半导体

SOI满足IC高端特殊应用需求

作者:上海新傲科技有限公司总工程师 林成鲁来源:中国电子报发布时间:2008-08-06 01:40我要评论
  集成电路发展到目前极大规模的纳米技术时代,需要进一步提高芯片的集成度和运行速度,现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限,在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战,必须在材料和工艺上有新的重大突破。业界公认,SOI技术与应变硅技术,成为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的两大解决方案,是维持Moore定律走势的两大利器。

  SOI高端应用——大尺寸薄膜SOI

国际SOI市场95%%的应用集中在8英寸和12英寸大尺寸薄膜SOI,其中绝大多数用户为尖端微电子技术的引导者,如IBM、AMD等。目前供应商为法国Soitec、日本信越(SEH)、日本SUMCO,其中前两家供应了约90%%的产品。其主要驱动力来自于高速、低功耗SOI电路,特别是微处理器(CPU)应用,技术含量高,附加值大。例如,2005年-2006财务年度Soitec公司销售的SOI圆片,12英寸占60%%,8英寸占28%%,其他占12%%。可见,SOI的高端应用,主要是12英寸的圆片。
SOI材料市场每年约扩大40%%,预计到2010年,规模将达到10亿美元,远远高于硅材料每年7.7%%的增长率。届时SOI材料将占全部LSI半导体材料的10%%。最近,SOI材料在民用设备中的应用越来越多,任天堂“Wii”、索尼计算机娱乐“PS3”、美国微软“Xbox 360”等3款最新游戏机全部配备了采用SOI材料的处理器。今后,SOI还有望应用于数码相机、平板电视和汽车等使用的处理器和SoC上。
IBM和AMD等公司是SOI技术的主要推动者。IBM在其纽约的12英寸生产线100%%采用SOI材料以替代硅衬底材料,用SOI技术推出了新型AS/400服务器系列,比目前的高端机型的速度几乎快出4倍。IBM、SONY、TOSHIBA联合开发了SOI 90nm~45nm线宽技术,并将SOI技术引入电子消费类芯片的生产中,市场非常广阔。
AMD将SOI技术移植到所有PC处理器,是目前全球最大的SOI材料消费者。AMD宣布转移至65纳米制程技术,并发表新一代高效能运算方案,推出高效能AMD Athlon 64 X2双核心桌上型处理器。采用65纳米线宽技术的AMD处理器,在同时执行多个应用程序时能发挥优异的效能,让业者能开发体积小巧的个人计算机。在2007年中,AMD的Fab 36晶圆厂将完全转移至65纳米技术。
随着微处理器、游戏机芯片制程对SOI技术需求愈来愈高,SOI已成各大晶圆代工厂赢得核心客户青睐的武器,台积电、联电都不敢忽视先进制程导入SOI技术并大量生产的重要性,新加坡特许半导体则抢先在90纳米制程采用IBM授权,赢得微软XBOX 360 GPU订单。台积电正评估未来45纳米制程争取代工CPU的可能性,未来采用SOI技术势在必行。
Soitec公司为满足全球对SOI与其他衬底不断增加的需求,宣布其最新扩充发展策略。截至2006年3月,Soitec在Bernin生产厂的投资已超过3.5亿欧元,预计在设备安装完成时总投资将超过5亿欧元。Soitec针对300毫米晶圆的年产能预估将从目前的72万片提升至100万片。

  SOI其他应用——4英寸-8英寸SOI

SOI早期的主要应用集中在航空航天和军事领域,现在拓展到功率和灵巧器件以及MEMS应用,特别是在汽车电子、显示、无线通信等方面发展迅速。由于电源的控制与转换、汽车电子以及消费性功率器件方面对恶劣环境、高温、大电流、高功耗方面的要求,使得其在可靠性方面的严格要求不得不采用SOI器件。这些领域多采用6英寸和8英寸SOI材料。这个领域的特点在于SOI器件技术相对比较成熟,技术含量相对较低,器件的利润也相对降低,对SOI材料的价格比较敏感。在这些SOI材料用户里面,很大的应用主要来源于各种应用中的驱动电路:如Maxim的应用于主要为手机接收端的放大器电路;Panasonic、TI、FUJI、Toshiba、NEC等主要应用在显示驱动电路中的扫描驱动电路;Denso的应用主要在汽车电子、无线射频电路等;Toshiba的应用甚至在空调的电源控制电路中;Omron主要用在传感器方面;ADI也主要用在高温电路、传感器等;而Phillips的应用则主要是功率器件中的LDMOS,用于消费类电子中如汽车音响、声频、音频放大器等;韩国的Magnchip(Hynix)则为Kopin生产用于数码相机用的显示驱动电路,为LG生产PDP显示驱动电路等。

  特种SOI材料研发

  为了满足SOI的特殊应用的要求,近些年来研发了多种SOI新材料,其中包括:
1.高阻SOI
  先进射频SoC器件要求高阻SOI衬底和高阻加工晶圆,高阻(HR)衬底将极大地改善无源元件的性能,这些无源元件包括直接制备在硅芯片上的电感等。高阻SOI衬底在与射频电路、压控振荡器(VCO)和低噪声放大器(LNA)等合成时还可进一步突出模拟/数字混合电路的这些优势,使它们在工作期间具有更高、更稳的性能以适应各种工艺的变化和扰动效应。高阻SOI技术可提供完全的氧化物隔离,切断衬底注入噪声的直接通道。高电阻率衬底可降低电容耦合,进一步减小与衬底相关的各种射频损耗。与体硅晶圆相比,闭锁效应就不再成为问题。
2.混合取向SOI
(110)衬底上的空穴迁移率大约是(100)衬底上的两倍,在混合取向的复合型SOI中,制造复合衬底时分别将(110)和(100)晶体取向区作为p沟和n沟。衬底制作采用了将(110)硅层转移到(100)加工晶圆上的方法。在(110)上生长(100)膜是混合衬底的另一个变化。
对于在(110)面上制作的40nm长pMOSFET而言,可以获得电流驱动提高45%%的结果;然而,(110)面上的nMOSFET则会降低35%%。为了攻克这一难题,采用通过隐埋氧化物一直到(100)加工衬底的方法在衬底上刻蚀了与n沟区相对应的窗口,形成隔离层之后再进行选择外延硅生长。
3.超薄埋层和非SiO2埋层SOI
SiO2埋层(BOX)的热导率约比硅低100倍之多。因此,SOI中的局部自加热就成为大部分时间用于开态器件或高占空比电路的一个重要考虑问题。一种简便的办法就是对BOX的厚度进行等比缩小。另一种方法是将高热导率材料用作埋层。目前已证实,氮化物/氧化物复合埋层是提高衬底热导率的一种有效方法。中科院上海微系统所已成功研制了多种新埋层SOI结构,其埋层材料包括AlN、Al2O3、DLC等,计算机模拟结果表明这些材料可以有效克服器件的自加热效应。

责任编辑:电子信息产业网
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