SOI(矽技術)

SOI全稱為Silicon-On-Insulator，即絕緣襯底上的矽，該技術是在頂層矽和背襯底之間引入了一層埋氧化層。

基本介紹

• 中文名：SOI
• 外文名：Silicon-On-Insulator
• 方法：在絕緣體上形成半導體薄膜
• 目的：實現積體電路中元器件的介質隔離

簡介

材料通過在絕緣體上形成半導體薄膜，SOI材料具有了體矽所無法比擬的優點：可以實現積體電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體矽CMOS電路中的寄生閂鎖效應；採用這種材料製成的積體電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應小及特別適用於低壓低功耗電路等優勢，因此可以說SOI將有可能成為深亞微米的低壓、低功耗積體電路的主流技術。此外，SOI材料還被用來製造MEMS光開關，如利用體微機械加工技術。

SOI是矽電晶體結構在絕緣體之上的意思，原理就是在Silicon（矽）電晶體之間，加入絕緣體物質，可使兩者之間的寄生電容比原來的少上一倍。優點是可以較易提升時脈，並減少電流漏電成為省電的IC。原本應通過交換器的電子，有些會鑽入矽中造成浪費。SOI可防止電子流失。摩托羅拉宣稱中央處理器可因此提升時脈20%，並減低耗電30%。除此之外，還可以減少一些有害的電氣效應。還有一點，可以說是很多超頻玩家所感興趣的，那就是它的工作溫度可高達300°C，減少過熱的問題。

發展歷史

SOI全名為Silicon On Insulator，是指矽電晶體結構在絕緣體之上的意思，原理就是在矽電晶體之間，加入絕緣體物質，可使兩者之間的寄生電容比原來的少上一倍。優點是可以較易提升時脈，並減少電流漏電成為省電的IC，在工藝上還可以省略部分光掩模以節省成本，因此不論在工藝上或是電路上都有其優勢。此外，在SOI晶圓（SOI wafer）本身襯底的阻抗值的部分也會影響到元件的表現，因此後來也有公司在襯底上進行阻抗值的調整，達到射頻元件（Radio frequency component、RF component）特性的提升。原本應通過交換器的電子，有些會鑽入矽中造成浪費；SOI可防止電子流失，與補強一些原本Bulk wafer中CMOS元件的缺點。摩托羅拉宣稱中央處理器可因此提升時脈20%，並減低耗電30%。除此之外，還可以減少一些有害的電氣效應。還有一點，可以說是很多超頻玩家所感興趣的，那就是它的工作溫度可高達300°C，減少過熱的問題。

SOI一開始是由美商IBM公司的晶片部門投入開發，最早用於Macintosh電腦（MAC）的PowerPC G4處理器，除了IBM外，還有Motorola、德州儀器（TI）、NEC等公司投入SOI技術的開發工作，但是Intel公司拒絕在其處理器產品中使用SOI技術，因為其認為SOI技術容易影響晶圓品質與減低電晶體交換速度，並且SOI上接合點也會減少，也就是一般工藝中“漏電”的缺點所煩惱。

SOI行業聯盟是負責推廣SOI技術，成員包括SOI技術的發明者IBM及一些半導體公司，例如AMD和NVIDIA，而Intel並未加入該組織。

結構功能

通常根據在絕緣體上的矽膜厚度將SOI分成薄膜全耗盡FD（Fully Depleted）結構和厚膜部分耗盡PD（Partially Depleted）結構。由於SOI的介質隔離，製作在厚膜SOI結構上的器件正、背界面的耗盡層之間不互相影響，在它們中間存在一中性體區，這一中性體區的存在使得矽體處於電學浮空狀態，產生了兩個明顯的寄生效應，一個是"翹曲效應"即Kink 效應，另一個是器件源漏之間形成的基極開路NPN寄生電晶體效應。如果將這一中性區經過一體接觸接地，則厚膜器件工作特性便和體矽器件特性幾乎完全相同。而基於薄膜SOI結構的器件由於矽膜的全部耗盡完全消除"翹曲效應"，且這類器件具有低電場、高跨導、良好的短溝道特性和接近理想的亞閾值斜率等優點。因此薄膜全耗盡FDSOI應該是非常有前景的SOI結構。

材料種類

目前比較廣泛使用且比較有發展前途的SOI的材料主要有注氧隔離的SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)材料、矽片鍵合和反面腐蝕的BESOI(Bonding-Etchback SOI)材料和將鍵合與注入相結合的Smart Cut SOI材料。在這三種材料中，SIMOX適合於製作薄膜全耗盡超大規模積體電路，BESOI材料適合於製作部分耗盡積體電路，而Smart Cut材料則是非常有發展前景的SOI材料，它很有可能成為今後SOI材料的主流。

Smart Cut process

套用範圍

除了特異的優點，在積體電路中使用外，還被用於微光機電MEMS系統的製造，如3D反射鏡陣列開關。該反射鏡是在SOI襯底的活性層中形成可動反射鏡，與另一台階狀電極的襯底連線而成。由於使用單晶矽襯底，且在可動反射鏡，直徑500微米，的上下面上對稱的以同一條件而形成反射膜等，因此，具有10納米級的翹曲與數十納米的表面粗糙度。

優勢

SOI 在器件性能上具有以下優點：

1) 減小了寄生電容，提高了運行速度。與體矽材料相比，SOI 器件的運行速度提高了20-35%；

2) 具有更低的功耗。由於減少了寄生電容，降低了漏電，SOI 器件功耗可減小35-70%；

3) 消除了閂鎖效應；

4) 抑制了襯底的脈衝電流干擾，減少了軟錯誤的發生；

5) 與現有矽工藝兼容，可減少 13-20%的工序。