Nederlands
Menu

SOI versus bulk-silicium: vergeleken vanuit het perspectief van de chipfabrikant

De meeste chips worden rechtstreeks in gewone siliciumwafers (bulk-silicium) gemaakt. Een silicon-on-insulator-wafer (SOI) heeft een ingebedde oxidelaag onder de dunne siliciumlaag waarin de transistors worden gemaakt. Deze isolerende laag scheidt de transistors van het substraat, waardoor de parasitaire capaciteit afneemt, latch-up verdwijnt en schakelingen sneller of zuiniger kunnen zijn. Daar staat tegenover dat de wafer duurder is en warmte minder goed wordt afgevoerd.

KenmerkBulk-siliciumSOI
StructuurTransistors worden rechtstreeks in de siliciumwafer gemaaktEen dunne siliciumlaag ligt op een ingebed oxide (BOX) op een siliciumsubstraat
IsolatieWells en shallow trench isolationVolledig gescheiden van het substraat door de BOX, zijwaarts door trench-isolatie
Parasitaire capaciteitGrote junctiecapaciteitKlein, omdat de juncties op het oxide liggen
Latch-upMogelijk, door de parasitaire thyristorstructuurVerdwijnt
Soft errorsGevoelig voor lading door stralingMinder gevoelig, omdat het volume dat lading verzamelt kleiner is
Afstellen van de drempelspanningBody bias is mogelijk, maar beperktBij fully depleted SOI (FD-SOI) kan via de BOX een sterke back-gate-bias worden aangelegd
ZelfverhittingWarmte vloeit af naar het substraatVerslechtert. Oxide geleidt warmte slecht
WaferkostenLaagAanzienlijk hoger
Belangrijkste toepassingenDe meeste CMOS-chips. Geheugens, processors, algemene logicaRF-schakelaars in smartphones, FD-SOI-chips met laag vermogen voor IoT en automotive, MEMS, IC's voor hoge spanning en stralingsbestendige IC's

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Bulk
De standaard voor reguliere chips. De wafers zijn goedkoop en de infrastructuur eromheen is volwassen.
SOI
Wanneer laag vermogen, RF-prestaties, stralingsbestendigheid en body bias de hogere waferkosten rechtvaardigen.

Veelgestelde vragen

Wat doet het ingebedde oxide?

Het isoleert de dunne siliciumlaag waarin de transistors worden gemaakt van het substraat. Dat verlaagt de parasitaire capaciteit en voorkomt latch-up.

Waarom is SOI duurder?

SOI-wafers vragen extra processtappen om het ingebedde oxide te maken en zijn daardoor aanzienlijk duurder dan bulkwafers.

Wat is FD-SOI?

Fully depleted SOI, met een zeer dunne siliciumlaag waarin de ladingdragers volledig zijn weggedrukt. Dit geeft goede kanaalcontrole en maakt een back-gate-bias via het ingebedde oxide mogelijk.

Waarom verslechtert de zelfverhitting bij SOI?

Omdat het ingebedde oxide warmte slecht geleidt, kan de warmte van de transistors minder gemakkelijk naar het substraat afvloeien dan bij bulk-silicium.

Test uw begrip

Welke uitspraak over de SOI-structuur (Silicon On Insulator) is juist?

  1. AEen transistorstructuur zonder gate-isolator
  2. BEen structuur waarbij transistoren worden gemaakt in een dunne siliciumlaag op een ingebed oxide
  3. CEen structuur van twee op elkaar gestapelde chips
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Een structuur waarbij transistoren worden gemaakt in een dunne siliciumlaag op een ingebed oxide

SOI is een structuur waarbij transistoren worden gemaakt in een dunne siliciumlaag boven een oxidelaag (BOX-laag) die in het siliciumsubstraat is ingebed. Doordat de componenten van het substraat zijn geïsoleerd, zijn junctiecapaciteit en lekstroom klein en treedt geen latch-up op. De wafer wordt gemaakt met onder meer de smart-cutmethode, waarbij wafers met oxidefilm op elkaar worden gebonden en een van beide wordt gedund. SOI wordt veel gebruikt voor hoogfrequentschakelaars (RF-SOI) en voor FD-SOI voor laag vermogen.

Welk voordeel van een volledig uitgeputte SOI-transistor (FD-SOI) is juist?

  1. ADe siliciumlaag kan dik zijn en er kunnen veel onzuiverheden in worden gebracht
  2. BDe gate-elektrode is niet meer nodig
  3. CHet kanaal kan weinig onzuiverheden bevatten, de spreiding van de drempelspanning is kleiner en de drempelspanning is gemakkelijk met de substraatbias in te stellen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het kanaal kan weinig onzuiverheden bevatten, de spreiding van de drempelspanning is kleiner en de drempelspanning is gemakkelijk met de substraatbias in te stellen

Bij FD-SOI wordt de gehele extreem dunne siliciumlaag van circa 5 tot 7 nm dik uitgeput, zodat korte-kanaaleffecten ook zonder onzuiverheden in het kanaal worden onderdrukt en de spreiding door random dopant fluctuation klein is. Wordt via de dunne ingebedde oxidelaag (circa 20 nm) vanaf de substraatzijde een spanning aangelegd, dan kan de drempelspanning dynamisch worden gewijzigd. Het wordt gebruikt voor IoT, automotive en RF met lage spanning en laag vermogen.

Welke oorzaak van zelfopwarming, die vaak een probleem is bij FinFET's en SOI-transistoren, is juist?

  1. AOmdat de transistor te sterk afkoelt
  2. BOmdat er helemaal geen stroom vloeit
  3. COmdat het kanaal een smalle structuur heeft en door isolatiefilms is omgeven, zodat de opgewekte warmte moeilijk naar het substraat afvloeit
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat het kanaal een smalle structuur heeft en door isolatiefilms is omgeven, zodat de opgewekte warmte moeilijk naar het substraat afvloeit

In smalle structuren zoals vinnen en structuren die omgeven zijn door oxidefilms met een lage warmtegeleidbaarheid (die van SiO2 is circa 1/100 van die van Si) vloeit de in de transistor opgewekte warmte moeilijk naar het substraat af en kan de temperatuur van het kanaal wel enkele tientallen °C hoger zijn dan die van de omgeving. Een hogere temperatuur verlaagt de mobiliteit en dus de stroom, en versnelt elektromigratie van nabije bedrading en degradatie van de component, zodat het bij betrouwbaarheidsevaluatie en schakelingontwerp in rekening moet worden gebracht.

  1. Wat is het doel van een laag met hoge onzuiverheidsconcentratie aan de voet van de vin (het deel dat de gate moeilijk bestuurt) bij een FinFET op een bulksubstraat?
  2. Waarom worden SOI-wafers veel gebruikt bij de productie van MEMS?

Oefenvragen over Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA)

Belangrijke termen uitgelegd

SOI-wafer
Wafer met een dunne siliciumlaag op een siliciumsubstraat, gescheiden door een begraven oxidelaag (BOX-laag). Wordt gemaakt met onder meer een methode waarbij een met waterstofionen geïmplanteerde wafer wordt gebonden en afgesplitst. Heeft een kleine parasitaire capaciteit en wordt gebruikt voor FD-SOI en MEMS.
FD-SOI (fully depleted SOI)
Techniek waarbij transistors in een zeer dunne siliciumlaag op het begraven oxide worden gemaakt en het kanaal volledig is uitgeput. De dotering van het kanaal kan laag zijn en de drempelspanning is gemakkelijk af te stellen met substraatbias.

Verwante vergelijkingen