SOI vs. Bulk-Silizium: Unterschiede für Chiphersteller

Die meisten Chips werden direkt in einem einfachen Siliziumwafer gefertigt, dem sogenannten Bulk-Silizium. Ein Silicon-on-Insulator-Wafer (SOI) hat zusätzlich eine dünne vergrabene Oxidschicht unter der dünnen Siliziumschicht, in der die Transistoren sitzen. Diese Isolierschicht trennt die Transistoren vom Substrat, verringert die parasitäre Kapazität und beseitigt Latch-up, sodass Schaltungen schneller sein oder weniger Leistung aufnehmen können. Der Preis ist ein teurerer Wafer und eine schlechtere Wärmeabfuhr.

Aspekt	Bulk-Silizium	SOI
Aufbau	Transistoren werden direkt im Siliziumwafer gefertigt	Eine dünne Siliziumschicht liegt auf einem vergrabenen Oxid (BOX) auf einem Siliziumsubstrat
Isolation	Wannen und Flachgrabenisolation (STI)	Vollständige Isolation vom Substrat durch das BOX, plus Grabenisolation seitlich
Parasitäre Kapazität	Größere Sperrschichtkapazität	Kleiner, weil die Übergänge auf Oxid sitzen
Latch-up	Möglich, wegen parasitärer Thyristorstrukturen	Ausgeschlossen
Soft Errors	Empfindlicher gegenüber Ladung durch Strahlung	Weniger empfindlich, weil das Ladungssammelvolumen klein ist
Schwellenspannungs-Anpassung	Body-Bias möglich, aber begrenzt	Vollständig verarmtes SOI (FD-SOI) erlaubt starkes Back-Gate-Biasing durch das BOX
Selbsterwärmung	Die Wärme fließt ins Substrat ab	Schlechter: Die Oxidschicht leitet Wärme schlecht
Waferkosten	Niedrig	Wesentlich höher
Typische Anwendungen	Die meisten CMOS-Chips: Speicher, Prozessoren und allgemeine Logik	HF-Schalter in Smartphones, stromsparende FD-SOI-Chips für IoT und Automotive, MEMS, Hochspannungs- und strahlungsfeste ICs

Die Zahlenangaben sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welches einsetzen

Bulk: Der Standard für Mainstream-Chips, weil die Wafer günstig sind und das Ökosystem ausgereift ist.
SOI: Wenn geringer Stromverbrauch, HF-Leistung, Strahlungsfestigkeit oder Body-Biasing die höheren Waferkosten rechtfertigen.

FAQ

Was bewirkt das vergrabene Oxid?

Es isoliert die dünne Siliziumschicht, in der die Transistoren sitzen, vom Substrat, was die parasitäre Kapazität verringert und Latch-up ausschließt.

Warum ist SOI teurer?

SOI-Wafer benötigen zusätzliche Fertigungsschritte zur Herstellung der vergrabenen Oxidschicht und kosten daher wesentlich mehr als Bulk-Wafer.

Was ist FD-SOI?

Vollständig verarmtes SOI verwendet eine sehr dünne Siliziumschicht, die vollständig an Ladungsträgern verarmt ist. Es ermöglicht eine gute Kontrolle des Kanals und Back-Gate-Biasing durch das vergrabene Oxid.

Warum ist die Selbsterwärmung bei SOI schlechter?

Das vergrabene Oxid leitet Wärme schlecht, sodass die Wärme der Transistoren nicht so leicht ins Substrat entweichen kann wie bei Bulk-Silizium.

Wichtige Begriffe erklärt

SOI-Wafer: Wafer mit dünner Siliziumschicht auf einer vergrabenen Oxidschicht (BOX) über einem Siliziumsubstrat. Er wird z. B. durch Bonden eines wasserstoffimplantierten Wafers und Abspalten hergestellt. Die geringe parasitäre Kapazität eignet sich für FD-SOI-Bauelemente und MEMS.
FD-SOI (vollständig verarmtes SOI): Transistoren werden in einer sehr dünnen Siliziumschicht auf vergrabenem Oxid gebaut, sodass der Kanal vollständig verarmt ist. Der Kanal kann schwach dotiert sein, und über Body-Bias lässt sich die Einsatzspannung leicht einstellen.