Кремний на изоляторе

Кремний на изоляторе (КНИ, англ. Silicon on insulator, SOI) — технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров. Так, например, максимальная частота переключения транзисторов (Ft), выполненных по технологическому процессу 130 нм, может достигать 200 ГГц. В перспективе, при переходе к технологическим процессам с меньшим размером активных элементов (уже существующему 22 нм, или только разрабатываемому сейчас 10 нм), возможно ещё большее повышение этого показателя. Кроме собственно наименования технологии, термин «кремний на изоляторе» также часто употребляется в качестве названия поверхностного слоя кремния в КНИ-структуре.

Конструктивное исполнение

Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO₂ или, гораздо реже, сапфир (в этом случае технология называется «кремний на сапфире» или КНС). Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути практически ничем не отличается от классической технологии, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина.

В первую очередь технология КНИ находит применение в цифровых интегральных схемах (в частности, в микропроцессорах), большая часть которых в настоящее время выполняется с использованием КМОП (комплементарной логики на МОП-транзисторах). При построении схемы по данной технологии большая часть потребляемой мощности затрачивается на заряд паразитной ёмкости изолирующего перехода в момент переключения транзистора из одного состояния в другое, а время, за которое происходит этот заряд, определяет общее быстродействие схемы. Основное преимущество технологии КНИ состоит в том, что за счёт тонкости поверхностного слоя и изоляции транзистора от кремниевого основания удаётся многократно снизить паразитную ёмкость, а значит и снизить время её зарядки вкупе с потребляемой мощностью.

Другое преимущество технологии КНИ — превосходная радиационная стойкость к ионизирующим излучениям, поэтому такая технология широко используется для аэрокосмического и военного электронного оборудования.

Недостаток технологии КНИ — большая стоимость.

Технология изготовления

В настоящее время наиболее распространены КНИ-подложки, где в качестве изолятора выступает диоксид кремния. Такие подложки могут быть получены различными способами, основные из которых: ионное внедрение, сращивание пластин, управляемый скол и эпитаксия.

Ионное внедрение

Технология ионного внедрения так же известна как ионная имплантация, имплантация кислорода, ионный синтез захороненных диэлектрических слоев и SIMOX (англ. Separation by IMplantation of OXygen). При использовании данной технологии монолитная кремниевая пластина подвергается интенсивному насыщению кислородом путём бомбардировки поверхности пластины его ионами с последующим отжигом при высокой температуре, в результате чего образуется тонкий поверхностный слой кремния на слое оксида. Глубина проникновения ионов примеси зависит от уровня их энергии, а поскольку технология КНИ подразумевает достаточно большую толщину изолирующего слоя, то при производстве подложек приходится использовать сложные сильноточные ускорители ионов кислорода. Это обусловливает высокую цену подложек, изготовленных по этой технологии, а большая плотность дефектов в рабочих слоях является серьёзным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов.

Сращивание пластин

При использовании технологии сращивания пластин (англ. wafer bonding) образование поверхностного слоя производится путём прямого сращивания второй кремниевой пластины со слоем диоксида. Для этого гладкие, очищенные и активированные за счёт химической или плазменной обработки пластины подвергают сжатию и отжигу, в результате чего на границе пластин происходят химические реакции, обеспечивающие их соединение. Данная технология практически идеальна для изготовления КНИ-подложек с толстым поверхностным слоем, но с его уменьшением начинает нарастать плотность дефектов в рабочем слое, а, кроме того, усложняется технологический процесс и, как следствие, растёт стоимость готовых изделий. В результате, подложки с толщиной поверхностного слоя менее одного микрометра, которые наиболее востребованы при производстве быстродействующих схем с высокой степенью интеграции, имеют тот же набор недостатков, что и подложки, изготовленные по технологии ионного внедрения.

