Изучение использования технологии кремниевых на изоляторах (soi) в высокоскоростных устройствах

Что такое технология Silicon-on-Insulator (SOI)?

Технология кремниевого инсулятора (SOI) заменяет традиционную объемную кремниевую подложку слоистой структурой: тонкий однокристаллический кремниевый слой (слой устройства) находится на погребенном изолирующем слое, обычно диоксид кремния (SiO2), который сам по себе опирается на ручку кремниевой пластины. Этот сэндвич «кремний-инсулятор-кремний» фундаментально изменяет то, как транзисторы и другие компоненты взаимодействуют с подложкой, предлагая чистый разрыв с паразитическими ограничениями, которые мешают объемной CMOS.

Изоляционный слой, часто называемый оксидом (BOX), электрически изолирует активные устройства от объемной подложки. Это простое изменение устраняет многие недостатки объемного кремния, такие как высокая паразитная емкость, большие токи утечки и восприимчивость к защелкиванию. Технология SOI разрабатывалась с 1960-х годов, но только в 1990-х годах коммерческие производственные процессы созрели достаточно, чтобы сделать пластины SOI практичными для производства большого объема. Сегодня SOI является ключевым фактором для устройств, которые требуют как высокой скорости, так и низкой мощности, от мобильных процессоров до фронтендов 5G RF.

Физика, стоящая за SOI: почему она обеспечивает высокую скорость

Высокоскоростная работа в цифровых и аналоговых схемах регулируется временем, которое требуется для зарядки и разрядки емкостных нагрузок. В объемном CMOS-транзисторе исходные и дренажные области образуют соединения с подложкой, создавая значительную емкость перехода. Кроме того, область канала подвержена емкости разряда-слоя, которая изменяется с напряжением смещения. Эти паразитные емкости хранят заряд и замедляют события переключения.

В устройстве SOI закопанный оксидный слой резко уменьшает площадь соединения между источником/замедлителем и подложкой. Поскольку BOX является диэлектриком, он вносит гораздо меньшую емкость на единицу площади, чем обратно-предвзятые соединения в объемном кремнии. Это снижение паразитной емкости напрямую приводит к более быстрому переключению - для изменения состояния транзистора необходимо перемещать меньше заряда. В результате транзистор SOI может достигать той же скорости переключения, что и объемный транзистор, работая при более низком напряжении питания, или, альтернативно, может переключаться гораздо быстрее при том же напряжении.

Другим важным физическим преимуществом является уменьшение утечки канала-подложки. В наливных устройствах субпороговая утечка и туннельные токи в диапазоне полосы пропускания проходят через подложку, теряя мощность и генерируя тепло. Изолирующий слой в SOI блокирует эти пути утечки, особенно в полностью истощенных (FD-SOI) устройствах, где область канала достаточно тонкая, чтобы весь канал был истощен. Это приводит к более крутым подпороговым склонам (в идеале близко к 60 мВ / десятилетие при комнатной температуре) и более низким токам за пределами состояния, как критическим для высокоскоростной логики с низким энергопотреблением.

Основные преимущества SOI для высокоскоростных устройств

• Увеличенная скорость переключения: Уменьшенная паразитная емкость позволяет транзисторам быстрее заряжать и разряжать емкости нагрузки. В радиочастотных схемах это означает более высокие частоты отсечения (f T) и максимальные частоты колебаний (f max). Для цифровой логики это позволяет более высокие тактовые частоты и более короткие задержки распространения.
• Низкое потребление динамической мощности: Поскольку динамическая мощность пропорциональна емкости, умноженной на квадрат напряжения, уменьшение емкости непосредственно снижает мощность.Во многих конструкциях схемы SOI могут работать с той же скоростью, что и схемы сыпучих, потребляя на 30-50% меньше динамической мощности.
• Сниженная мощность утечки: Закопанный оксид и уменьшенная площадь перехода сокращают статические токи утечки на порядки. Это особенно важно для устройств с батарейным питанием, которые проводят большую часть своего времени в состоянии сна или бездействия.
• Лучшая целостность сигнала: Изолирующая подложка минимизирует емкостную связь между соседними устройствами и уменьшает впрыск шума подложки. Это является основным преимуществом в схемах смешанного сигнала и радиочастотного сигнала, где чистые сигналы имеют первостепенное значение.
• Твердость излучения: Тонкий кремниевый слой и изолирующая подложка уменьшают объем, в котором ионизирующее излучение может генерировать носители заряда. Устройства SOI по своей сути более устойчивы к одномерным расстройствам (SEU) и эффектам полной ионизирующей дозы (TID), что делает их идеальными для применения в аэрокосмической и высокоэнергетической физике.
• Иммунитет защелки: В массовых КМОП паразитные биполярные транзисторы могут вызывать состояние защелки, которое сокращает мощность до земли. Диэлектрическая изоляция SOI устраняет паразитные пути, которые вызывают защелкивание, повышая надежность и позволяя более плотную упаковку устройств.

