alta temperatura per formar una capa gruixuda de diòxid de silici (SiO2) al cristall de silici, que serveix com a capa aïllant de l'estructura SOI.
Els ions d'oxigen d'alta energia s'implanten a una profunditat específica al substrat de silici. Controlant l'energia i la dosi dels ions d'oxigen, es pot determinar la profunditat i el gruix de la futura capa de diòxid de silici. La hòstia de silici implantada amb ions d'oxigen se sotmet a un procés de recuit a alta temperatura, generalment entre 1100 i 1300 graus. A aquesta temperatura elevada, els ions d'oxigen implantats reaccionen amb el silici per formar una capa contínua de diòxid de silici. Aquesta capa aïllant està enterrada sota el substrat de silici, formant una estructura SOI. La capa de silici superficial es converteix en la capa funcional per a la fabricació del xip, mentre que la capa de diòxid de silici a continuació actua com a capa aïllant, aïllant la capa funcional del substrat de silici.
En quins xips s'utilitzen els substrats SOI?
Es poden utilitzar en dispositius CMOS, dispositius de RF i dispositius fotònics de silici.
Quins són els gruixos comuns de cada capa de substrats SOI?
Gruix de la capa de substrat de silici: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ i superior
Gruix de SiO2: 100 nm a 10μm
Capa de silici activa: superior o igual a 20 nm