Управляемый скол

Технология управляемого скола или Smart Cut, разработанная французской компанией Soitec, объединяет в себе черты технологий ионного внедрения и сращивания пластин. В данном технологическом процессе используются две монолитные кремниевые пластины. Первая пластина подвергается термическому окислению, в результате чего на её поверхности образуется слой диоксида, затем верхняя лицевая поверхность подвергается насыщению ионами водорода с использованием технологии ионного внедрения. За счёт этого в пластине создаётся область скола, по границе которой пройдёт отделение оставшейся массы кремния. По завершении процедуры ионного внедрения пластина переворачивается и накладывается лицевой стороной на вторую пластину, после чего происходит их сращивание. На завершающей стадии проводится отделение первой пластины, в результате которого на поверхности второй остаётся слой диоксида и тонкий поверхностный слой кремния. Отделённая часть первой пластины используется в новом производственном цикле.

Производство КНИ-подложек по технологии управляемого скола требует большого количества операций, но в его процессе используется только стандартное оборудование. Кроме того, важным достоинством пластин, полученных по этой технологии, является низкая плотность дефектов в рабочем слое.

Эпитаксия

В случае использования эпитаксиальной технологии (англ. seed method) поверхностный слой образуется за счёт выращивания кремниевой плёнки на поверхности диэлектрика. Активные элементы, полученные на таких подложках, демонстрируют отличные рабочие характеристики, но большое число технологических проблем, связанных с эпитаксиальным процессом, пока ещё не дают возможностей для массового внедрения этой технологии.

Использование в технике

Перечень ряда устройств, произведённых с использованием КНИ-подложек, приведён ниже.

• Opteron (основанные на архитектуре k8) — семейство процессоров компании AMD, выпускаемых по технологическим процессам 130 нм (одноядерные) и 90 нм (одно и двухъядерные)
• Cell — восьмиядерный процессор, совместно разработанный компаниями Sony, Toshiba и IBM (технологический процесс — 90 нм), используется в игровой приставке Sony PlayStation 3
• Xenon — трехъядерный процессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм, 65 нм), используется в игровой приставке Microsoft Xbox 360
• Broadway — процессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм), используется в игровой приставке Nintendo Wii

Девятое поколение процессоров Intel Core 2, выполненных по технологическому процессу 65 нм, напротив, производится на основе обычных монолитных кремниевых пластин. Тот факт, что аналогичные процессоры от AMD, выпускаемые с использованием КНИ-подложек, не показывают сколько-нибудь заметных преимуществ, часто служит причиной скепсиса по отношению к технологии КНИ в целом. Однако следует учитывать, что производительность такого сложного устройства, каким является центральный процессор, зависит от очень многих факторов, среди которых особенности используемой технологии занимают далеко не первое место, а потому подобное сравнение лишено всякого смысла.

См. также

• Кремниевая пластина
• Напряжённый кремний (англ.)
• Планарная технология
• Пористый кремний
• Фотолитография

Ссылки

• [www-03.ibm.com/chips/about/technology/technologies/soi/soipaper.pdf SOI Technology: IBM’s Next Advance In Chip Design] — Обзорная статья о КНИ и общих принципах функционирования современных цифровых микросхем
• [www.amdboard.com/soispecial.html AMDboard] — Большая подборка ссылок на публикации, посвященные КНИ
• [www.soitec.com/ Soitec] — Официальный сайт компании Soitec