Критические применения технологии SOI

Высокопроизводительные микропроцессоры и SoC

Некоторые из самых быстрых в мире микропроцессоров полагались на технологию SOI. Например, IBM и более поздние GlobalFoundries производили процессоры POWER серверного класса на SOI, а более ранние линии AMD Athlon 64 и Opteron использовали SOI для достижения высоких тактовых частот при управлении рассеиванием энергии. Сегодня SOI (особенно полностью истощенный FD-SOI) находится в автомобильных системах на чипах (SoC), которые требуют как высокой производительности, так и чрезвычайной надежности.

Радиочастотные (RF) и миллиметровые волновые схемы

Сочетание низкой паразитной емкости, высокой изоляции и высокой резистентности подложек делает SOI предпочтительной платформой для радиочастотных коммутаторов, усилителей с низким уровнем шума (LNA) и усилителей мощности (PA) в устройствах 5G и Wi-Fi 6/7. SOI RF коммутаторы предлагают потерю вставки ниже 0,3 дБ и изоляцию выше 40 дБ, обгоняя GaAs во многих приложениях, легко интегрируясь с цифровой логикой управления CMOS. Такие компании, как Skyworks, Qorvo и Qualcomm широко используют SOI в фронтальных модулях.

MEMS и датчики

Вафли SOI обеспечивают хорошо определенный, толстый оксид, который действует как слой трос-стоп во время изготовления микроэлектромеханических систем (MEMS). Это позволяет точно высвобождать движущиеся структуры (например, акселерометры, гироскопы, микрозеркала) без повреждения активного кремния. Изолирующий слой также снижает паразитную емкость между структурой MEMS и подложкой, улучшая чувствительность и шумопроизводительность.

ИС управления электроэнергией

Для интегрированных схем управления питанием SOI предлагает высоковольтную изоляцию между логикой управления низким напряжением и высоковольтными выходными стадиями. Тонкие пленочные SOI-устройства (например, транзисторы LDMOS на SOI) могут обрабатывать напряжения пробоя выше 100 В при сохранении низкой устойчивости. Эти устройства используются в преобразователях DC-DC, зарядных устройствах и светодиодных драйверах для мобильных и автомобильных приложений.

Оптоэлектронные устройства

SOI также является платформой для кремниевой фотоники. Закопанный оксид обеспечивает индекс-конфинмент для волноводов, модуляторов и фотоприемников, работающих на ближних инфракрасных длинах волн. Высокоскоростные оптические приемопередатчики, построенные на SOI, могут достигать скорости передачи данных 100 Гбит/с и более, что обусловлено низкопотери волноводных структур и возможностью интеграции фотонных компонентов с высокоскоростной CMOS-электроникой на том же чипе.

SOI вариации: частично истощенный vs полностью истощенный

Технология SOI не монолитна.Существуют два основных семейства, дифференцированных по толщине слоя кремниевого устройства относительно области истощения транзисторов:

Частично истощенный (PD-SOI)

В PD-SOI кремниевый слой достаточно толстый (обычно 50-100 нм), что только часть канала истощается при включении транзистора. Нейтральная область (тело) остается под каналом. Этот корпус может хранить заряд, что приводит к хорошо известному «эффекту плавающего тела» (FBE), который вызывает зависимое от истории пороговое напряжение, перегибы в кривой I-V и повышенную утечку. PD-SOI требует тщательных методов проектирования схем (например, контакты тела, усилители восприятия) для управления FBE, но он предлагает высокий ток привода и подходит для высокоскоростной цифровой логики. Многие более ранние процессоры SOI (например, IBM PowerPC) использовали PD-SOI.

Полностью истощенный (FD-SOI)

В FD-SOI кремниевый слой истончается до 5-10 нм, поэтому весь канал истощается при всех условиях эксплуатации. Эффект плавающего тела по существу устраняется, потому что нет нейтрального тела. Устройства FD-SOI предлагают почти идеальный подпороговый наклон (близкий к 60 мВ/дек), очень низкий ток и сниженную изменчивость из-за ультратонкого корпуса. Они работают при более низких напряжениях (0,6-0,9 В) и чрезвычайно энергоэффективны. Основным компромиссом является то, что FD-SOI требует дорогих ультраоднородных пластин SOI и тщательного управления процессом. Такие компании, как STMicroelectronics и Samsung, коммерциализировали FD-SOI (например, 28 нм FD-SOI) для IoT, автомобильных и радиочастотных приложений.

