Войти
В производстве полупроводников, кремний на изоляторе (SOI ) технология изготовления кремния полупроводниковых устройств на слоистой кремний – диэлектрик – кремний подложка для уменьшения паразитной емкости внутри устройства., тем самым улучшая производительность. Устройства на основе SOI отличаются от обычных устройств на основе кремния тем, что кремниевый переход находится над электрическим изолятором, обычно диоксидом кремния или сапфиром (эти типы устройств называются кремнием на сапфире, или SOS). Выбор изолятора во многом зависит от предполагаемого применения: сапфир используется для высокопроизводительных радиочастотных (RF) и чувствительных к излучению приложений, а диоксид кремния - для уменьшения короткоканальных эффектов в других устройствах микроэлектроники. Изоляционный слой и верхний слой кремния также сильно различаются в зависимости от области применения.
Технология SOI является одной из нескольких производственных стратегий, позволяющих продолжить миниатюризацию микроэлектронных устройств, в просторечии называемой «расширением закона Мура » (или «More Moore», сокращенно » ММ "). Заявленные преимущества SOI по сравнению с традиционной обработкой кремния (массив CMOS ) включают:
С производственной точки зрения подложки SOI совместимы с большинством традиционных производственных процессов. В общем, процесс на основе SOI может быть реализован без специального оборудования или значительного переоснащения существующего завода. Среди проблем, уникальных для SOI, - новые требования метрологии для учета скрытого оксидного слоя и опасения по поводу дифференциального напряжения в самом верхнем слое кремния. Пороговое напряжение транзистора зависит от истории работы и приложенного к нему напряжения, что затрудняет моделирование. Основным препятствием для внедрения КНИ является резкое увеличение стоимости подложки, что, по оценкам, приводит к увеличению общих производственных затрат на 10–15%.
МОП-транзистор КНИ - это Полевой транзистор (MOSFET) металл-оксид-полупроводник (MOSFET) устройство, в котором слой полупроводника, например кремний или германий, сформирован на слое изолятора, который может быть скрытым оксидом (BOX) слой, сформированный в полупроводниковой подложке. Устройства SOI MOSFET адаптированы для использования в компьютерной индустрии. Скрытый оксидный слой может использоваться в конструкциях SRAM. Существует два типа устройств SOI: МОП-транзисторы PDSOI (частично истощенная SOI) и FDSOI (полностью истощенная SOI). Для полевого МОП-транзистора PDSOI n-типа прослоенная пленка p-типа между оксидом затвора (GOX) и скрытым оксидом (BOX) велика, поэтому область обеднения не может покрыть всю p-область. Так что в некоторой степени PDSOI ведет себя как массивный полевой МОП-транзистор. Очевидно, есть некоторые преимущества перед массивными полевыми МОП-транзисторами. Пленка в устройствах FDSOI очень тонкая, поэтому область обеднения покрывает всю пленку. В FDSOI передний затвор (GOX) поддерживает меньше зарядов истощения, чем основная масса, поэтому происходит увеличение инверсионных зарядов, что приводит к более высоким скоростям переключения. Ограничение заряда истощения посредством BOX вызывает подавление истощающей емкости и, следовательно, существенное уменьшение допорогового размаха, позволяя полевым МОП-транзисторам FD SOI работать при более низком смещении затвора, что приводит к работе с меньшей мощностью. Допороговое колебание может достигать минимального теоретического значения для полевого МОП-транзистора при 300K, что составляет 60 мВ / декаду. Это идеальное значение было впервые продемонстрировано с помощью численного моделирования. Другие недостатки полевых МОП-транзисторов, такие как спад порогового напряжения и т. Д., Уменьшены в FDSOI, поскольку электрические поля истока и стока не могут мешать из-за BOX. Основная проблема в PDSOI - «эффект плавающего тела (FBE)», поскольку пленка не подключена ни к одному из источников питания.
Процесс SIMOX 
Процесс Smart Cut SOI-пластины на основе SiO 2 могут быть изготовлены несколькими способами:
Можно провести исчерпывающий обзор этих различных производственных процессов. найдено в справочнике
Концепция кремния на изоляторе восходит к 1964 году, когда она была предложена К.В. Миллером и PH Робинсон. В 1979 году исследовательская группа Texas Instruments, в которую входил A.F. Tasch, T.C. Холлоуэй и Кай Фонг Ли изготовили кремний-на-изоляторе MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). В 1983 году исследовательская группа Fujitsu под руководством С. Кавамура изготовила трехмерную интегральную схему со структурой SOI CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник). В 1984 году та же исследовательская группа Fujitsu изготовила трехмерную вентильную матрицу с вертикально расположенной двойной структурой SOI / CMOS, используя рекристаллизацию луча. В том же году исследователи Электротехнической лаборатории Тошихиро Секигава и Ютака Хаяси изготовили полевой МОП-транзистор с двойным затвором, продемонстрировав, что эффекты короткого канала можно значительно уменьшить, вставив между ними полностью истощенное устройство SOI между двумя электродами затвора, соединенными вместе. В 1986 году Жан-Пьер Колиндж из HP Labs изготовил устройства SOI NMOS, используя 90 нм тонкие кремниевые пленки.
