Silikonon-Insulator (SOI) Teknolojisi Nedir?

Silikon-kürücü (SOI) teknolojisi, bir tabakalı yapı ile geleneksel toz substratı değiştirir: ince tek kristal silikon tabakası (seçmiş tabaka), genellikle silikon dioksit (SiO2), ki bu da bir el-sülatör ile birlikte, yüksek çözünürlükte bir parçaya sahip olan ve diğer bileşenlerin substratlarla nasıl etkileşime girdiğini değiştirir.

Bu basit değişiklik, yüksek parasitik kapasite, büyük sızıntı akımları ve 1960'lardan bu yana gelişmiş cihazlara karşılaştırıldığında, SOI'nin yüksek hacimli üretim için pratik yapması gibi, birçok yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte olduğu gibi, birçok cihazdan yararlanıyor.Bugün, SOI teknolojisi, yüksek hız ve düşük güç talep eden cihazlar için önemli bir kolaylıktır, ancak 1990'lardan 5 ön plana kadar değildi.

SOI'nin Arkasındaki Fizik: Neden Enables High Speed

Dijital ve analog devrelerde yüksek hızlı operasyon, önyargılı yüklerle değişen zaman tarafından yönetilir.Bu parasitik kapasitif yüklerde, kaynak ve drenaj bölgeleri substratlarla kavururururururlar, önemli bir kapasitans yaratır. ek olarak, kanal bölgesi önyargılı yüklerle değişir.

Bir SOI cihazında gömülü oksit tabakası, kaynak/drain ve substratlar arasındaki bağı büyük ölçüde azaltır. Çünkü BOX bir dielektriktir, bir SOI transistörünün daha düşük bir tedarik geriliminde çalışırken aynı geçiş alanına ulaşabilir.

Başka bir önemli fizik yararı kanaldaki sızıntıdır. -kırık cihazlarda, alttav sızıntı ve bant tüneli mevcutları substrat aracılığıyla akışa taşır, güç ve ısıyı üretir. - Bu sızıntı yolları bloklar, özellikle de tamamen silinmiş (FD-SOI) ve kanal bölgesinin tüm kanaldan silinen kadar düşük güç sağlar.

Yüksek Hızlı Cihazlar için SOI'nin Anahtar Avantajları

  • [FONT:0)Enhanced Switching Speed:) Karşılaştırmalı parasitik kapasitans, transistörlerin şarj ve deşarj yük kapasitesinden daha hızlı şarj etmelerine olanak sağlar. RF devrelerinde, bu daha yüksek kesme frekansları (f T) ve maksimum salınım frekansları (f max) anlamına gelir.
  • [FONT=0]Dört Dinamik Güç Tüketimi:[Dönetici:[Dönetici:0) Düşük Dinamik Güç Tüketimi:[Dönetici: 0,4] Çünkü dinamik güç, gerilim meydanı tarafından çarpılması, kapasitans gücünü doğrudan daha düşük güç azaltması için orantılıdır. Birçok tasarımda, SOI devreleri aynı hızda çalıştırılabilir.
  • [FONT:0)Redük Leakage Power:[Dönetici:[Dönetici:0)) Redüklenmiş Leakage Gücü:[Dönetici:[Dönemli oksit ve azaltılmış kavim alanı, büyük ölçüde siparişlerle statik sızıntı akımlarını kesti. Bu, özellikle de çoğu zaman uyku veya boş zamanlarını harcayan batarya destekli cihazlar için önemlidir.
  • [[Düzücü İşaretleri:[Dönetici: 0) Yüzeyin kontraksiyonel cihazlar arasında en aza indirmek ve substrat gürültü enjeksiyonunu azaltmak. Bu, karma ve RF devrelerinde önemli bir avantajdır, temiz sinyallerin parasal olduğu yerde.
  • [FONT:0]Radiation Hardness:[DÜT:1] İnce silikon tabakası ve zincirlemeli yüzeyler, şarj taşıyıcıları üretebilecek hacmi azaltır. SOI cihazları doğal olarak daha fazla tek bir şekilde üzerlerine karşı dayanıklıdır (SEUs) ve toplam iyonize edici etkiler, onları havacılık ve yüksek enerji fiziği uygulamaları için ideal hale getirir.
  • [FONT:0)Latch-Up Immunity:[Dönetici: 0] Katı CMOS'ta parasitik bipolar transistörler, zemine kısa bir süre gücü tetikleyebilir. SOI'nin dielektrik izolasyonu, cihazların güvenilirliğini ve yoğun paketlemesini sağlayan parasitik yolları ortadan kaldırır.

