Кремний на изоляторе

В производстве полупроводников технология кремний на изоляторе » ( SOI « ) представляет собой изготовление кремниевых полупроводниковых устройств на многослойной подложке кремний-изолятор-кремний для уменьшения паразитной емкости внутри устройства и тем самым повышения производительности. ^[1] Устройства на основе КНИ отличаются от обычных кремниевых устройств тем, что кремниевый переход находится над электрическим изолятором , обычно из диоксида кремния или сапфира (устройства такого типа называются кремнием на сапфире или SOS). Выбор изолятора во многом зависит от предполагаемого применения: сапфир используется для высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) и чувствительных к излучению приложений, а диоксид кремния - для уменьшения эффектов короткого канала в других устройствах микроэлектроники. ^[2] Изолирующий слой и верхний кремниевый слой также сильно различаются в зависимости от применения. ^[3]

Потребность отрасли

Технология КНИ - одна из нескольких производственных стратегий, позволяющих продолжать миниатюризацию микроэлектронных устройств, в просторечии называемую «расширением закона Мура » (или «Больше Мура», сокращенно «ММ»). Заявленные преимущества SOI по сравнению с обычной кремниевой ( объемной КМОП ) обработкой включают: ^[4]

Низкая паразитная емкость благодаря изоляции от объемного кремния , что повышает энергопотребление при одинаковой производительности.
Устойчивость к запиранию за счет полной изоляции n- и p-ямных структур.
Более высокая производительность при эквивалентном VDD . Может работать при низких VDD ^[5]
Сниженная температурная зависимость благодаря отсутствию легирования
Лучший выход благодаря высокой плотности и лучшему использованию пластин.
Уменьшение проблем с антенной
Нет необходимости в корпусе или колодезных кранах
Меньшие токи утечки благодаря изоляции, что повышает энергоэффективность.
Радиационная устойчивость (устойчивость к мягким ошибкам), что снижает необходимость в резервировании.

С точки зрения производства подложки КНИ совместимы с большинством традиционных производственных процессов. В целом, процесс на основе SOI может быть реализован без специального оборудования или значительного 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 усложняет моделирование. Основным препятствием для внедрения SOI является резкое увеличение стоимости подложки, что, по оценкам, приводит к увеличению общих производственных затрат на 10–15%. ^[6]^{[ необходимы дополнительные ссылки ]} FD-SOI (полностью обедненный кремний на изоляторе) рассматривается как потенциальная недорогая альтернатива FinFET. ^[7]

КНИ-транзисторы

КНИ МОП-транзистор представляет собой устройство на полевом транзисторе металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор), в котором полупроводниковый слой, такой как кремний или германий, формируется на изоляционном слое, который может представлять собой слой скрытого оксида (BOX), сформированный в полупроводниковой подложке. ^[8]^[9]^[10] Устройства SOI MOSFET адаптированы для использования в компьютерной промышленности. ^{[ нужна ссылка ]} Скрытый оксидный слой можно использовать в конструкциях SRAM . ^[11] Существует два типа устройств SOI: PDSOI (частично обедненный SOI) и FDSOI (полностью обедненный SOI) MOSFET. В PDSOI MOSFET n-типа пленка n-типа, расположенная между затворным оксидом (GOX) и скрытым оксидом (BOX), велика, поэтому область истощения не может покрыть всю n-область. Таким образом, в некоторой степени PDSOI ведет себя как объемный MOSFET . Очевидно, что у него есть некоторые преимущества перед массивными МОП-транзисторами. В устройствах FDSOI пленка очень тонкая, поэтому область обеднения покрывает всю область канала. В FDSOI передний затвор (GOX) поддерживает меньше зарядов истощения, чем основной, поэтому происходит увеличение инверсионных зарядов, что приводит к более высоким скоростям переключения. Ограничение истощающего заряда с помощью BOX приводит к подавлению истощающей емкости и, следовательно, к существенному уменьшению подпорогового колебания, позволяя КНИ МОП-транзисторам FD работать при меньшем смещении затвора, что приводит к снижению мощности. Подпороговое колебание может достигать минимального теоретического значения для МОП-транзистора при температуре 300 К, что составляет 60 мВ/декаду. Это идеальное значение было впервые продемонстрировано с помощью численного моделирования. ^[12]^[13] Другие недостатки объемных МОП-транзисторов, такие как спад порогового напряжения и т. д., уменьшаются в FDSOI, поскольку электрические поля истока и стока не могут создавать помехи из-за BOX. Основной проблемой в ПДСОИ является « эффект плавающего тела (ЭБТ)», поскольку пленка не подключена ни к одному из источников питания. ^{[ нужна ссылка ]}

