Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Технология производства полупроводников
Technology in semiconductor manufacturing
В производстве полупроводников технология кремния на изоляторе (SOI) представляет собой изготовление кремниевых полупроводниковых приборов в слоистой кремниево-изоляторно-кремниевой подложке для снижения паразитной ёмкости внутри прибора, что повышает производительность. Приборы на основе SOI отличаются от традиционных кремниевых приборов тем, что кремниевый переход расположен над электрическим изолятором, обычно диоксидом кремния или сапфиром (эти типы приборов называются кремнием на сапфире, или SOS). Выбор изолятора в значительной степени зависит от предполагаемого применения: сапфир используется для высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) и радиационно-чувствительных приложений, а диоксид кремния – для уменьшения эффектов короткого канала в других микроэлектронных приборах. Изолирующий слой и верхний слой кремния также значительно варьируются в зависимости от области применения.
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.
Транзисторы SOI
SOI MOSFET – это металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), в котором полупроводниковый слой, такой как кремний или германий, формируется на изоляторном слое, который может быть зарытым оксидом (BOX), сформированным в полупроводниковой подложке. SOI MOSFET предназначены для использования в компьютерной индустрии. Зарытый оксидный слой может использоваться в схемах SRAM. Существует два типа устройств SOI: PDSOI (частично обедненные SOI) и FDSOI (полностью обедненные SOI) MOSFET. Для n-канального PDSOI MOSFET заключенная n-слой между оксидом затвора (GOX) и зарытым оксидом (BOX) имеет большую толщину, поэтому область обеднения не может покрыть всю n-область. Таким образом, PDSOI в некоторой степени ведет себя как объемный MOSFET. Очевидно, существуют определенные преимущества по сравнению с объемными MOSFET. В FDSOI-устройствах слой очень тонкий, поэтому область обеднения покрывает всю канальную область. В FDSOI передний затвор (GOX) поддерживает меньше зарядов обеднения, чем объем, что приводит к увеличению инверсионных зарядов и, как следствие, к более высокой скорости переключения. Ограничение заряда обеднения BOX приводит к подавлению емкости обеднения и, следовательно, к значительному снижению крутизны подпорогового переключения, что позволяет FDSOI MOSFET работать при более низком напряжении на затворе, обеспечивая более низкое энергопотребление. Крутизна подпорогового переключения может достигать минимального теоретического значения для MOSFET при 300K, которое составляет 60 мВ/декаду. Это идеальное значение было впервые продемонстрировано с помощью численного моделирования. Другие недостатки объемных MOSFET, такие как провал порогового напряжения и т.д., уменьшаются в FDSOI, поскольку электрические поля истока и стока не могут взаимодействовать из-за BOX. Основная проблема в PDSOI – это "эффект плавающего тела (FBE)", поскольку слой не подключен ни к одному из источников питания.
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.
Использование в высокопроизводительных радиочастотных приложениях (RF)
В 1990 году компания Peregrine Semiconductor начала разработку технологии производства на основе SOI, используя стандартный технологический узел CMOS 0,5 мкм и улучшенную сапфировую подложку. Их запатентованный процесс "кремний на сапфире" (SOS) широко применяется в высокочастотных (RF) приложениях, требующих высокой производительности. Присущие сапфировой подложке преимущества, такие как изоляция, высокая линейность и устойчивость к электростатическим разрядам (ESD), обеспечивают превосходные характеристики. Ряд других компаний также успешно применяли технологию SOI в RF-приложениях для смартфонов и сотовых радиостанций.
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.
Использование в фотонике
SOI-пластины широко используются в кремниевой фотонике. Кристаллический кремниевый слой на изоляторе может быть использован для создания оптических волноводов и других оптических устройств, как пассивных, так и активных (например, посредством соответствующих имплантаций). Заглубленный изолятор обеспечивает распространение инфракрасного света в кремниевом слое на основе полного внутреннего отражения. Верхняя поверхность волноводов может быть либо оставлена открытой и подвергнутой воздействию воздуха (например, для применений в сенсорах), либо покрыта облицовкой, обычно изготавливаемой из диоксида кремния.
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
Недостатки
Основным недостатком технологии SOI по сравнению с традиционной полупроводниковой промышленностью является более высокая стоимость производства. По состоянию на 2012 год только компании IBM и AMD использовали SOI в качестве основы для высокопроизводительных процессоров, в то время как другие производители (Intel, TSMC, Global Foundries и др.) использовали обычные кремниевые пластины для производства своих CMOS-чипов.
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.