В 1989 г. Гавам Г. Шахиди инициировал программу исследований SOI в Исследовательском центре IBM Thomas J Watson. Он был главным архитектором технологии SOI в IBM Microelectronics, где он внес фундаментальный вклад, от исследования материалов до разработки первых коммерчески жизнеспособных устройств, при поддержке своего начальника Биджан Давари. Шахиди был ключевой фигурой в превращении технологии SOI CMOS в производственную реальность. В начале 1990-х он продемонстрировал новую технику сочетания кремниевого эпитаксиального разрастания и химико-механической полировки для подготовки материала SOI аппаратного качества для изготовления устройств и простых схем, что привело к расширению IBM его исследовательская программа включает субстраты SOI. Он также был первым, кто продемонстрировал преимущество технологии SOI CMOS в задержке мощности над традиционной массивной CMOS в приложениях микропроцессоров. Он преодолел барьеры, мешающие полупроводниковой промышленности принять SOI, и сыграл важную роль в доведении разработки подложек SOI до уровня качества и стоимости, подходящего для массового производства.
В 1994 году компания IBM Исследовательская группа во главе с Шахиди, Биджаном Давари и Робертом Х. Деннардом изготовила первые КМОП-устройства размером менее 100 нанометров. В 1998 году группа исследователей из Hitachi, TSMC и UC Berkeley продемонстрировала полевой транзистор FinFET (fin ), который является неплоским полевым МОП-транзистором с двумя затворами, построенным на подложке КНИ. В начале 2001 года Шахиди использовал SOI для разработки маломощного RF CMOS устройства, что привело к увеличению радиочастоты, в IBM.
Исследования Шахиди в IBM привели к к первому коммерческому использованию SOI в основной технологии CMOS. Впервые SOI была коммерциализирована в 1995 году, когда работа Шахиди над SOI убедила Джона Келли, который руководил серверным подразделением IBM, принять SOI в линейке серверных продуктов AS / 400, которые использовали 220 нм КМОП с медной металлизацией КНИ устройства. IBM начала использовать SOI в высокопроизводительном микропроцессоре RS64-IV "Istar" PowerPC-AS в 2000 году. Другие примеры микропроцессоров, построенных на технологии SOI, включают AMD 130 нм, 90 нм, 65 нм, 45 нм и 32 нм одно-, двух-, четырех-, шести- и восьмиъядерные процессоры с 2001 года.
В конце 2001 года IBM собиралась представить 130 нанометровые КМОП-устройства SOI с медью и диэлектриком с низким κ для внутренней стороны, на основе работы Шахиди. Freescale применила SOI в своем ЦП PowerPC 7455 в конце 2001 года. В настоящее время Freescale поставляет продукты с КНИ в линиях 180 нм, 130 нм, 90 нм и 45 нм. Процессоры на базе 90 нм PowerPC и Power ISA, используемые в Xbox 360, PlayStation 3 и Wii также используют технологию SOI. Однако в конкурентных предложениях от Intel по-прежнему используется обычная технология групповой CMOS для каждого технологического узла, вместо этого фокусируясь на других объектах, таких как HKMG и tri-gate транзисторы для улучшения характеристик транзистора. В январе 2005 года исследователи Intel сообщили об экспериментальном рамановском лазере на кремниевом ребристом волноводе с одним чипом, созданном с использованием SOI.
Что касается традиционных литейных производств, то в июле 2006 года TSMC заявила, что заказчику не нужна SOI, но Chartered Semiconductor посвятил целую фабрику SOI.
В 1990 году Peregrine Semiconductor приступила к разработке технологического процесса SOI с использованием стандартного узла CMOS 0,5 мкм и усовершенствованной сапфировой подложки. Запатентованный процесс кремний на сапфире (SOS) широко используется в высокопроизводительных ВЧ-приложениях. Собственные преимущества изолирующей сапфировой подложки обеспечивают высокую изоляцию, высокую линейность и устойчивость к электростатическим разрядам (ESD). Многие другие компании также применили технологию SOI для успешных радиочастотных приложений в смартфонах и сотовых радиоприемниках.
Пластины SOI широко используются в кремниевой фотонике. Слой кристаллического кремния на изоляторе можно использовать для изготовления оптических волноводов и других оптических устройств, пассивных или активных (например, посредством подходящей имплантации). Скрытый изолятор обеспечивает распространение инфракрасного света в слое кремния на основе полного внутреннего отражения. Верхнюю поверхность волноводов можно оставить открытой и подвергать воздействию воздуха (например, для датчиков) или покрыть оболочкой, обычно сделанной из кремнезема.