SOI Teknolojisinin Eleştirel Uygulamaları

YüksekPerformance Microprocessors ve SoCs

Dünyanın en hızlı mikroişlemcilerinden bazıları SOI teknolojisini kullanarak güvenilirdi. Örneğin, IBM ve daha sonra GlobalFoundries, ISO-class POWER işlemcileri SOI'de ve AMD'nin Athlon 64 ve Opteron hatlarının her iki yüksek performans ve aşırı güvenilirlik talep ediyor. Bugün, SOI (özellikle de tamamen silinmiş FD-SOI) otomotiv sistemi-kletleri (SoCs) otomotiv sistemi-küreçmiş durumda.

RadyoFrequency (RF) ve Millimeter-Wave Devreleri

Düşük parasitik kapasitenin birleşimi, yüksek izolasyon ve yüksek hacimli yüzeyler, RF anahtarlar için tercih edilen platformu, düşük yükselteçli yükselteçler (LNAs), ve güç yükselteçleri (PAs) 5G ve Wi-Fi 6/7 cihazları gibi. SOI RF anahtarları, 40 dB'nin üzerinde eklenme kaybı sunar ve GaAs in birçok uygulamada CMOS dijital kontrol mantığıyla entegre edilir.

MEMS ve Sensörler

SOI wafers, aktif silikonun üretimi sırasında bir vızıltı tabakası olarak çalışan iyi tanımlanmış, kalın gömülü oksit sağlar.Bu, MEMS yapısı ve substratlar arasındaki parasitik kapasitansları da azaltır ve hassas gürültü performanslarını geliştirir.

Güç Yönetimi ICs

Entegre güç yönetimi devreleri için, SOI düşük gerilim kontrol mantığı ve yüksek gerilimli çıkış aşamalar arasında yüksek gerilim izolasyonu sunar. İnce film SOI cihazları (örneğin, LDMOS transistance üzerinde 100 V üzerinde baskılar yapabilir) düşük ücretli gerilimleri tutabilir.

Optoelektronik Cihazları

SOI ayrıca silikon fotonikler için bir platformdur. gömülü oksit, düşük çözünürlükli dalga kılavuzları için indeksleme sağlar ve fotodetektörler aynı zamanda yüksek hızlı optik transceivers üzerinde çalışır.

SOI Variants: Kısmen Depleted vs. Tam Depleted

SOI teknolojisi monolithic değildir. İki büyük aile var, transistörlerin depletion bölgesine göre silikon cihazın tabakasının kalınlığıyla ayırt edilmiştir:

Kısmen Depleted (PD-SOI)

PDSOI'de, silikon tabakası yeterince kalın (tipik olarak 50-100 nm) bu kanalda sadece kanalın bir kısmı, transistörün ortaya çıktığı zaman silinir.A neutral region (s) kanal tasarımı tekniklerinin altında kalır.Bu vücut kontaktları, iyi bilinen “flon etkisi” (FBE) FBE'yi yönetmek için, ancak yüksek çözünürlükte bulunan ve çok sayıda dijital PDSOI için kullanılabilir.

Tam Depleted (FD-SOI)

FDSOI'de, silikon tabakası 5-10 nm'ye kadar incelendi, bu yüzden tüm kanal tüm işletim koşullarında tükendi.Gruplu vücut etkisi aslında ortadan kaldırıldı çünkü nötr bir vücut yoktur. FD-SOI cihazları yakın bir şekilde çalışır (60 mV/dec'ye kadar), ultra-SOLU'nun aşırı derecede düşük maliyetli olması ve daha düşük maliyetli hale getirilmesi gerekir.

SOI Wafers için üretim süreçleri

Üç birincil yöntem SOI wafers üretimini ele alır:

  • [FONT:0) MATLAB (OXygen'in IMplantısı ile Ayrılma): ), Yüksek doz oksijen iyonları 1990'larda yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak yüksek hacimli bir SiO2 tabakası oluşturmak için yüksek sıcaklık ekileri tarafından enjekte edildi. SIMOX iyi üniforma ile ince BOX katmanları (100-400 nm) üretir, ancak süreç 1990'larda yaygın olarak kullanılmaktadır.
  • [FONT:0)Smart CutTM (Unibond): ), SOITEC tarafından geliştirilen, Smart Cut, ince bir silikon tabakasını bir hidroksitle bir bölmeye transfer etmek için ince, üniformalı cihaz tabakaları ( birkaç nanometreye kadar) ve FDSOIfer için baskın yöntemi kullanarak, maliyetin geri dönüşümüne izin verir.
  • [FONT:0]BESOI (Bond ve Etch-Back SOI): [Dönetici: 1) İki silikon wafers, daha iyi bir kalınlık kontrolü ve daha düşük defekt yoğunluğu nedeniyle bir araya getirilir. One wafer daha sonra zemin ve kimyasal olarak ince bir cihaz katmanı bırakmak için geri döner. BESOI erken bir yöntemdi, ancak daha iyi kalınlık kontrolü ve daha düşük hata yoğunluğu nedeniyle çoğu uygulama için Smart Cut tarafından değiştirildi.

