No processo de fabricação de chips, o termo "SOI" é frequentemente ouvido. E a fabricação de chips também costuma usar substratos SOI para fabricar circuitos integrados. A estrutura única dos substratos SOI pode melhorar muito o desempenho dos chips, então o que exatamente é SOI? Quais são suas vantagens? Em que campos é usado? Como é fabricado?
O que é um substrato SOI?
SOI é a abreviatura de Silicon-On-Insulator. Literalmente significa silício em uma camada isolante. A estrutura real é que existe uma camada isolante ultrafina, como SiO2, na pastilha de silício. Há outra fina camada de silício na camada isolante. Esta estrutura separa a camada de silício ativa da camada de silício do substrato. No processo tradicional de silício, o chip é formado diretamente no substrato de silício, sem o uso de camada isolante.
Quais são as vantagens do substrato SOI?
Baixa corrente de fuga do substrato
Devido à presença de uma camada isolante de óxido de silício (SiO2), ela isola efetivamente o transistor do substrato de silício subjacente. Este isolamento reduz o fluxo de corrente indesejado da camada ativa para o substrato. A corrente de fuga aumenta com a temperatura, portanto a confiabilidade do chip pode ser significativamente melhorada em ambientes de alta temperatura.
Reduza a capacitância parasita
Na estrutura SOI, a capacitância parasita é significativamente reduzida. As capacitâncias parasitas geralmente limitam a velocidade e aumentam o consumo de energia, adicionando atraso extra durante a transmissão do sinal e consumindo energia extra. Ao reduzir essas capacitâncias parasitas, as aplicações são comuns em chips de alta velocidade ou baixa potência. Comparado com chips comuns feitos no processo CMOS, a velocidade dos chips SOI pode ser aumentada em 15% e o consumo de energia pode ser reduzido em 20%.
Isolamento de ruído
Em aplicações de sinais mistos, o ruído gerado pelos circuitos digitais pode interferir nos circuitos analógicos ou de RF, degradando assim o desempenho do sistema. Como a estrutura SOI separa a camada ativa de silício do substrato, ela consegue, na verdade, um tipo de isolamento de ruído inerente. Isso significa que é mais difícil que o ruído gerado pelos circuitos digitais se propague através do substrato até os circuitos analógicos sensíveis.
Como fabricar substrato SOI?
Geralmente existem três métodos: SIMOX, BESOI, método de crescimento de cristal, etc. Devido ao espaço limitado, apresentamos aqui a tecnologia SIMOX mais comum.
SIMOX, o nome completo de Separação por IMplantação de OXígeno, consiste em usar implantação de íons de oxigênio e subsequente recozimento em alta temperatura para formar uma camada espessa de dióxido de silício (SiO2) no cristal de silício, que serve como camada isolante da estrutura SOI.
Íons de oxigênio de alta energia são implantados em uma profundidade específica no substrato de silício. Ao controlar a energia e a dosagem dos íons de oxigênio, a profundidade e a espessura da futura camada de dióxido de silício podem ser determinadas. O wafer de silício implantado com íons de oxigênio passa por um processo de recozimento em alta temperatura, geralmente entre 1100 graus e 1300 graus. A esta alta temperatura, os íons de oxigênio implantados reagem com o silício para formar uma camada contínua de dióxido de silício. Esta camada isolante fica enterrada sob o substrato de silício, formando uma estrutura SOI. A camada superficial de silício torna-se a camada funcional para a fabricação do chip, enquanto a camada de dióxido de silício abaixo atua como uma camada isolante, isolando a camada funcional do substrato de silício.
Em quais chips os substratos SOI são usados?
Eles podem ser usados em dispositivos CMOS, dispositivos RF e dispositivos fotônicos de silício.
Quais são as espessuras comuns de cada camada de substratos SOI?
Espessura da camada de substrato de silício: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ e acima
Espessura de SiO2: 100 nm a 10μm
Camada de silício ativa: Maior ou igual a 20nm