Производство пластин КНИ

Это не
_{КНИ пластины на основе 2} могут быть изготовлены несколькими методами:

SIMOX — разделение ygen с помощью IM- плантации OX — использует процесс имплантации пучка ионов кислорода с последующим высокотемпературным отжигом для создания скрытого SiO.
₂ слой. ^[14]^[15]
Склеивание пластин ^[16]^[17] – изолирующий слой формируется путем прямого соединения окисленного кремния со второй подложкой. Большая часть второй подложки впоследствии удаляется, а остатки образуют самый верхний слой Si.
- Одним из ярких примеров процесса соединения пластин является метод Smart Cut, разработанный французской фирмой Soitec , который использует ионную имплантацию с последующим контролируемым отшелушиванием для определения толщины самого верхнего слоя кремния.
- NanoCleave — это технология, разработанная Silicon Genesis Corporation, которая разделяет кремний посредством напряжения на границе раздела кремния и кремний-германиевого сплава. ^[18]
- ELTRAN — это технология, разработанная Canon и основанная на пористом кремнии и обводнении. ^[19]
Семенные методы ^[20] - при этом самый верхний слой Si выращивается непосредственно на изоляторе. Затравочные методы требуют своего рода матрицы для гомоэпитаксии, чего можно добиться путем химической обработки изолятора, соответствующим образом ориентированного кристаллического изолятора или сквозных отверстий через изолятор из подложки.

Исчерпывающий обзор этих различных производственных процессов можно найти в справочнике. ^[1]

Использование в промышленности микроэлектроники.

IBM начала использовать SOI в высокопроизводительном микропроцессоре RS64-IV «Istar» PowerPC-AS в 2000 году. Другие примеры микропроцессоров, построенных по технологии SOI, включают одиночные процессоры AMD по 130-нм, 90-нм, 65-нм, 45-нм и 32-нм технологии. , двух-, четырех-, шести- и восьмиядерные процессоры с 2001 года. ^[21] Компания Freescale внедрила SOI в свой процессор PowerPC 7455 в конце 2001 года. ^{[ когда? ]} Freescale поставляет продукты 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. конкурентные предложения Intel продолжаются. Однако ^{[ когда? ]} использовать традиционную технологию КМОП для каждого технологического узла, вместо этого сосредоточив внимание на других областях, таких как HKMG и транзисторы с тройным затвором, для улучшения производительности транзисторов. В январе 2005 года исследователи Intel сообщили об экспериментальном однокристальном рамановском лазере с кремниевыми ребрами, построенном с использованием КНИ. ^[23]

Что касается традиционных литейных заводов, то в июле 2006 года TSMC заявила, что ни один клиент не хочет SOI. ^[24] но компания Chartered Semiconductor посвятила SOI целую фабрику. ^[25]

Использование в высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) приложениях.

В 1990 году компания Peregrine Semiconductor начала разработку технологии КНИ с использованием стандартного узла КМОП 0,5 мкм и усовершенствованной сапфировой подложки. 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 электростатическим разрядам (ESD). Многие другие компании также применили технологию SOI для успешных радиочастотных приложений в смартфонах и сотовых радиоприемниках. ^[26]^{[ необходимы дополнительные ссылки ]}

Использование в фотонике

КНИ-пластины широко используются в кремниевой фотонике . ^[27] Слой кристаллического кремния на изоляторе можно использовать для изготовления оптических волноводов и других оптических устройств, как пассивных, так и активных (например, посредством подходящей имплантации). Заглубленный изолятор обеспечивает распространение инфракрасного света в слое кремния на основе полного внутреннего отражения. Верхнюю поверхность волноводов можно либо оставить открытой и подвергать воздействию воздуха (например, для датчиков), либо покрыть оболочкой, обычно изготовленной из диоксида кремния. ^[28]

Недостатки

Основным недостатком технологии КНИ 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 CMOS- чипов. ^[29]

