SOI(硅技术)

SOI全称为Silicon-On-Insulator,即绝缘衬底上的硅,该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。

材料通过在绝缘体上形成半导体薄膜,SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点:可以实现集成电路中元器件的介质隔离,彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应;采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势,因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。此外,SOI材料还被用来制造MEMS光开关,如利用体微机械加工技术。

SOI是硅晶体管结构在绝缘体之上的意思,原理就是在Silicon(硅)晶体管之间,加入绝缘体物质,可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉,并减少电流漏电成为省电的IC。原本应通过交换器的电子,有些会钻入硅中造成浪费。SOI可防止电子流失。摩托罗拉宣称中央处理器可因此提升时脉20%,并减低耗电30%。除此之外,还可以减少一些有害的电气效应。还有一点,可以说是很多超频玩家所感兴趣的,那就是它的工作温度可高达300°C,减少过热的问题。

SOI全名为Silicon On Insulator,是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思,原理就是在硅晶体管之间,加入绝缘体物质,可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉,并减少电流漏电成为省电的IC,在工艺上还可以省略部分光掩模以节省成本,因此不论在工艺上或是电路上都有其优势。此外,在SOI晶圆(SOI wafer)本身衬底的阻抗值的部分也会影响到元件的表现,因此后来也有公司在衬底上进行阻抗值的调整,达到射频元件(Radio frequency component、RF component)特性的提升。原本应通过交换器的电子,有些会钻入硅中造成浪费;SOI可防止电子流失,与补强一些原本Bulk wafer中CMOS元件的缺点。摩托罗拉宣称中央处理器可因此提升时脉20%,并减低耗电30%。除此之外,还可以减少一些有害的电气效应。还有一点,可以说是很多超频玩家所感兴趣的,那就是它的工作温度可高达300°C,减少过热的问题。

SOI一开始是由美商IBM公司的芯片部门投入开发,最早用于Macintosh电脑(MAC)的PowerPC G4处理器,除了IBM外,还有Motorola、德州仪器(TI)、NEC等公司投入SOI技术的开发工作,但是Intel公司拒绝在其处理器产品中使用SOI技术,因为其认为SOI技术容易影响晶圆品质与减低晶体管交换速度,并且SOI上接合点也会减少,也就是一般工艺中“漏电”的缺点所烦恼。

SOI行业联盟是负责推广SOI技术,成员包括SOI技术的发明者IBM及一些半导体公司,例如AMD和NVIDIA,而Intel并未加入该组织。

通常根据在绝缘体上的硅膜厚度将SOI分成薄膜全耗尽FD(Fully Depleted)结构和厚膜部分耗尽PD(Partially Depleted)结构。由于SOI的介质隔离,制作在厚膜SOI结构上的器件正、背界面的耗尽层之间不互相影响,在它们中间存在一中性体区,这一中性体区的存在使得硅体处于电学浮空状态,产生了两个明显的寄生效应,一个是"翘曲效应"即Kink 效应,另一个是器件源漏之间形成的基极开路NPN寄生晶体管效应。如果将这一中性区经过一体接触接地,则厚膜器件工作特性便和体硅器件特性几乎完全相同。而基于薄膜SOI结构的器件由于硅膜的全部耗尽完全消除"翘曲效应",且这类器件具有低电场、高跨导、良好的短沟道特性和接近理想的亚阈值斜率等优点。因此薄膜全耗尽FDSOI应该是非常有前景的SOI结构。

目前比较广泛使用且比较有发展前途的SOI的材料主要有注氧隔离的SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)材料、硅片键合和反面腐蚀的BESOI(Bonding-Etchback SOI)材料和将键合与注入相结合的Smart Cut SOI材料。在这三种材料中,SIMOX适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路,BESOI材料适合于制作部分耗尽集成电路,而Smart Cut材料则是非常有发展前景的SOI材料,它很有可能成为今后SOI材料的主流。

除了特异的优点,在集成电路中使用外,还被用于微光机电MEMS系统的制造,如3D反射镜阵列开关。该反射镜是在SOI衬底的活性层中形成可动反射镜,与另一台阶状电极的衬底连接而成。由于使用单晶硅衬底,且在可动反射镜,直径500微米,的上下面上对称的以同一条件而形成反射膜等,因此,具有10纳米级的翘曲与数十纳米的表面粗糙度。

SOI 在器件性能上具有以下优点:

1) 减小了寄生电容,提高了运行速度。与体硅材料相比,SOI 器件的运行速度提高了20-35%;

2) 具有更低的功耗。由于减少了寄生电容,降低了漏电,SOI 器件功耗可减小35-70%;

3) 消除了闩锁效应;

4) 抑制了衬底的脉冲电流干扰,减少了软错误的发生;

5) 与现有硅工艺兼容,可减少 13-20%的工序。

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