Производственные процессы для SOI Wafers

Три основных метода доминируют в производстве пластин SOI:

• SIMOX (Разделение посредством IMplantation of OXygen): Высокодозовые ионы кислорода имплантируются в кремниевую пластину, за которой следует высокотемпературное отжигание для образования погребенного слоя SiO2. SIMOX производит тонкие слои BOX (100-400 нм) с хорошей однородностью, но процесс медленный и дорогой. Он широко использовался в 1990-х годах, но был в значительной степени вытеснен методами связывания пластин для производства большого объема.
• Smart CutTM (Unibond): Разработанный SOITEC, Smart Cut использует водородную имплантацию и вафельную связь для переноса тонкого кремниевого слоя на ручку пластины с оксидным интерфейсом. Этот процесс может производить очень тонкие, однородные слои устройства (до нескольких нанометров) и толстые слои BOX, что делает его доминирующим методом для вафель FD-SOI. Smart Cut позволяет перерабатывать донорскую пластину, снижая стоимость.
• BESOI (Bond and Etch-Back SOI): Две кремниевые пластины соединены вместе с промежуточным оксидом. Одна пластина затем измельчается и химически вытравливается обратно, чтобы оставить тонкий слой устройства. BESOI был ранним методом, но был заменен Smart Cut для большинства применений из-за лучшего контроля толщины и меньшей плотности дефектов.

Проблемы и ограничения технологии SOI

Несмотря на свои преимущества, SOI не лишен недостатков:

• Более высокая стоимость пластин: Подложки SOI дороже, чем объемные кремниевые подложки — обычно 1,5-3× цена, в зависимости от толщины и требований к однородности. Эта стоимость оправдана в высокопроизводительных или высокорентабельных приложениях, но может быть непомерно высокой для товарных чипов.
• Эффект самонагрева: Закопанный оксид имеет более низкую теплопроводность, чем объемный кремний, поэтому тепло, генерируемое транзисторами, эффективно не рассеивается через подложку. Это может привести к более высоким локальным температурам, которые ухудшают мобильность и надежность. PD-SOI более подвержен влиянию, чем FD-SOI из-за большей площади устройства, но оба требуют термоосознанной конструкции (например, фиктивные металлические наполнители, теплораспределяющие структуры).
• Плавающие эффекты корпуса (PD-SOI): Для частично истощенных устройств плавучее тело может вызывать зависящую от истории производительность, эффекты изгиба в аналоговых схемах и повышенную утечку за пределами состояния.
• Ограниченный ток привода на единицу ширины: В FD-SOI тонкий корпус ограничивает максимальный привод тока из-за повышенного сопротивления серии и снижения подвижности носителя при очень тонких размерах. Этот компромисс может быть компенсирован использованием слоев с более высоким напряжением или альтернативных материалов канала (например, SiGe), но он добавляет сложность процесса.
• Сложность изготовления: Достижение точной толщины кремниевого слоя, необходимой для FD-SOI на пластине 300 мм, является сложной задачей. Любое неравномерное изменение напряжения может вызвать изменение порогового напряжения, снижая выход. Продвинутая метрология и управление процессом необходимы.

Будущий прогноз: SOI в эпоху 5G и IoT

Спрос на более высокие скорости передачи данных и более низкую задержку в 5G и за его пределами подталкивает радиочастоты к работе на миллиметровых частотах (24-100 ГГц). Технологии на основе SOI, особенно FD-SOI и кремниевый инсулятор с высокой резистентностью (HR-SOI), идеально подходят для этих частот, потому что они сочетают высокую линейность, низкие потери и легкую интеграцию с цифровой базовой полосой. Несколько исследовательских групп продемонстрировали LNA FD-SOI и PA, работающие выше 60 ГГц с отличной производительностью.

Для IoT и краевых вычислений FD-SOI предлагает почти идеальный баланс сверхнизкой мощности в режиме ожидания (утечка наноампера) и адекватную вычислительную производительность для синтеза датчиков и вывода ИИ. Автомобильные радары, лидары и коммуникации между транспортными средствами (V2X) также выигрывают от радиационной жесткости SOI и высокотемпературной работы - чип PD-SOI или FD-SOI может надежно работать под капотом при 150 ° C.

Новые комбинации материалов, такие как натяжной кремний-на-изолятор (sSOI) и кремний-германий-на-изолятор (SGOI), изучаются для дальнейшего повышения мобильности носителей и расширения дорожной карты масштабирования. Между тем, 3D-интеграция с использованием технологии SOI - где несколько слоев устройств сложены с использованием оксидной связи - обещает продолжить повышение плотности и производительности за пределами ограничений плоского масштабирования.

Таким образом, технология SOI остается жизненно важной платформой для высокоскоростных устройств. Ее способность отделять производительность устройства от ограничений подложки делает ее незаменимой для приложений, которые требуют самого быстрого переключения, самого низкого уровня шума и наилучшей энергоэффективности. По мере того, как производственные затраты постепенно снижаются и появляются новые усовершенствования процессов, SOI, вероятно, будет играть еще большую роль в предстоящем десятилетии, особенно на пересечении радиочастотного, цифрового и управления питанием на одном чипе.

Для дальнейшего чтения см. SOI Industry Consortium для технических документов, и этот обзор IEEE на FD-SOI для 5G. Более широкий обзор истории SOI и вариантов доступен на Wikipedia. Для глубокого погружения в производство см. SOITEC Smart Cut Technology page.