بستر SOI چیست؟

در فرآیند تولید تراشه، اصطلاح "SOI" اغلب شنیده می شود. و در تولید تراشه نیز معمولاً از بسترهای SOI برای تولید مدارهای مجتمع استفاده می شود. ساختار منحصر به فرد بسترهای SOI می تواند عملکرد تراشه ها را تا حد زیادی بهبود بخشد، بنابراین SOI دقیقا چیست؟ مزایای آن چیست؟ در چه زمینه هایی استفاده می شود؟ چگونه تولید می شود؟

بستر SOI چیست؟

SOI مخفف عبارت Silicon-On-Insulator است. این در لغت به معنای سیلیکون روی یک لایه عایق است. ساختار واقعی این است که یک لایه عایق بسیار نازک مانند SiO2 روی ویفر سیلیکونی وجود دارد. یک لایه سیلیکونی نازک دیگر روی لایه عایق وجود دارد. این ساختار لایه سیلیکونی فعال را از لایه سیلیکونی زیرلایه جدا می کند. در فرآیند سنتی سیلیکون، تراشه مستقیماً روی بستر سیلیکونی بدون استفاده از لایه عایق تشکیل می‌شود.

مزایای زیرلایه SOI چیست؟

جریان نشتی کم بستر
به دلیل وجود یک لایه عایق از اکسید سیلیکون (SiO2)، ترانزیستور را به طور موثری از بستر سیلیکونی زیرین جدا می کند. این جداسازی جریان نامطلوب را از لایه فعال به زیرلایه کاهش می دهد. جریان نشتی با دما افزایش می یابد، بنابراین قابلیت اطمینان تراشه را می توان در محیط های با دمای بالا به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

کاهش ظرفیت انگلی
در ساختار SOI، ظرفیت انگلی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. خازن های انگلی اغلب سرعت را محدود می کنند و مصرف برق را افزایش می دهند، بنابراین تاخیر بیشتری در انتقال سیگنال اضافه می کنند و انرژی اضافی مصرف می کنند. با کاهش این ظرفیت های انگلی، کاربردها در تراشه های پرسرعت یا کم مصرف رایج است. در مقایسه با تراشه های معمولی ساخته شده در فرآیند CMOS، سرعت تراشه های SOI را می توان 15٪ افزایش داد و مصرف انرژی را می توان تا 20٪ کاهش داد.

جداسازی نویز
در کاربردهای سیگنال مختلط، نویز تولید شده توسط مدارهای دیجیتال ممکن است با مدارهای آنالوگ یا RF تداخل داشته باشد و در نتیجه عملکرد سیستم را کاهش دهد. از آنجایی که ساختار SOI لایه سیلیکون فعال را از بستر جدا می‌کند، در واقع نوعی عایق‌سازی ذاتی نویز را به دست می‌آورد. این بدان معنی است که انتشار نویزهای تولید شده توسط مدارهای دیجیتال از طریق بستر به مدارهای آنالوگ حساس دشوارتر است.

چگونه بستر SOI را تولید کنیم؟

به طور کلی سه روش وجود دارد: SIMOX، BESOI، روش رشد کریستال و غیره. با توجه به فضای محدود، در اینجا تکنولوژی رایج SIMOX را معرفی می کنیم.
SIMOX، نام کامل جداسازی با کاشت اکسیژن، استفاده از کاشت یون اکسیژن و متعاقبا آنیل کردن در دمای بالا برای تشکیل یک لایه ضخیم دی اکسید سیلیکون (SiO2) در کریستال سیلیکون است که به عنوان لایه عایق ساختار SOI عمل می کند.

یون های پرانرژی اکسیژن در عمق خاصی در بستر سیلیکونی کاشته می شوند. با کنترل انرژی و دوز یون های اکسیژن، می توان عمق و ضخامت لایه دی اکسید سیلیکون آینده را تعیین کرد. ویفر سیلیکونی کاشته شده با یون های اکسیژن تحت یک فرآیند بازپخت در دمای بالا قرار می گیرد که معمولاً بین 1100 درجه تا 1300 درجه است. در این دمای بالا، یون های اکسیژن کاشته شده با سیلیکون واکنش داده و یک لایه دی اکسید سیلیکون پیوسته تشکیل می دهند. این لایه عایق در زیر لایه سیلیکونی مدفون شده و ساختار SOI را تشکیل می دهد. لایه سیلیکونی سطحی به لایه کاربردی برای ساخت تراشه تبدیل می شود، در حالی که لایه دی اکسید سیلیکون زیر به عنوان یک لایه عایق عمل می کند و لایه عملکردی را از بستر سیلیکونی جدا می کند.

بسترهای SOI در کدام تراشه ها استفاده می شود؟

آنها را می توان در دستگاه های CMOS، دستگاه های RF و دستگاه های فوتونیک سیلیکونی استفاده کرد.

ضخامت های رایج هر لایه از بسترهای SOI چقدر است؟

ضخامت لایه بستر سیلیکونی: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ و بالاتر
ضخامت SiO2: 100 نانومتر تا 10 میکرومتر
لایه سیلیکونی فعال: بزرگتر یا مساوی 20 نانومتر