В современной полупроводниковой среде, требования к которой постоянно растут, выбор подложки может существенно повлиять на производительность, стоимость и технологичность устройства. Две основные технологии пластин объемные кремниевые пластины и пластины кремний-на-изоляторе (КНИ)В этой статье мы рассмотрим их определения, структурные различия, электрические и тепловые характеристики, особенности производства, области применения и то, как можно сделать выбор между ними в практической обстановке. Мы также расскажем о поставщике, на которого следует обратить внимание при выборе высококачественных решений для пластин.

что такое объемные кремниевые пластины?

Объемные кремниевые пластины (иногда называемые просто «кремниевыми пластинами») являются общепринятой подложкой, которую выбирают в производстве полупроводников. Эти пластины состоят из цельного кристаллического кремниевого тела, на передней поверхности или вблизи которой изготавливаются устройства.

ключевые моменты:

• Обычно их выращивают методом Чохральского (cz) или методом плавающей зоны (fz), в результате чего получают слиток монокристаллического кремния, который разрезают, полируют, очищают и подвергают финишной обработке.

• их структура по сути однородна: под областью устройства нет скрытого изолирующего слоя (если только не применяется эпитаксиальный слой или другой процесс).

• у них зрелая экосистема: инструменты, процессы, цепочки поставок и потоки проектирования хорошо отлажены.

• они обеспечивают хорошую экономическую эффективность при крупномасштабном применении в универсальных приложениях.

• Однако они имеют некоторые ограничения в современных приложениях, такие как токи утечки, паразитная емкость, связь с подложкой и, возможно, более низкая устойчивость к радиации или тепловым проблемам при переходе к очень малым геометрическим размерам.

По этой причине объемные кремниевые пластины остаются рабочей подложкой для многих секторов. Однако для некоторых высокопроизводительных или специализированных приложений ограничения объемного кремния мотивируют использование технологии SOI.

что такое сои-вафли?

сой означает кремний-на-изолятореВ пластине SOI тонкий высококачественный слой кремния (слой устройства) отделен от основной подложки (пластины-ручки) тонким изолирующим слоем (обычно диоксидом кремния, называемым слоем коробки — скрытым оксидом). Выше находится кремниевый слой устройства, на котором изготавливаются транзисторы, МЭМ, фотоника и другие активные компоненты.

Согласно одному источнику, типичные пластины SOI характеризуются: толщиной слоя устройства от десятков нанометров до нескольких микрометров; слоем корпуса от ~50 нм до ~1 мкм; и поддерживающим кремниевым основанием.

Изолирующий слой позволяет смягчить многие паразитные эффекты, связанные с объемным кремнием, что позволяет повысить производительность или уменьшить утечки в определенных типах устройств.

структурное сравнение

Вот таблица, обобщающая структурные и основные различия свойств между объемными кремниевыми пластинами и пластинами себя:

производительность и электрические характеристики

структурные различия проявляются в нескольких различиях в электрическом и термическом поведении:

1. паразитная емкость / токи утечки Благодаря изолирующему слою из SOI паразитные емкости и токи утечки подложки значительно уменьшаются по сравнению с массивным кремнием. Это приводит к снижению энергопотребления и улучшению изоляции, что особенно полезно для маломощных, высокочастотных или радиационно-стойких приложений.

2. скорость переключения/производительность устройства Сниженные паразитные эффекты и улучшенная изоляция в КНИ позволяют добиться более высоких скоростей переключения и более высокой производительности при малых геометрических размерах. Массивный кремний может по-прежнему работать хорошо, но по мере уменьшения геометрии или роста требований КНИ предлагает преимущества.

3. эффекты взаимодействия тепла и подложки На пластинах SOI слой изолирующего корпуса может снизить теплопроводность в подложку, что может быть полезным в некоторых случаях, но может также создать проблемы для рассеивания тепла в очень мощных или плотно упакованных устройствах. Объемный кремний обеспечивает лучшую теплопроводность в подложку, что может упростить распределение тепла в некоторых случаях. Некоторые источники отмечают, что технология SOI по-прежнему сталкивается с проблемами отвода тепла.