Отрывок, характеризующий Кремний на изоляторе

– Ах, я так счастлива, – отвечала она, улыбнулась сквозь слезы, нагнулась ближе к нему, подумала секунду, как будто спрашивая себя, можно ли это, и поцеловала его.
Князь Андрей держал ее руки, смотрел ей в глаза, и не находил в своей душе прежней любви к ней. В душе его вдруг повернулось что то: не было прежней поэтической и таинственной прелести желания, а была жалость к ее женской и детской слабости, был страх перед ее преданностью и доверчивостью, тяжелое и вместе радостное сознание долга, навеки связавшего его с нею. Настоящее чувство, хотя и не было так светло и поэтично как прежнее, было серьезнее и сильнее.
– Сказала ли вам maman, что это не может быть раньше года? – сказал князь Андрей, продолжая глядеть в ее глаза. «Неужели это я, та девочка ребенок (все так говорили обо мне) думала Наташа, неужели я теперь с этой минуты жена , равная этого чужого, милого, умного человека, уважаемого даже отцом моим. Неужели это правда! неужели правда, что теперь уже нельзя шутить жизнию, теперь уж я большая, теперь уж лежит на мне ответственность за всякое мое дело и слово? Да, что он спросил у меня?»
– Нет, – отвечала она, но она не понимала того, что он спрашивал.
– Простите меня, – сказал князь Андрей, – но вы так молоды, а я уже так много испытал жизни. Мне страшно за вас. Вы не знаете себя.
Наташа с сосредоточенным вниманием слушала, стараясь понять смысл его слов и не понимала.
– Как ни тяжел мне будет этот год, отсрочивающий мое счастье, – продолжал князь Андрей, – в этот срок вы поверите себя. Я прошу вас через год сделать мое счастье; но вы свободны: помолвка наша останется тайной и, ежели вы убедились бы, что вы не любите меня, или полюбили бы… – сказал князь Андрей с неестественной улыбкой.
– Зачем вы это говорите? – перебила его Наташа. – Вы знаете, что с того самого дня, как вы в первый раз приехали в Отрадное, я полюбила вас, – сказала она, твердо уверенная, что она говорила правду.
– В год вы узнаете себя…
– Целый год! – вдруг сказала Наташа, теперь только поняв то, что свадьба отсрочена на год. – Да отчего ж год? Отчего ж год?… – Князь Андрей стал ей объяснять причины этой отсрочки. Наташа не слушала его.
– И нельзя иначе? – спросила она. Князь Андрей ничего не ответил, но в лице его выразилась невозможность изменить это решение.
– Это ужасно! Нет, это ужасно, ужасно! – вдруг заговорила Наташа и опять зарыдала. – Я умру, дожидаясь года: это нельзя, это ужасно. – Она взглянула в лицо своего жениха и увидала на нем выражение сострадания и недоумения.
– Нет, нет, я всё сделаю, – сказала она, вдруг остановив слезы, – я так счастлива! – Отец и мать вошли в комнату и благословили жениха и невесту.
С этого дня князь Андрей женихом стал ездить к Ростовым.


