בתהליך ייצור השבבים, המונח "SOI" נשמע לעתים קרובות. וייצור שבבים גם משתמש בדרך כלל במצעי SOI לייצור מעגלים משולבים. המבנה הייחודי של מצעי SOI יכול לשפר מאוד את ביצועי השבבים, אז מה זה בעצם SOI? מה היתרונות שלו? באילו תחומים משתמשים בו? איך מייצרים אותו?
מהו מצע SOI?
SOI הוא קיצור של Silicon-On-Insulator. זה ממש אומר סיליקון על שכבת בידוד. המבנה בפועל הוא שיש שכבת בידוד דקה במיוחד, כגון SiO2, על פרוסת הסיליקון. ישנה שכבת סיליקון דקה נוספת על שכבת הבידוד. מבנה זה מפריד את שכבת הסיליקון הפעילה משכבת הסיליקון של המצע. בתהליך הסיליקון המסורתי, השבב נוצר ישירות על מצע הסיליקון ללא שימוש בשכבת מבודדת.
מהם היתרונות של מצע SOI?
זרם דליפת מצע נמוך
בשל נוכחותה של שכבת בידוד של תחמוצת סיליקון (SiO2), היא מבודדת ביעילות את הטרנזיסטור ממצע הסיליקון הבסיסי. בידוד זה מפחית זרימת זרם לא רצויה מהשכבה הפעילה אל המצע. זרם הדליפה עולה עם הטמפרטורה, כך שניתן לשפר משמעותית את אמינות השבב בסביבות בטמפרטורה גבוהה.
הפחת את הקיבול הטפילי
במבנה SOI, הקיבול הטפילי מופחת באופן משמעותי. קיבולים טפיליים מגבילים לעתים קרובות את המהירות ומגדילים את צריכת החשמל, כך שהם מוסיפים השהייה נוספת במהלך שידור האות וצורכים אנרגיה נוספת. על ידי הפחתת קיבולים טפיליים אלה, יישומים נפוצים בשבבים מהירים או בעלי הספק נמוך. בהשוואה לשבבים רגילים המיוצרים בתהליך CMOS, ניתן להגביר את המהירות של שבבי SOI ב-15% ולהפחית את צריכת החשמל ב-20%.
בידוד רעש
ביישומי אותות מעורבים, רעש שנוצר על ידי מעגלים דיגיטליים עלול להפריע למעגלים אנלוגיים או RF, ובכך לפגוע בביצועי המערכת. מכיוון שמבנה ה-SOI מפריד בין שכבת הסיליקון הפעילה מהמצע, הוא משיג למעשה סוג של בידוד רעשים אינהרנטי. המשמעות היא שקשה יותר לרעש שנוצר על ידי מעגלים דיגיטליים להתפשט דרך המצע למעגלים אנלוגיים רגישים.
איך מייצרים מצע SOI?
ישנן בדרך כלל שלוש שיטות: SIMOX, BESOI, שיטת צמיחת גבישים וכו'. בשל מקום מוגבל, כאן אנו מציגים את טכנולוגיית SIMOX הנפוצה יותר.
SIMOX, השם המלא של Separation by Implantation of OXygen, הוא שימוש בהשתלת יוני חמצן ובהמשך חישול בטמפרטורה גבוהה ליצירת שכבת סיליקון דו חמצני (SiO2) עבה בגביש הסיליקון, המשמשת כשכבת הבידוד של מבנה ה-SOI.
יוני חמצן בעלי אנרגיה גבוהה מושתלים לעומק מסוים במצע הסיליקון. על ידי שליטה באנרגיה ובמינון של יוני החמצן, ניתן לקבוע את העומק והעובי של שכבת הסיליקון הדו-חמצני העתידית. פרוסת הסיליקון המושתלת ביוני חמצן עוברת תהליך חישול בטמפרטורה גבוהה, בדרך כלל בין 1100 מעלות ל-1300 מעלות. בטמפרטורה גבוהה זו, יוני החמצן המושתלים מגיבים עם הסיליקון ויוצרים שכבת סיליקון דו חמצני רציפה. שכבת בידוד זו קבורה מתחת למצע הסיליקון, ויוצרת מבנה SOI. שכבת הסיליקון פני השטח הופכת לשכבה הפונקציונלית לייצור השבב, בעוד שכבת הסיליקון הדו-חמצני שמתחתיה פועלת כשכבה מבודדת, המבודדת את השכבה הפונקציונלית ממצע הסיליקון.
באילו שבבים משתמשים במצעי SOI?
ניתן להשתמש בהם בהתקני CMOS, התקני RF והתקני סיליקון פוטוניים.
מהם העוביים הנפוצים של כל שכבה של מצעי SOI?
עובי שכבת מצע סיליקון: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ ומעלה
עובי SiO2: 100 ננומטר עד 10 מיקרומטר
שכבת סיליקון פעילה: גדולה או שווה ל-20 ננומטר
