Жартылай өткізгіш өндірісіндегі SOI технологиясы: құрылғылардың өнімділігін арттыру үшін кремний-изолятор-кремний қабаттары, артық сыйымдылықты азайту.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жартылай өткізгіш өндірістегі технология
Technology in semiconductor manufacturing
Жартылай өткізгіш өндірісінде кремнийді оқшаулағыш (SOI) технологиясы – құрылғыдағы паразиттік сыйымдылықты азайту арқылы өнімділікті жақсарту мақсатында, қабатты кремний-оқшаулағыш-кремний субстратында кремний жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау процесі болып табылады. SOI негізіндегі құрылғылар дәстүрлі кремнийден жасалған құрылғылардан кремнийлі торап электрлік оқшаулағыштың үстінде орналасқандығымен ерекшеленеді, әдетте бұл кремний диоксиді немесе сапфир (мұндай құрылғылар сапфирдегі кремний немесе SOS деп аталады). Оқшаулағыштың таңдалуы көбінесе қолданылу мақсатына байланысты: сапфир жоғары өнімділіктегі радиожиілік (RF) және сәулеленуге сезімтал қолданыстар үшін, ал кремний диоксиді – басқа микроэлектроникалық құрылғыларда қысқа арна әсерін азайту үшін қолданылады. Оқшаулағыш қабат пен жоғарғы кремний қабаты да қолданылу саласына қарай әртүрлі болуы мүмкін.
In semiconductor manufacturing, silicon on insulator (SOI) technology is fabrication of silicon semiconductor devices in a layered silicon–insulator–silicon substrate, to reduce parasitic capacitance within the device, thereby improving performance. SOI based devices differ from conventional silicon built devices in that the silicon junction is above an electrical insulator, typically silicon dioxide or sapphire (these types of devices are called silicon on sapphire, or SOS). The choice of insulator depends largely on intended application, with sapphire being used for high performance radio frequency (RF) and radiation sensitive applications, and silicon dioxide for diminished short channel effects in other microelectronics devices. The insulating layer and topmost silicon layer also vary widely with application.
SOI транзисторлары
SOI MOSFET – металл-оксид-жартылайөткізгіш өрістік эффектті транзистор (MOSFET) құрылғысы, онда кремний немесе германий сияқты жартылайөткізгіш қабаты, жартылайөткізгіш субстратқа орналастырылған оқшаулағыш қабатында, көмбелі оксид (BOX) қабаты болуы мүмкін. SOI MOSFET құрылғылары компьютер индустриясында қолдануға бейімделген. Көмбелі оксид қабаты SRAM схемаларында қолданылуы мүмкін. SOI құрылғыларының екі түрі бар: PDSOI (ішінара сарқылған SOI) және FDSOI (толық сарқылған SOI) MOSFET. n-типі PDSOI MOSFET үшін, қақпа оксиді (GOX) мен көмбелі оксид (BOX) арасындағы n-типі пленканың қалыңдығы жоғары болғандықтан, сарқылу аймағы бүкіл n-аймақты жаба алмайды. Сондықтан PDSOI белгілі бір жағдайларда жайлы MOSFET сияқты әрекет етеді. Әрине, жайлы MOSFET-терге қарағанда бірнеше артықшылықтары бар. FDSOI құрылғыларында пленка өте жұқа болғандықтан, сарқылу аймағы бүкіл арна аймағын жабады. FDSOI-де алдыңғы қақпа (GOX) жайлы MOSFET-ке қарағанда аз сарқылу зарядын ұстайды, нәтижесінде инверсия зарядының артуына және жоғары жылдамдыққа ие болады. BOX арқылы сарқылу зарядының шектелуі сарқылу сыйымдылығының төмендеуіне және субпороговый қисықтың азаюына әкеледі, бұл FDSOI MOSFET-терінің төменгі қақпалық кернеуде жұмыс істеуіне және төмен қуатты жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Субпороговый қисық 300K температурада MOSFET үшін 60 мВ/онжылдық болатын ең төменгі теориялық мәнге жете алады. Бұл идеалды мән алғаш рет сандық модельдеу арқылы көрсетілді. Жайлы MOSFET-тердегі кернеудің төмендеуі сияқты басқа кемшіліктер FDSOI-де азайтылады, өйткені BOX қабатының арқасында бастапқы және аяқтағы электр өрістерінің әсері байқаылмайды. PDSOI-дегі негізгі мәселе – пленканың ешқандай қуат көзіне қосылмауынан туындайтын "қозғалмалы дене эффектісі (FBE)".