рынок СОИ

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

См. также

Intel TeraHertz — аналогичная технология от Intel
Деформационная инженерия
Вафля (электроника)
Склеивание пластин

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Селлер, ГК; Кристоловяну, С. (2003). «Границы кремния на изоляторе». Журнал прикладной физики . 93 (9): 4955. Бибкод : 2003JAP....93.4955C . дои : 10.1063/1.1558223 .
^ Маршалл, Эндрю; Натараджан, Шридхар (2002). Проектирование КНИ: аналоговые, запоминающие и цифровые методы . Клювер. ISBN 0-7923-7640-4 .
^ Колинг, Жан-Пьер (1991). Технология кремний-на-изоляторе: материалы для СБИС . Спрингер. ISBN 978-0-7923-9150-0 .
^ Мендес, Орасио (апрель 2009 г.). «Кремний на изоляторе — технология и экосистема КНИ — Новые приложения КНИ» (PDF) . Промышленный консорциум СОИ.
^ Кодети, Нараян М. (октябрь 2010 г.). «Реализация кремния на изоляторе (SOI)» (PDF) . Белая книга . Инфотех. Архивировано из оригинала (PDF) 18 апреля 2013 г.
^ «IBM рекламирует технологию производства чипов» . cnet.com . 29 марта 2001 года . Проверено 22 апреля 2018 г.
^ «Самсунг, ГФ Рампа ФД-СОИ» . 27 апреля 2018 г.
^ US 6835633 , «Пластины SOI с 30-100 анг. скрытого OX, созданные путем склеивания пластин с использованием тонкого оксида 30-100 анг. в качестве связующего слоя».
^ US 7002214 , «Устройства на полевых транзисторах с ультратонким корпусом и сверхкрутой ретроградной скважиной (SSRW)»
^ Ян-Кю Чой; Асано, К.; Линдерт, Н.; Субраманиан, В.; Цу-Джэ Кинг; Бокор, Дж.; Чэньмин Ху (май 2000 г.). «КНИ МОП-транзистор с ультратонким корпусом для эпохи субдесятых микронов» (PDF) . Письма об электронных устройствах IEEE . 21 (5): 254–5. дои : 10.1109/IEDM.1999.824298 . S2CID 43561939 .
^ В патенте США 7138685 «Вертикальная ячейка MOSFET SRAM» описаны структуры скрытого оксида SOI (BOX) и методы реализации усовершенствованных структур SOI BOX.
^ Балестра, Ф. (1985). Характеристика и моделирование КНИ-МОП-транзисторов с контролем обратного потенциала (доктор философии). ИЯФ-Гренобль.
^ Балестра, Ф. (2016). «1.5 Проблемы эксплуатации полупроводниковых устройств сверхмалой мощности» . В Лури, С.; Сюй, Дж.; Заславский А. (ред.). Будущие тенденции в микроэлектронике — путешествие в неизведанное . Уайли. стр. 69–81. дои : 10.1002/9781119069225.ch1-5 . ISBN 978-1-119-06922-5 .
^ США 5888297 , Ацуши Огура, «Способ изготовления подложки КНИ», выдан 30 марта 1999 г.
^ США 5061642 , Хироши Фудзиока, «Способ изготовления полупроводника на изоляторе», выдан 29 октября 1991 г.
^ Тонг, Q.-Y.; Гёзеле, У. (1998). Соединение полупроводниковых пластин: наука и технологии . Уайли. ISBN 978-0-471-57481-1 .
^ США 4771016 , Баджор, Джордж и др., «Использование быстрого термического процесса для производства полупроводниковых полупроводников, связанных с пластинами», выдан 13 сентября 1988 г.
^ «СИГЕН.КОМ» . www.sigen.com . Проверено 22 апреля 2018 г.
^ Ёнехара, Т; Сакагути, К. «Новая технология пластин SOI ELTRAN®» (PDF) . Режущий край 2 . Канон.
^ США 5417180
^ Фрис, Ханс де. «Chip Architect: будут раскрыты 130-нм процессы Intel и Motorola/AMD» . чип-архитектор.com . Проверено 22 апреля 2018 г.
^ «NXP Semiconductors – Автомобильная промышленность, безопасность, Интернет вещей» . www.freescale.com . Проверено 22 апреля 2018 г.
^ Ронг, Хайшэн; Лю, Аньшэн; Джонс, Ричард; Коэн, Одед; Хак, Дэни; Николаеску, Ремус; Фанг, Александр; Паничча, Марио (январь 2005 г.). «Полностью кремниевый рамановский лазер» (PDF) . Природа . 433 (7042): 292–4. дои : 10.1038/nature03723 . ПМИД 15931210 . S2CID 4423069 .
^ «У TSMC нет потребительского спроса на технологию SOI» . Fabtech: Интернет-источник информации для профессионалов в области полупроводников. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 22 апреля 2018 г.
^ Chartered расширяет доступ литейного рынка к 90-нм технологии IBM SOI.
^ Мэдден, Джо. «RFFE телефона: MMPA, отслеживание конвертов, настройка антенны, FEM и MIMO » (PDF) . Мобильные эксперты. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Проверено 2 мая 2012 г.
^ Рид, Грэм Т.; Найтс, Эндрю П. (5 марта 2004 г.). Кремниевая фотоника: введение . Уайли. ISBN 978-0-470-87034-1 . Проверено 22 апреля 2018 г. - через Google Книги.
^ Риньи, Арно. «Подложки кремний-на-изоляторе: основа кремниевой фотоники» . Фотоника.com . Проверено 7 мая 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б Маклеллан, Пол. «Кремний на изоляторе (SOI)» . Семивики . Проверено 7 марта 2021 г.
^ Будущее, Исследование рынка (17 февраля 2021 г.). «Ожидается, что к 2026 году рынок кремния на изоляторах (SoI) превысит 2,40 миллиарда долларов США | Азиатско-Тихоокеанский регион останется лидером в мировой индустрии кремния на изоляторах» . Отдел новостей GlobeNewswire (пресс-релиз) . Проверено 7 марта 2021 г.

