SOI與塊材矽的差異：從晶片製造商角度的比較

大部分晶片，是直接製作在一般矽晶圓(塊材矽)之中。絕緣層上覆矽(SOI)晶圓，則是在製作電晶體的薄矽層下方，埋入一層氧化膜。這層絕緣層將電晶體與基板隔離，因此寄生電容減少、閂鎖效應消失，電路可以更快或更省電。代價是晶圓昂貴，且熱也較難散出。

項目塊材矽SOI
結構將電晶體直接製作在矽晶圓之中薄矽層位於矽基板上的埋入式氧化層(BOX)之上
隔離井與淺溝槽隔離以BOX與基板完全隔離，橫向則為溝槽隔離
寄生電容接面電容大小。因為接面位於氧化膜之上
閂鎖效應可能發生。因為有寄生的閘流體結構消失
軟錯誤對輻射產生的電荷敏感敏感度較小。因為收集電荷的體積小
臨界電壓的調整可使用基體偏壓，但有限完全空乏型SOI(FD-SOI)可隔著BOX施加強的背閘極偏壓
自發熱熱散逸到基板更嚴重。氧化膜不易傳熱
晶圓成本便宜相當高
主要用途大部分CMOS晶片。記憶體、處理器、通用邏輯智慧型手機的RF開關、物聯網或車用的低功耗FD-SOI晶片、MEMS、高耐壓或耐輻射的IC

數值為具代表性的大致參考值，會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

塊材
主流晶片的標準。晶圓便宜，周邊環境也成熟。
SOI
低功耗、RF性能、耐輻射性與基體偏壓，值得晶圓成本增加時。

常見問題

埋入式氧化膜有什麼作用？

將製作電晶體的薄矽層與基板絕緣。可減少寄生電容，也使閂鎖效應消失。

為什麼SOI很貴？

因為SOI晶圓需要形成埋入式氧化膜的額外製程，所以比塊材晶圓貴得多。

什麼是FD-SOI？

即完全空乏型SOI，使用載子會完全空乏的非常薄的矽層。通道的控制良好，並可隔著埋入式氧化膜施加背閘極偏壓。

為什麼SOI的自發熱會更嚴重？

因為埋入式氧化膜不易傳熱，電晶體的熱不像塊材矽那樣容易散逸到基板。

理解度檢測

下列關於 SOI（絕緣層上覆矽，Silicon On Insulator）結構的說明，何者正確？

  1. A不使用閘極絕緣膜的電晶體結構
  2. B在埋入氧化層之上的薄矽層中製作電晶體的結構
  3. C將兩片晶片疊在一起的結構
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正確答案：B. 在埋入氧化層之上的薄矽層中製作電晶體的結構

SOI 是在埋入矽基板中的氧化膜（BOX 層）之上的薄矽層中製作電晶體的結構。由於元件與基板絕緣，接面電容與漏電流較小，也不會發生閂鎖效應（latch-up）。晶圓是以智慧切割（Smart Cut）法等方式製成，亦即貼合帶有氧化膜的晶圓後，將其中一片削薄。廣泛用於高頻開關（RF-SOI）與低功耗用的 FD-SOI。

下列關於完全空乏型 SOI（FD-SOI）電晶體之優點，何者正確？

  1. A可將矽層加厚，並摻入大量雜質
  2. B不再需要閘極電極
  3. C通道的雜質可以減少，能抑制臨界電壓的變異，並容易以基板偏壓調整臨界電壓
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正確答案：C. 通道的雜質可以減少，能抑制臨界電壓的變異，並容易以基板偏壓調整臨界電壓

在 FD-SOI 中，厚度約 5～7 nm 的極薄矽層整體都會空乏，因此即使不在通道中摻入雜質也能抑制短通道效應，並減少隨機摻雜物波動所造成的變異。再者，若透過薄的埋入氧化膜（約 20 nm）從基板側施加電壓，就能動態改變臨界電壓，用於低電壓、低功耗的 IoT、車用與 RF 用途。

FinFET 或 SOI 電晶體容易發生自發熱問題，其原因為何？

  1. A因為電晶體過冷
  2. B因為完全沒有電流流過
  3. C因為通道為細小結構且被絕緣膜包圍，產生的熱不易逸散到基板
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正確答案：C. 因為通道為細小結構且被絕緣膜包圍，產生的熱不易逸散到基板

在像鰭片這樣的細小結構，或被熱導率低的氧化膜（SiO2 約為 Si 的 1/100）包圍的結構中，電晶體產生的熱不易逸散到基板，通道溫度有時會比周圍高出數十 ℃。溫度上升會使遷移率下降、電流減少，也會加速附近配線的電遷移與元件的劣化，因此在可靠度評估與電路設計中必須加以考慮。

  1. 在製作於塊材基板上的 FinFET 中，於鰭片根部（閘極不易控制的部分）設置高濃度雜質層的目的為何？

前往先進電晶體（FinFET與GAA）的練習題

相關名詞的解說

SOI晶圓
在矽基板上隔著埋入氧化層（BOX層）擁有一層薄矽層的晶圓。例如以貼合已植入氫離子的晶圓再剝離的方法製成。寄生電容小，用於FD-SOI與MEMS。
FD-SOI(全空乏型SOI)
在埋入氧化膜上方非常薄的矽層中製作電晶體，使通道完全空乏的技術。可減少通道雜質，並容易以基板偏壓調整臨界電壓。

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