stringtranslate.com

Кремний на изоляторе

В производстве полупроводников технология кремний на изоляторе ( SOI ) представляет собой изготовление кремниевых полупроводниковых приборов в слоистой кремниевой подложке -изоляторе-кремнии для уменьшения паразитной емкости внутри прибора, тем самым повышая производительность. [1] Устройства на основе SOI отличаются от обычных кремниевых приборов тем, что кремниевый переход находится над электрическим изолятором , как правило, диоксидом кремния или сапфиром (эти типы приборов называются кремний на сапфире , или SOS). Выбор изолятора во многом зависит от предполагаемого применения, при этом сапфир используется для высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) и радиационно-чувствительных приложений, а диоксид кремния — для уменьшения эффектов короткого канала в других микроэлектронных устройствах. [2] Изолирующий слой и верхний кремниевый слой также сильно различаются в зависимости от применения. [3]

Потребность промышленности

Технология SOI является одной из нескольких производственных стратегий, позволяющих продолжать миниатюризацию микроэлектронных устройств, в разговорной речи называемую «расширением закона Мура » (или «Больше Мура», сокращенно «ММ»). Сообщаемые преимущества SOI по сравнению с обычной кремниевой ( объемной КМОП ) обработкой включают: [4]

С точки зрения производства, подложки SOI совместимы с большинством традиционных производственных процессов. В целом, процесс на основе SOI может быть реализован без специального оборудования или существенного переоснащения существующего завода. Среди проблем, уникальных для SOI, — новые метрологические требования для учета скрытого оксидного слоя и опасения по поводу дифференциального напряжения в самом верхнем слое кремния. Пороговое напряжение транзистора зависит от истории эксплуатации и приложенного к нему напряжения, что затрудняет моделирование. Основным препятствием для внедрения SOI является резкое увеличение стоимости подложки, что, по оценкам, увеличивает общие производственные затраты на 10–15%. [6] [ необходимы дополнительные ссылки ] FD-SOI (полностью обедненный кремний на изоляторе) рассматривается как потенциальная недорогая альтернатива FinFET. [7]

КНИ-транзисторы

SOI MOSFET — это полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), в котором слой полупроводника , такой как кремний или германий, сформирован на слое диэлектрика, который может быть слоем скрытого оксида (BOX), сформированным в полупроводниковой подложке. [8] [9] [10] Устройства SOI MOSFET адаптированы для использования в компьютерной промышленности. [ требуется ссылка ] Слой скрытого оксида может использоваться в конструкциях SRAM . [11] Существует два типа устройств SOI: MOSFET PDSOI (частично обедненный SOI) и FDSOI (полностью обедненный SOI). Для MOSFET PDSOI n-типа зажатая пленка n-типа между оксидом затвора (GOX) и скрытым оксидом (BOX) велика, поэтому область обеднения не может покрыть всю n-область. Поэтому в некоторой степени PDSOI ведет себя как объемный MOSFET . Очевидно, что есть некоторые преимущества по сравнению с объемными MOSFET. Пленка в устройствах FDSOI очень тонкая, так что область обеднения покрывает всю область канала. В FDSOI передний затвор (GOX) поддерживает меньше зарядов обеднения, чем основная часть, поэтому происходит увеличение зарядов инверсии, что приводит к более высоким скоростям переключения. Ограничение заряда обеднения BOX вызывает подавление емкости обеднения и, следовательно, существенное уменьшение подпорогового размаха, что позволяет FD SOI MOSFET работать при более низком смещении затвора, что приводит к более низкой мощности работы. Подпороговый размах может достигать минимального теоретического значения для MOSFET при 300 К, что составляет 60 мВ/декада. Это идеальное значение было впервые продемонстрировано с помощью численного моделирования. [12] [13] Другие недостатки в объемных MOSFET, такие как спад порогового напряжения и т. д., уменьшаются в FDSOI, поскольку электрические поля источника и стока не могут мешать из-за BOX. Основная проблема в PDSOI — это « эффект плавающего тела (FBE)», поскольку пленка не подключена ни к одному из источников питания. [ необходима цитата ]

Производство пластин SOI

Процесс SIMOX
Процесс Smart Cut

SiO
2Пластины на основе КНИ могут быть изготовлены несколькими способами:

Подробный обзор этих различных производственных процессов можно найти в ссылке [1].