Внешние ссылки

SOI Industry Consortium - сайт с обширной информацией и обучением по технологии SOI.
Портал SOI IP - Поисковая система по SOI IP
AMDboard — сайт с обширной информацией о технологии SOI
Advanced Substrate News - информационный бюллетень об индустрии КНИ, выпускаемый Soitec.
MIGAS '04 - 7-я сессия Международной летней школы MIGAS по перспективной микроэлектронике, посвященная КНИ-технологиям и устройствам
МИГАС '09 - 12-я сессия Международной летней школы по перспективной микроэлектронике: «Кремний на изоляторе (КНИ) наноустройства»

[celler-1] Jump up to: ^а ^б Селлер, ГК; Кристоловяну, С. (2003). «Границы кремния на изоляторе». Журнал прикладной физики . 93 (9): 4955. Бибкод : 2003JAP....93.4955C . дои : 10.1063/1.1558223 .

[2] Маршалл, Эндрю; Натараджан, Шридхар (2002). Проектирование КНИ: аналоговые, запоминающие и цифровые методы . Клювер. ISBN 0-7923-7640-4 .

[3] Колинг, Жан-Пьер (1991). Технология кремний-на-изоляторе: материалы для СБИС . Спрингер. ISBN 978-0-7923-9150-0 .

[4] Мендес, Орасио (апрель 2009 г.). «Кремний на изоляторе — технология и экосистема КНИ — Новые приложения КНИ» (PDF) . Промышленный консорциум СОИ.

[5] Кодети, Нараян М. (октябрь 2010 г.). «Реализация кремния на изоляторе (SOI)» (PDF) . Белая книга . Инфотех. Архивировано из оригинала (PDF) 18 апреля 2013 г.

[6] «IBM рекламирует технологию производства чипов» . cnet.com . 29 марта 2001 года . Проверено 22 апреля 2018 г.

[7] «Самсунг, ГФ Рампа ФД-СОИ» . 27 апреля 2018 г.

[8] US 6835633 , «Пластины SOI с 30-100 анг. скрытого OX, созданные путем склеивания пластин с использованием тонкого оксида 30-100 анг. в качестве связующего слоя».

[9] US 7002214 , «Устройства на полевых транзисторах с ультратонким корпусом и сверхкрутой ретроградной скважиной (SSRW)»

[10] Ян-Кю Чой; Асано, К.; Линдерт, Н.; Субраманиан, В.; Цу-Джэ Кинг; Бокор, Дж.; Чэньмин Ху (май 2000 г.). «КНИ МОП-транзистор с ультратонким корпусом для эпохи субдесятых микронов» (PDF) . Письма об электронных устройствах IEEE . 21 (5): 254–5. дои : 10.1109/IEDM.1999.824298 . S2CID 43561939 .

