Çip üretim sürecinde "SOI" terimi sıklıkla duyulur. Çip üretiminde de entegre devrelerin imalatında genellikle SOI alt katmanları kullanılıyor. SOI alt katmanlarının benzersiz yapısı çiplerin performansını büyük ölçüde artırabilir; peki SOI tam olarak nedir? Avantajları nelerdir? Hangi alanlarda kullanılır? Nasıl üretilir?
SOI substratı nedir?
SOI, Silicon-On-Insulator'ın kısaltmasıdır. Kelimenin tam anlamıyla yalıtım katmanı üzerindeki silikon anlamına gelir. Gerçek yapı, silikon levha üzerinde SiO2 gibi ultra ince bir yalıtım katmanının bulunmasıdır. Yalıtım katmanının üzerinde ince bir silikon katman daha bulunmaktadır. Bu yapı aktif silikon katmanını alt tabakanın silikon katmanından ayırır. Geleneksel silikon işleminde çip, bir yalıtkan katman kullanılmadan doğrudan silikon alt tabaka üzerinde oluşturulur.
SOI substratının avantajları nelerdir?
Düşük substrat kaçak akımı
Yalıtkan bir silikon oksit tabakasının (SiO2) varlığı nedeniyle, transistörü altta yatan silikon substrattan etkili bir şekilde izole eder. Bu izolasyon, aktif katmandan alt katmana istenmeyen akım akışını azaltır. Sızıntı akımı sıcaklıkla birlikte artar, böylece yüksek sıcaklıktaki ortamlarda çipin güvenilirliği önemli ölçüde artırılabilir.
Parazit kapasitansını azaltın
SOI yapısında parazitik kapasitans önemli ölçüde azalır. Parazit kapasitanslar genellikle hızı sınırlar ve güç tüketimini artırır; dolayısıyla sinyal iletimi sırasında ekstra gecikmeye neden olur ve ekstra enerji tüketir. Bu parazitik kapasitansların azaltılmasına yönelik uygulamalar, yüksek hızlı veya düşük güçlü çiplerde yaygındır. CMOS işleminde yapılan sıradan çiplerle karşılaştırıldığında SOI çiplerinin hızı %15 artırılabiliyor ve güç tüketimi %20 azaltılabiliyor.
Gürültü Yalıtımı
Karışık sinyal uygulamalarında, dijital devreler tarafından üretilen gürültü, analog veya RF devrelerine müdahale ederek sistem performansını düşürebilir. SOI yapısı aktif silikon katmanını alt tabakadan ayırdığı için aslında bir tür doğal ses yalıtımı sağlıyor. Bu, dijital devreler tarafından üretilen gürültünün alt tabaka üzerinden hassas analog devrelere yayılmasının daha zor olduğu anlamına gelir.
SOI substratı nasıl üretilir?
Genellikle üç yöntem vardır: SIMOX, BESOI, kristal büyütme yöntemi vb. Sınırlı alan nedeniyle, burada daha yaygın olan SIMOX teknolojisini tanıtıyoruz.
OXygen İmplantasyonu Yoluyla Ayırma'nın tam adı olan SIMOX, SOI yapısının yalıtkan katmanı olarak görev yapan silikon kristalinde kalın bir silikon dioksit (SiO2) katmanı oluşturmak için oksijen iyonu implantasyonunu ve ardından yüksek sıcaklıkta tavlamayı kullanmaktır.
Yüksek enerjili oksijen iyonları silikon substratta belirli bir derinliğe implante edilir. Oksijen iyonlarının enerjisi ve dozajı kontrol edilerek gelecekteki silikon dioksit tabakasının derinliği ve kalınlığı belirlenebilir. Oksijen iyonları ile implante edilen silikon levha, genellikle 1100 derece ile 1300 derece arasında yüksek sıcaklıkta bir tavlama işlemine tabi tutulur. Bu yüksek sıcaklıkta, implante edilen oksijen iyonları silikonla reaksiyona girerek sürekli bir silikon dioksit tabakası oluşturur. Bu yalıtım katmanı, silikon alt katmanın altına gömülerek bir SOI yapısı oluşturur. Yüzeydeki silikon katman, çipin üretilmesi için işlevsel katman haline gelirken alttaki silikon dioksit katmanı, fonksiyonel katmanı silikon alt katmandan izole eden bir yalıtkan katman görevi görüyor.
SOI substratları hangi çiplerde kullanılıyor?
CMOS cihazlarında, RF cihazlarında ve silikon fotonik cihazlarda kullanılabilirler.
SOI substratlarının her katmanının ortak kalınlıkları nelerdir?
Silikon substrat katman kalınlığı: 100μm / 300μm / 400μm / 500μm / 625μm ~ ve üzeri
SiO2 kalınlığı: 100 nm ila 10μm
Aktif silikon katman: 20nm'den büyük veya eşit