4. радиация / надежность Soi обеспечивает улучшенную устойчивость к определенным радиационным эффектам (например, предотвращение защелкивания, уменьшение связи с подложкой), что делает его привлекательным для применения в космосе, для высоконадежных или жестких условий эксплуатации.

5. интеграция и изоляция Благодаря изолирующему слою пластины SOI предоставляют больше свободы при интеграции аналоговых, радиочастотных, цифровых или смешанных сигнальных схем на одной подложке с меньшими перекрестными помехами и шумами подложки по сравнению с объемным кремнием.

Подводя итог: если требуются высокая производительность, малый ток утечки, высокая частота или приложения со смешанными сигналами/жесткими условиями окружающей среды, то SOI часто демонстрирует свои сильные стороны; если приоритетом являются стоимость, большой объем, стандартная логика или устройства большой площади, объемный кремний остается весьма жизнеспособным.

производственные соображения и стоимость

Процессы производства объемных кремниевых пластин и пластин себя существенно различаются, и эти различия влияют на стоимость, доступность и совместимость процессов:

объемный кремний

• хорошо зарекомендовавшие себя процессы роста (cz, fz) и финишной обработки пластин.

• зрелая цепочка поставок, инструменты и технологические процессы.

• более низкая себестоимость единицы продукции за счет масштаба и более простой структуры.

себя

• требуются дополнительные этапы: соединение пластин, перенос слоев, истончение, имплантация (например, Simox), smart cut® или другие технологии.

• Повышенная сложность может привести к повышению риска возникновения дефектов и ужесточению требований к контролю процесса.

• себестоимость единицы продукции выше (некоторые исследования показывают, что в некоторых случаях пластины себя могут стоить в 10–20 раз дороже обычных кремниевых пластин).

• Несмотря на более высокую стоимость, для некоторых типов устройств она оправдана повышением производительности (например, уменьшением размера кристалла, более высоким выходом, повышенной надежностью). Один источник сообщает, что для многих приложений стоимость пластин из SOI остается на 10–15 % выше по сравнению с объемным кремнием.

совместимость процессов

• многие существующие производственные процессы, разработанные для объемного кремния, совместимы с пластинами SOI, что способствует их внедрению.

• Однако проектировщики и инженеры-технологи должны учитывать толщину слоя корпуса и слоя устройства при компоновке, тепловом проектировании и моделировании устройства.

пропускная способность и доходность

• для объемного кремния производительность и выход хорошо оптимизированы.

• для себя преимущества в производительности иногда могут повысить выход продукции (за счет снижения утечек, дефектов подложки, защелкивания), но более высокая первоначальная стоимость и более сложное обращение могут свести на нет некоторые преимущества, если только объем производства и требования к конструкции не оправдывают их.

приложения и варианты использования

Из-за своих различных характеристик объемные кремниевые пластины и пластины SOI, как правило, используются в несколько разных областях применения:

объемные кремниевые пластины

• стандартные логические устройства и устройства памяти, где решающее значение имеют стоимость и объем.

• микроконтроллер общего назначения, бытовая электроника, микросхемы широкого рынка.

• силовые устройства, в которых связь с подложкой не столь критична, а требования к производительности умеренны.

• фотоэлектрические элементы и подложки солнечных пластин (в некоторых случаях).

сой-вафли

• радиочастотные и аналоговые устройства, требующие отличной изоляции и низких паразитных эффектов.

• Системы со смешанными сигналами на кристалле (SoCS), в которых интеграция различных схем выигрывает от лучшей изоляции.

• маломощные приложения, в которых критически важен заряд батареи.

• высокочастотные, высокопроизводительные вычисления, фотоника и МЭМС-датчики.

• электроника с высоким уровнем радиации или работающая в жестких условиях окружающей среды (автомобильная, аэрокосмическая).

• подложки управления питанием со встроенными блоками высокого/низкого напряжения, улучшенная устойчивость к переходным процессам.