Использование в микроэлектронной промышленности

IBM начала использовать SOI в высокопроизводительном микропроцессоре RS64-IV "Istar" PowerPC-AS в 2000 году. Другие примеры микропроцессоров, построенных на технологии SOI, включают одно-, двух-, четырех-, шести- и восьмиядерные процессоры AMD 130 нм, 90 нм, 65 нм, 45 нм и 32 нм с 2001 года. [ 21] Freescale приняла SOI в своем процессоре PowerPC 7455 в конце 2001 года, в настоящее время [ когда? ] Freescale поставляет продукцию SOI в линейках 180 нм, 130 нм, 90 нм и 45 нм. [22] Процессоры на базе 90 нм PowerPC и Power ISA, используемые в Xbox 360 , PlayStation 3 и Wii, также используют технологию SOI. Однако конкурирующие предложения от Intel продолжают [ когда? ] использовать традиционную технологию объемного КМОП для каждого узла процесса, вместо этого сосредоточившись на других площадках, таких как HKMG и транзисторы tri-gate, чтобы улучшить производительность транзисторов. В январе 2005 года исследователи Intel сообщили об экспериментальном однокристальном кремниевом реберном волноводе Рамановского лазера, построенном с использованием SOI. [23]

Что касается традиционных литейных заводов, то в июле 2006 года TSMC заявила, что ни один заказчик не хочет использовать SOI, [24] но Chartered Semiconductor выделила целую фабрику для SOI. [25]

Использование в высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) приложениях

В 1990 году Peregrine Semiconductor начала разработку технологии SOI, использующей стандартный 0,5 мкм узел CMOS и усовершенствованную сапфировую подложку. Ее запатентованный процесс кремния на сапфире (SOS) широко используется в высокопроизводительных радиочастотных приложениях. Внутренние преимущества изолирующей сапфировой подложки обеспечивают высокую изоляцию, высокую линейность и устойчивость к электростатическому разряду (ESD). Несколько других компаний также применили технологию SOI для успешных радиочастотных приложений в смартфонах и сотовых радиостанциях. [26] [ необходимы дополнительные ссылки ]

Использование в фотонике

Пластины SOI широко используются в кремниевой фотонике . [27] Кристаллический кремниевый слой на изоляторе может быть использован для изготовления оптических волноводов и других оптических устройств, как пассивных, так и активных (например, посредством подходящих имплантаций). Заглубленный изолятор обеспечивает распространение инфракрасного света в слое кремния на основе полного внутреннего отражения. Верхняя поверхность волноводов может быть либо оставлена ​​открытой и открытой для воздуха (например, для сенсорных приложений), либо покрыта оболочкой, обычно сделанной из кремния [28]

Недостатки

Основным недостатком технологии SOI по сравнению с традиционной полупроводниковой промышленностью является повышенная стоимость производства. [29] По состоянию на 2012 год только IBM и AMD использовали SOI в качестве основы для высокопроизводительных процессоров, а другие производители (Intel, TSMC, Global Foundries и т. д.) использовали обычные кремниевые пластины для создания своих КМОП- чипов. [29]

