什么是SOI

news2024/10/7 15:30:15

在芯片制程中，经常会听到“SOI”这个名词。而芯片制造上也通常使用SOI衬底制造集成电路。SOI衬底的独特结构可以大大提高芯片的性能，那么SOI到底是什么？有哪些优点？应用在哪些领域？如何制造？

什么是SOI衬底？

SOI是Silicon-On-Insulator的缩写。直译为在绝缘层上的硅。实际的结构是，硅片上有一层超薄的绝缘层，如SiO2。在绝缘层上又有一层薄薄的硅层，这种结构将有源硅层与衬底的硅层分开。而在传统的硅制程中，芯片直接在硅衬底上形成，没有使用绝缘体层。

SOI衬底的优势？

低基板漏电流

由于存在一个氧化硅（SiO2）的绝缘层，它有效地隔离了晶体管和底部的硅衬底。这种隔离减少了从有源层到基板的不希望的电流。漏电流会随着温度的升高而增加，因此在高温环境中可以显著提高芯片的可靠性。

减少寄生电容

在SOI结构中，寄生电容得到了显著减小。寄生电容通常会限制速度和增大功耗，因此它们在信号传输过程中增加了额外的延迟，并消耗了额外的能量。通过减少这些寄生电容，在高速或低功耗芯片中应用很普遍。与CMOS制程的普通的芯片相比，SOI 芯片的速度可提高 15%，功耗可降低 20%。

噪声隔离

在混合信号应用中，数字电路产生的噪声可能会干扰模拟或射频电路，从而降低系统性能。由于SOI结构将有源硅层与基板隔开，它实际上实现了一种内在的噪声隔离。这意味着数字电路产生的噪声较难通过衬底传播到敏感的模拟电路。

SOI衬底怎么制造？

一般有三种方法：SIMOX，BESOI，晶体生长法等。由于篇幅有限，这里介绍一下比较普遍的SIMOX技术。

SIMOX，全名Separation by IMplantation of OXygen，即利用氧离子的注入和后续的高温退火来在硅晶体中形成一个厚的二氧化硅（SiO2）层，这个层作为SOI结构的绝缘体层。

高能氧离子被注入到硅衬底中的一个特定深度。通过控制氧离子的能量和剂量，能够确定将来的二氧化硅层的深度和厚度。注入氧离子的硅片经历一个高温退火过程，通常在1100°C到1300°C之间。在这个高温下，注入的氧离子与硅反应，形成一个连续的二氧化硅层。这个绝缘层被埋在硅衬底下面，形成了一个SOI结构。表面的硅层成为制造芯片的功能层，而下面的二氧化硅层作为绝缘体层，将功能层与硅衬底隔离。

SOI衬底用在哪些芯片中？

可用在 CMOS 器件，射频器件，硅光子器件中。

SOI衬底各层的常见厚度？