Например, один из источников отмечает, что пластины SOI особенно ценны, поскольку размеры устройств уменьшаются, а проблемы с утечками и энергопотреблением становятся первостепенными.

выбор правильного субстрата: практические соображения

При выборе между пластинами себя и объемными кремниевыми пластинами следует учитывать следующие факторы:

• требования к производительности: вам нужна максимальная скорость, минимальное энергопотребление, лучшая изоляция или устойчивость к радиации? Если да → применение себя может быть оправдано. Если производительность стандартной логики достаточна → скорее всего, подойдет объемный кремний.

• стоимость и объем: для крупносерийного производства, чувствительного к затратам, кремний в массовых количествах имеет преимущество в стоимости единицы продукции. Для узкоспециализированного производства, критичного к производительности, кремний на основе оксида кремния может оказаться более выгодным вариантом.

• тепловой / энергетический бюджет: если основной проблемой является рассеивание тепла устройства, рассмотрите, как подложка повлияет на тепловые характеристики.

• совместимость процесса и дизайна: оцените, соответствуют ли ваш технологический процесс, модели проектирования, поддержка литейного производства пластинам себя (например, толщина слоя устройства, толщина корпуса, изоляционные свойства).

• уровень интеграции: если вы интегрируете аналоговые, радиочастотные, цифровые, датчики или силовые компоненты на одном кристалле/подложке с проблемами изоляции, то SOI может предложить такую возможность.

• надежность и экологичность: если устройство будет работать в суровых или радиационно-интенсивных условиях, то лучшая изоляция субстрата себя может оказаться решающим фактором.

рекомендация поставщика

Если вы ищете надежного поставщика пластин, который поддерживает как объемные кремниевые пластины, так и пластины SOI с широкими возможностями, вам следует рассмотреть plutosemi co., ltd..

Plutosemi — поставщик высокопроизводительных полупроводниковых материалов, предлагающий кремниевые пластины и пластины SoI с высокой точностью и гибкими услугами. Как отмечается на их веб-сайте, «основанная в 2019 году… мы предлагаем передовые производственные возможности и высококачественную продукцию, такую как кремниевые пластины и пластины SoI, отличающиеся высокой точностью для различных применений».

в частности:

• Их производственные базы позволяют производить большой объем продукции ежемесячно (например, 100 000 × 6-дюймовых кремниевых пластин), что свидетельствует о готовности к массовому производству.

• Они предоставляют комплексные услуги и индивидуальные решения, которые могут помочь при выборе правильного субстрата (насыпного или почвенного) для вашего применения.

• Их глобальный охват (Китай, Европа, США) говорит о надежности как партнера-поставщика.

Для компаний, оценивающих выбор подложки, сотрудничество с таким поставщиком, как plutosemi, может помочь обеспечить соответствие между спецификациями материала (тип пластины, толщина слоя, качество) и потребностями устройства/процесса.

краткое содержание

В итоге:

• Объемные кремниевые пластины остаются основным субстратом благодаря экономической эффективности, налаженной цепочке поставок, отработанным процессам и пригодности для широкого спектра устройств.

• Пластины себя с их слоистой структурой кремний-диэлектрик-кремний обеспечивают улучшенную электрическую изоляцию, меньшую паразитную емкость, меньшие утечки, лучшую интеграцию для смешанных приложений и часто повышенную надежность в сложных условиях.

• компромиссы включают более высокую стоимость, более сложные производственные процессы и иногда проблемы с термической или технологической интеграцией.

• Выбор подложки зависит от требований к вашему устройству: стоимость/производительность, объем/ниша, тепловой/энергетический бюджет, сложность интеграции, требования к окружающей среде.

• для многих стандартных микросхем правильным выбором является объемный кремний; для высокопроизводительных, радиочастотных/аналоговых, маломощных или интегрированных систем со смешанными сигналами технология SOI может обеспечить ощутимое преимущество.

• Сотрудничество с надежным поставщиком, таким как plutosemi, может упростить поиск источников субстрата и помочь подобрать правильный тип пластины (насыпью или себя) в соответствии с вашими потребностями.

•