рынок SOI

По прогнозам Market Research Future Group, к 2020 году рынок, использующий процесс SOI, вырастет примерно на 15% в течение следующих 5 лет. [30]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Celler, GK; Cristoloveanu, S. (2003). "Frontiers of silicon-on-insulator". Journal of Applied Physics . 93 (9): 4955. Bibcode : 2003JAP....93.4955C. doi : 10.1063/1.1558223.
  2. ^ Маршалл, Эндрю; Натараджан, Сридхар (2002). SOI-проектирование: аналоговые, запоминающие и цифровые методы . Kluwer. ISBN 0-7923-7640-4.
  3. ^ Колинж, Жан-Пьер (1991). Технология «Кремний-на-изоляторе»: Материалы для СБИС . Springer. ISBN 978-0-7923-9150-0.
  4. ^ Мендес, Орасио (апрель 2009 г.). «Кремний-на-изоляторе — технология и экосистема SOI — Новые приложения SOI» (PDF) . Консорциум промышленности SOI.
  5. ^ Кодети, Нараян М. (октябрь 2010 г.). "Реализация кремния на изоляторе (SOI)" (PDF) . Белая книга . Infotech. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-04-18.
  6. ^ "IBM рекламирует технологию производства чипов". cnet.com . 29 марта 2001 г. Получено 22 апреля 2018 г.
  7. ^ "Samsung, GF Ramp FD-SOI". 27 апреля 2018 г.
  8. ^ US 6835633, «КНИ-пластины с 30-100-угольным скрытым оксидным слоем, созданным путем соединения пластин с использованием тонкого оксида толщиной 30-100 ангстрем в качестве связующего слоя» 
  9. ^ US 7002214, «Устройства FET с ультратонким корпусом и сверхкрутым ретроградным колодцем (SSRW)» 
  10. ^ Yang-Kyu Choi; Asano, K.; Lindert, N.; Subramanian, V.; Tsu-Jae King; Bokor, J.; Chenming Hu (май 2000 г.). «Ультратонкий SOI MOSFET для эры глубоких субмикронных транзисторов» (PDF) . IEEE Electron Device Letters . 21 (5): 254–5. doi :10.1109/IEDM.1999.824298. S2CID  43561939.
  11. ^ US 7138685, «Вертикальная ячейка SRAM MOSFET» описывает структуры SOI с утопленным оксидом (BOX) и методы реализации усовершенствованных структур SOI BOX. 
  12. ^ Балестра, Ф. (1985). Характеристика и моделирование КНИ МОП-транзисторов с обратным управлением потенциалом (PhD). INP-Гренобль.
  13. ^ Балестра, Ф. (2016). «1.5 Проблемы эксплуатации сверхмаломощных полупроводниковых приборов». В Lury, S.; Xu, J.; Zaslavsky, A. (ред.). Будущие тенденции в микроэлектронике — путешествие в неизвестность . Wiley. стр. 69–81. doi :10.1002/9781119069225.ch1-5. ISBN 978-1-119-06922-5.
  14. ^ US 5888297, Ацуши Огура, «Способ изготовления подложки SOI», выдан 30.03.1999 
  15. ^ US 5061642, Хироши Фудзиока, «Способ изготовления полупроводника на изоляторе», выдан 29 октября 1991 г. 
  16. ^ Тонг, К.-Й.; Гёзеле, У. (1998). Склеивание полупроводниковых пластин: наука и технология . Wiley. ISBN 978-0-471-57481-1.
  17. ^ US 4771016, Bajor, George & et al., «Использование быстрого термического процесса для производства полупроводника SOI с покрытием из пластин», выдан 1988-09-13 
  18. ^ "SIGEN.COM". www.sigen.com . Получено 22 апреля 2018 г. .
  19. ^ Ёнехара, Т.; Сакагучи, К. «Новая технология пластин SOI ELTRAN®» (PDF) . Cutting Edge 2. Canon.
  20. ^ США 5417180 
  21. ^ Врис, Ханс де. «Архитектор чипов: 130-нм процессы Intel и Motorola/AMD будут раскрыты». chip-architect.com . Получено 22 апреля 2018 г.
  22. ^ "NXP Semiconductors - Automotive, Security, IoT". www.freescale.com . Получено 22 апреля 2018 г. .
  23. ^ Ронг, Хайшэн; Лю, Аньшэн; Джонс, Ричард; Коэн, Одед; Хак, Дани; Николаеску, Ремус; Фанг, Александр; Паничча, Марио (январь 2005 г.). "Полностью кремниевый рамановский лазер" (PDF) . Nature . 433 (7042): 292–4. doi :10.1038/nature03723. PMID  15931210. S2CID  4423069.
  24. ^ "TSMC не имеет спроса со стороны клиентов на технологию SOI". Fabtech: онлайн-источник информации для специалистов по полупроводникам. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г. Получено 22 апреля 2018 г.
  25. ^ Chartered расширяет доступ на рынок литейного производства для технологии IBM SOI 90 нм
  26. ^ Мэдден, Джо. "Handset RFFEs: MMPAs, Envelope Tracking, Antenna Tuning, FEMs, and MIMO" (PDF) . Mobile Experts. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Получено 2 мая 2012 г.
  27. ^ Рид, Грэм Т.; Найтс, Эндрю П. (5 марта 2004 г.). Кремниевая фотоника: Введение. Wiley. ISBN 978-0-470-87034-1. Получено 22 апреля 2018 г. – через Google Books.
  28. ^ Ригни, Арно. «Кремний-на-изоляторе подложки: основа кремниевой фотоники». Photonics.com . Получено 7 мая 2023 г. .
  29. ^ ab McLellan, Paul. "Кремний на изоляторе (SOI)". Semiwiki . Получено 2021-03-07 .
  30. ^ Future, Market Research (2021-02-17). «Ожидается, что рынок кремния на изоляторе (SoI) превысит 2,40 млрд долларов США к 2026 году | Регион Азиатско-Тихоокеанского региона останется лидером в мировой индустрии кремния на изоляторе». GlobeNewswire News Room (пресс-релиз) . Получено 2021-03-07 .

Внешние ссылки