An SOI MOSFET is a metal–oxide–semiconductor field effect transistor (MOSFET) device in which a semiconductor layer such as silicon or germanium is formed on an insulator layer which may be a buried oxide (BOX) layer formed in a semiconductor substrate. SOI MOSFET devices are adapted for use by the computer industry. The buried oxide layer can be used in SRAM designs. There are two types of SOI devices: PDSOI (partially depleted SOI) and FDSOI (fully depleted SOI) MOSFETs. For an n type PDSOI MOSFET the sandwiched n type film between the gate oxide (GOX) and buried oxide (BOX) is large, so the depletion region can't cover the whole n region. So to some extent PDSOI behaves like bulk MOSFET. Obviously there are some advantages over the bulk MOSFETs. The film is very thin in FDSOI devices so that the depletion region covers the whole channel region. In FDSOI the front gate (GOX) supports fewer depletion charges than the bulk so an increase in inversion charges occurs resulting in higher switching speeds. The limitation of the depletion charge by the BOX induces a suppression of the depletion capacitance and therefore a substantial reduction of the subthreshold swing allowing FD SOI MOSFETs to work at lower gate bias resulting in lower power operation. The subthreshold swing can reach the minimum theoretical value for MOSFET at 300K, which is 60mV/decade. This ideal value was first demonstrated using numerical simulation. Other drawbacks in bulk MOSFETs, like threshold voltage roll off, etc. are reduced in FDSOI since the source and drain electric fields can't interfere due to the BOX. The main problem in PDSOI is the "floating body effect (FBE)" since the film is not connected to any of the supplies.
Жоғары өнімділіктегі радиожиілік (RF) қолданбаларда пайдалану
1990 жылы Peregrine Semiconductor стандартты 0,5 мкм CMOS түйінін және жетілдірілген сапфирлік субстратты пайдалана отырып, SOI процесінің технологиясын әзірлеуді бастады. Оның патенттелген кремний-сапфир (SOS) процесі жоғары өнімділіктегі радиожиілікті (RF) қолданбаларда кеңінен қолданылады. Оқшаулағыш сапфирлік субстраттың ішкі артықшылықтары жоғары оқшаулау, жоғары сызықтық және электростатикалық разрядқа (ESD) төзімділікті қамтамасыз етеді. Көптеген басқа компаниялар да смартфондар мен ұялы байланыс радиоларындағы сәтті RF қолданбаларында SOI технологиясын пайдаланды.
In 1990, Peregrine Semiconductor began development of an SOI process technology utilizing a standard 0.5 μm CMOS node and an enhanced sapphire substrate. Its patented silicon on sapphire (SOS) process is widely used in high performance RF applications. The intrinsic benefits of the insulating sapphire substrate allow for high isolation, high linearity and electro static discharge (ESD) tolerance. Multiple other companies have also applied SOI technology to successful RF applications in smartphones and cellular radios.
Фотоникада қолдану
SOI пластинкалары кремний фотоникасында кеңінен қолданылады. Оқшаулағыштағы кристалды кремний қабаты оптикалық толқын жетектері және басқа да оптикалық құрылғыларды жасау үшін пайдаланылады, олар пассивті немесе белсенді болуы мүмкін (мысалы, тиісті имплантациялар арқылы). Жерленген оқшаулағыш, толық ішкі шағылысу принципі негізінде кремний қабатында инфрақызыл сәуленің таралуын қамтамасыз етеді. Толқын жетектерінің үстіңгі беті әдейі ашық қалдырылып, ауаға шығарылуы мүмкін (мысалы, сенсорлық қолданыстар үшін) немесе әдетте кремнийден жасалған қаптамамен жабылуы мүмкін.
SOI wafers are widely used in silicon photonics. The crystalline silicon layer on insulator can be used to fabricate optical waveguides and other optical devices, either passive or active (e. g. through suitable implantations). The buried insulator enables propagation of infrared light in the silicon layer on the basis of total internal reflection. The top surface of the waveguides can be either left uncovered and exposed to air (e. g. for sensing applications), or covered with a cladding, typically made of silica
Кемшіліктер
SOI технологиясының дәстүрлі жартылай өткізгіш өнеркәсібімен салыстырғандағы басты кемшілігі – өндіріс құнының жоғары болуы. 2012 жылға дейін тек IBM және AMD ғана жоғары өнімді процессорларды жасау үшін SOI технологиясын қолданды, ал қалған өндірушілер (Intel, TSMC, Global Foundries сияқты) CMOS чиптерін жасау үшін дәстүрлі кремний пластиналарын пайдаланды.
The major disadvantage of SOI technology when compared to conventional semiconductor industry is increased cost of manufacturing. As of 2012 only IBM and AMD used SOI as basis for high performance processors and the other manufacturers (Intel, TSMC, Global Foundries etc.) used conventional silicon wafers to build their CMOS chips.