[11] В патенте США 7138685 «Вертикальная ячейка MOSFET SRAM» описаны структуры скрытого оксида SOI (BOX) и методы реализации усовершенствованных структур SOI BOX.

[12] Балестра, Ф. (1985). Характеристика и моделирование КНИ-МОП-транзисторов с контролем обратного потенциала (доктор философии). ИЯФ-Гренобль.

[13] Балестра, Ф. (2016). «1.5 Проблемы эксплуатации полупроводниковых устройств сверхмалой мощности» . В Лури, С.; Сюй, Дж.; Заславский А. (ред.). Будущие тенденции в микроэлектронике — путешествие в неизведанное . Уайли. стр. 69–81. дои : 10.1002/9781119069225.ch1-5 . ISBN 978-1-119-06922-5 .

[14] США 5888297 , Ацуши Огура, «Способ изготовления подложки КНИ», выдан 30 марта 1999 г.

[15] США 5061642 , Хироши Фудзиока, «Способ изготовления полупроводника на изоляторе», выдан 29 октября 1991 г.

[16] Тонг, Q.-Y.; Гёзеле, У. (1998). Соединение полупроводниковых пластин: наука и технологии . Уайли. ISBN 978-0-471-57481-1 .

[17] США 4771016 , Баджор, Джордж и др., «Использование быстрого термического процесса для производства полупроводниковых полупроводников, связанных с пластинами», выдан 13 сентября 1988 г.

[18] «СИГЕН.КОМ» . www.sigen.com . Проверено 22 апреля 2018 г.

[19] Ёнехара, Т; Сакагути, К. «Новая технология пластин SOI ELTRAN®» (PDF) . Режущий край 2 . Канон.

[20] США 5417180

[21] Фрис, Ханс де. «Chip Architect: будут раскрыты 130-нм процессы Intel и Motorola/AMD» . чип-архитектор.com . Проверено 22 апреля 2018 г.

[22] «NXP Semiconductors – Автомобильная промышленность, безопасность, Интернет вещей» . www.freescale.com . Проверено 22 апреля 2018 г.

[Intel_20052-23] Ронг, Хайшэн; Лю, Аньшэн; Джонс, Ричард; Коэн, Одед; Хак, Дэни; Николаеску, Ремус; Фанг, Александр; Паничча, Марио (январь 2005 г.). «Полностью кремниевый рамановский лазер» (PDF) . Природа . 433 (7042): 292–4. дои : 10.1038/nature03723 . ПМИД 15931210 . S2CID 4423069 .

[24] «У TSMC нет потребительского спроса на технологию SOI» . Fabtech: Интернет-источник информации для профессионалов в области полупроводников. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 22 апреля 2018 г.

[25] Chartered расширяет доступ литейного рынка к 90-нм технологии IBM SOI.

[26] Мэдден, Джо. «RFFE телефона: MMPA, отслеживание конвертов, настройка антенны, FEM и MIMO » (PDF) . Мобильные эксперты. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Проверено 2 мая 2012 г.

[27] Рид, Грэм Т.; Найтс, Эндрю П. (5 марта 2004 г.). Кремниевая фотоника: введение . Уайли. ISBN 978-0-470-87034-1 . Проверено 22 апреля 2018 г. - через Google Книги.

[28] Риньи, Арно. «Подложки кремний-на-изоляторе: основа кремниевой фотоники» . Фотоника.com . Проверено 7 мая 2023 г.

[:0-29] Jump up to: ^а ^б Маклеллан, Пол. «Кремний на изоляторе (SOI)» . Семивики . Проверено 7 марта 2021 г.

[30] Будущее, Исследование рынка (17 февраля 2021 г.). «Ожидается, что к 2026 году рынок кремния на изоляторах (SoI) превысит 2,40 миллиарда долларов США | Азиатско-Тихоокеанский регион останется лидером в мировой индустрии кремния на изоляторах» . Отдел новостей GlobeNewswire (пресс-релиз) . Проверено 7 марта 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]