SOI Teknolojisinin Zorlukları ve Sınırları

Yararlarına rağmen, SOI dezavantajları olmadan değildir:

  • [FONT:0) Yüksek Wafer Maliyeti: [Döntgen: 1) SOI wafers, genellikle 1.5-3× fiyat, yüksek performanslı veya yüksek ücretli uygulamalarda haklıdır, ancak empoze edilen ürünler için yasaklanabilir.
  • [FONT:0)Kendi kendine Etkisi: [DDD-SOI] gömülü oksitin daha büyük cihaz alanı nedeniyle daha düşük ısı iletkenliği vardır, ancak her ikisi de termal algılama tasarımı gerektirir (örneğin, altüst, yüksek yerel sıcaklıklara yol açabilir.)
  • [FONT:0)Floating Body Effects (PD-SOI):[Dönlenmiş cihazlar için, yüzen vücut, analog devrelerdeki tarihe bağlı performansa neden olabilir ve devlet sızıntılarına veya özel devre topolojileri çalıştırmalıdır.
  • [FONT:0]Limited Drive Current per Unit Genişlik:) FD-SOI'de, ince vücut, yüksek çözünürlükte maksimum mevcut sürücüyü kısıtlar ve taşıyıcı hareketliliği çok ince boyutlarda azaltılabilir.Bu ticaret, yüksek hacimli katmanlar veya alternatif kanal malzemeleri kullanarak telafi edilebilir (örneğin, SiGe) ancak süreç karmaşıklığına sahiptir.
  • [FONT:0)Manufacturing Kompleksi: FD-SOI için 300 mm wafer için gerekli olan kesin silikon tabaka kalınlığının zor olması gerekir. Herhangi bir non-uniformity, eşküresel dönüşüme neden olabilir, verimin azaltılması. Gelişmiş metroloji ve süreç kontrolü önemlidir.

Future Outlook: 5G ve IoT Çağında SOI

5G'de daha yüksek veri oranları ve daha düşük gecikme talebi RF ön uçları milimetre frekanslarında (100 GHz) çalıştırmaya itiyor. SOI-based teknolojiler, özellikle FD-SOI ve yüksek hacimli silikon-on-insulator (HR-SOI), bu frekanslar için idealdir, çünkü yüksek doğrusallığı, düşük kaybı ve dijital bazband ile kolay entegrasyon göstermiştir.

IoT ve kenar hesaplaması için FD-SOI, ultra sağ soluklu güç (nanoamp-range sızıntı) ve sensör füzyon ve AI inference için yeterli bir hesaplama performansı sunar. Otomotiv radarı, kapaklı ve araç-to-her şey SOI'nin radyasyon sertliği ve yüksek sıcaklık operasyonundan da faydalanır - bir PDSOI veya FD-SOI veya FD-SOI, 150 °C'de hood altında güvenilir bir şekilde çalışabilir.

Yeni malzeme kombinasyonları, taşıyıcı hareketliliğini artırmak ve SOI teknolojisini kullanarak 3D entegrasyonunu genişletmek için araştırılıyor - birden fazla cihaz tabakalarının oksit-bonding kullanarak yığıldığı - planlayıcının (SGOI) sınırlarının ötesinde yoğunluk ve performansa devam etmesini vaat ediyor.

Özetle, SOI teknolojisi yüksek hızlı cihazlar için hayati bir platform olmaya devam ediyor. substrat kısıtlamalarından cihaz performansını ayrıştırmak, en hızlı geçiş gerektiren uygulamalar için vazgeçilmez hale getiriyor, en düşük gürültü ve en iyi güç verimliliği. Üretim maliyetleri yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Daha fazla okuma için, TAN-SOI tarihindeki A Genel Bakış ve varyantlar ([Dönetici: 1 ) Teknik beyaz kağıtlar için ve [[Dönetici:2) Bu IEEE inceleme) için FD-SOI tarihindeki Akıllı Cut teknolojisi sayfası[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.