Nel processo di produzione dei chip si sente spesso il termine "SOI". E anche la produzione di chip di solito utilizza substrati SOI per produrre circuiti integrati. La struttura unica dei substrati SOI può migliorare notevolmente le prestazioni dei chip, quindi cos'è esattamente la SOI? Quali sono i suoi vantaggi? In quali campi viene utilizzato? Come viene prodotto?
Cos'è un substrato SOI?
SOI è l'abbreviazione di Silicon-On-Insulator. Significa letteralmente silicio su uno strato isolante. La struttura reale prevede che sul wafer di silicio sia presente uno strato isolante ultrasottile, come SiO2. C'è un altro sottile strato di silicio sullo strato isolante. Questa struttura separa lo strato di silicio attivo dallo strato di silicio del substrato. Nel tradizionale processo al silicio, il chip viene formato direttamente sul substrato di silicio senza utilizzare uno strato isolante.
Quali sono i vantaggi del substrato SOI?
Bassa corrente di dispersione del substrato
Grazie alla presenza di uno strato isolante di ossido di silicio (SiO2), isola efficacemente il transistor dal substrato di silicio sottostante. Questo isolamento riduce il flusso di corrente indesiderato dallo strato attivo al substrato. La corrente di dispersione aumenta con la temperatura, quindi l'affidabilità del chip può essere notevolmente migliorata in ambienti ad alta temperatura.
Ridurre la capacità parassita
Nella struttura SOI la capacità parassita è significativamente ridotta. Le capacità parassite spesso limitano la velocità e aumentano il consumo energetico, quindi aggiungono ulteriore ritardo durante la trasmissione del segnale e consumano energia extra. Riducendo queste capacità parassite, le applicazioni sono comuni nei chip ad alta velocità o a basso consumo. Rispetto ai normali chip realizzati con il processo CMOS, la velocità dei chip SOI può essere aumentata del 15% e il consumo energetico può essere ridotto del 20%.
Isolamento acustico
Nelle applicazioni a segnale misto, il rumore generato dai circuiti digitali può interferire con i circuiti analogici o RF, riducendo così le prestazioni del sistema. Poiché la struttura SOI separa lo strato di silicio attivo dal substrato, raggiunge effettivamente una sorta di isolamento acustico intrinseco. Ciò significa che è più difficile che il rumore generato dai circuiti digitali si propaghi attraverso il substrato fino ai circuiti analogici sensibili.
Come produrre il substrato SOI?
Esistono generalmente tre metodi: SIMOX, BESOI, metodo di crescita dei cristalli, ecc. A causa dello spazio limitato, qui presentiamo la più comune tecnologia SIMOX.
SIMOX, il nome completo di Separation by IMplantation of OXygen, consiste nell'utilizzare l'impianto di ioni di ossigeno e la successiva ricottura ad alta temperatura per formare uno spesso strato di biossido di silicio (SiO2) nel cristallo di silicio, che funge da strato isolante della struttura SOI.
Gli ioni di ossigeno ad alta energia vengono impiantati in una profondità specifica nel substrato di silicio. Controllando l'energia e il dosaggio degli ioni di ossigeno, è possibile determinare la profondità e lo spessore del futuro strato di biossido di silicio. Il wafer di silicio impiantato con ioni di ossigeno viene sottoposto a un processo di ricottura ad alta temperatura, solitamente tra 1100 gradi e 1300 gradi. A questa temperatura elevata, gli ioni di ossigeno impiantati reagiscono con il silicio per formare uno strato continuo di biossido di silicio. Questo strato isolante è sepolto sotto il substrato di silicio, formando una struttura SOI. Lo strato superficiale di silicio diventa lo strato funzionale per la fabbricazione del chip, mentre lo strato di biossido di silicio sottostante funge da strato isolante, isolando lo strato funzionale dal substrato di silicio.
In quali chip vengono utilizzati i substrati SOI?
Possono essere utilizzati in dispositivi CMOS, dispositivi RF e dispositivi fotonici al silicio.
Quali sono gli spessori comuni di ciascuno strato di substrati SOI?
Spessore dello strato di substrato in silicio: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ e superiore
Spessore SiO2: da 100 nm a 10μm
Strato di silicio attivo: maggiore o uguale a 20 nm
