チップ製造プロセスでは「SOI」という言葉がよく聞かれます。また、チップ製造では通常、SOI 基板を使用して集積回路を製造します。 SOI 基板のユニークな構造はチップの性能を大幅に向上させることができますが、SOI とは一体何でしょうか?その利点は何ですか?どのような分野で使用されていますか?どのように製造されていますか?
SOI基板とは何ですか?
SOIとはSilicon-On-Insulatorの略称です。文字通り、絶縁層上のシリコンを意味します。実際の構造は、シリコンウェーハ上に SiO2 などの極薄の絶縁層があることです。絶縁層の上には別の薄いシリコン層があります。この構造は、活性シリコン層を基板のシリコン層から分離します。従来のシリコンプロセスでは、絶縁層を使用せずにチップがシリコン基板上に直接形成されます。
SOI基板のメリットは何ですか？
低い基板漏れ電流
酸化シリコン (SiO2) の絶縁層の存在により、トランジスタがその下にあるシリコン基板から効果的に分離されます。この絶縁により、活性層から基板への望ましくない電流が減少します。リーク電流は温度とともに増加するため、高温環境におけるチップの信頼性は大幅に向上します。
寄生容量を低減する
SOI構造では寄生容量が大幅に低減されます。寄生容量は速度を制限し、消費電力を増加させることが多いため、信号伝送中に余分な遅延が発生し、余分なエネルギーを消費します。これらの寄生容量を低減することで、高速チップや低電力チップでのアプリケーションが一般的になります。 SOIチップはCMOSプロセスで作られた通常のチップと比較して、速度を15%向上させ、消費電力を20%削減することができます。
ノイズアイソレーション
混合信号アプリケーションでは、デジタル回路によって生成されるノイズがアナログ回路や RF 回路に干渉し、システムのパフォーマンスが低下する可能性があります。 SOI 構造はアクティブ シリコン層を基板から分離するため、実際には一種の固有のノイズ分離を実現します。これは、デジタル回路によって生成されたノイズが基板を通って敏感なアナログ回路に伝播することがより困難であることを意味します。
SOI基板はどうやって作るの？
SIMOX、BESOI、結晶成長法などの大きく 3 つの方法があります。紙面の都合上、ここではより一般的な SIMOX 技術を紹介します。
SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen の正式名称) は、酸素イオン注入とその後の高温アニーリングを使用して、シリコン結晶内に厚い二酸化シリコン (SiO2) 層を形成します。この層は、SOI 構造の絶縁体層として機能します。
高エネルギーの酸素イオンがシリコン基板の特定の深さに注入されます。酸素イオンのエネルギーと線量を制御することにより、将来の二酸化シリコン層の深さと厚さを決定できます。酸素イオンが注入されたシリコンウェーハは、通常 1100 度から 1300 度の間の高温アニールプロセスを受けます。この高温では、注入された酸素イオンがシリコンと反応して、連続的な二酸化シリコン層を形成します。この絶縁層はシリコン基板の下に埋め込まれ、SOI構造を形成します。表面のシリコン層はチップを製造するための機能層となり、その下の二酸化シリコン層は絶縁層として機能し、機能層をシリコン基板から分離します。
SOI基板はどのチップに使用されていますか?
これらは、CMOS デバイス、RF デバイス、シリコン フォトニック デバイスで使用できます。
SOI基板の各層の一般的な厚さはどれくらいですか?
シリコン基板層厚さ：100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm〜以上
SiO2厚さ：100nm～10μm
活性シリコン層: 20nm以上