Обручения не было и никому не было объявлено о помолвке Болконского с Наташей; на этом настоял князь Андрей. Он говорил, что так как он причиной отсрочки, то он и должен нести всю тяжесть ее. Он говорил, что он навеки связал себя своим словом, но что он не хочет связывать Наташу и предоставляет ей полную свободу. Ежели она через полгода почувствует, что она не любит его, она будет в своем праве, ежели откажет ему. Само собою разумеется, что ни родители, ни Наташа не хотели слышать об этом; но князь Андрей настаивал на своем. Князь Андрей бывал каждый день у Ростовых, но не как жених обращался с Наташей: он говорил ей вы и целовал только ее руку. Между князем Андреем и Наташей после дня предложения установились совсем другие чем прежде, близкие, простые отношения. Они как будто до сих пор не знали друг друга. И он и она любили вспоминать о том, как они смотрели друг на друга, когда были еще ничем , теперь оба они чувствовали себя совсем другими существами: тогда притворными, теперь простыми и искренними. Сначала в семействе чувствовалась неловкость в обращении с князем Андреем; он казался человеком из чуждого мира, и Наташа долго приучала домашних к князю Андрею и с гордостью уверяла всех, что он только кажется таким особенным, а что он такой же, как и все, и что она его не боится и что никто не должен бояться его. После нескольких дней, в семействе к нему привыкли и не стесняясь вели при нем прежний образ жизни, в котором он принимал участие. Он про хозяйство умел говорить с графом и про наряды с графиней и Наташей, и про альбомы и канву с Соней. Иногда домашние Ростовы между собою и при князе Андрее удивлялись тому, как всё это случилось и как очевидны были предзнаменования этого: и приезд князя Андрея в Отрадное, и их приезд в Петербург, и сходство между Наташей и князем Андреем, которое заметила няня в первый приезд князя Андрея, и столкновение в 1805 м году между Андреем и Николаем, и еще много других предзнаменований того, что случилось, было замечено домашними.
В доме царствовала та поэтическая скука и молчаливость, которая всегда сопутствует присутствию жениха и невесты. Часто сидя вместе, все молчали. Иногда вставали и уходили, и жених с невестой, оставаясь одни, всё также молчали. Редко они говорили о будущей своей жизни. Князю Андрею страшно и совестно было говорить об этом. Наташа разделяла это чувство, как и все его чувства, которые она постоянно угадывала. Один раз Наташа стала расспрашивать про его сына. Князь Андрей покраснел, что с ним часто случалось теперь и что особенно любила Наташа, и сказал, что сын его не будет жить с ними.
– Отчего? – испуганно сказала Наташа.
– Я не могу отнять его у деда и потом…
– Как бы я его любила! – сказала Наташа, тотчас же угадав его мысль; но я знаю, вы хотите, чтобы не было предлогов обвинять вас и меня.
Старый граф иногда подходил к князю Андрею, целовал его, спрашивал у него совета на счет воспитания Пети или службы Николая. Старая графиня вздыхала, глядя на них. Соня боялась всякую минуту быть лишней и старалась находить предлоги оставлять их одних, когда им этого и не нужно было. Когда князь Андрей говорил (он очень хорошо рассказывал), Наташа с гордостью слушала его; когда она говорила, то со страхом и радостью замечала, что он внимательно и испытующе смотрит на нее. Она с недоумением спрашивала себя: «Что он ищет во мне? Чего то он добивается своим взглядом! Что, как нет во мне того, что он ищет этим взглядом?» Иногда она входила в свойственное ей безумно веселое расположение духа, и тогда она особенно любила слушать и смотреть, как князь Андрей смеялся. Он редко смеялся, но зато, когда он смеялся, то отдавался весь своему смеху, и всякий раз после этого смеха она чувствовала себя ближе к нему. Наташа была бы совершенно счастлива, ежели бы мысль о предстоящей и приближающейся разлуке не пугала ее, так как и он бледнел и холодел при одной мысли о том.
Накануне своего отъезда из Петербурга, князь Андрей привез с собой Пьера, со времени бала ни разу не бывшего у Ростовых. Пьер казался растерянным и смущенным. Он разговаривал с матерью. Наташа села с Соней у шахматного столика, приглашая этим к себе князя Андрея. Он подошел к ним.
– Вы ведь давно знаете Безухого? – спросил он. – Вы любите его?
– Да, он славный, но смешной очень.
И она, как всегда говоря о Пьере, стала рассказывать анекдоты о его рассеянности, анекдоты, которые даже выдумывали на него.
– Вы знаете, я поверил ему нашу тайну, – сказал князь Андрей. – Я знаю его с детства. Это золотое сердце. Я вас прошу, Натали, – сказал он вдруг серьезно; – я уеду, Бог знает, что может случиться. Вы можете разлю… Ну, знаю, что я не должен говорить об этом. Одно, – чтобы ни случилось с вами, когда меня не будет…
– Что ж случится?…
– Какое бы горе ни было, – продолжал князь Андрей, – я вас прошу, m lle Sophie, что бы ни случилось, обратитесь к нему одному за советом и помощью. Это самый рассеянный и смешной человек, но самое золотое сердце.
Ни отец и мать, ни Соня, ни сам князь Андрей не могли предвидеть того, как подействует на Наташу расставанье с ее женихом. Красная и взволнованная, с сухими глазами, она ходила этот день по дому, занимаясь самыми ничтожными делами, как будто не понимая того, что ожидает ее. Она не плакала и в ту минуту, как он, прощаясь, последний раз поцеловал ее руку. – Не уезжайте! – только проговорила она ему таким голосом, который заставил его задуматься о том, не нужно ли ему действительно остаться и который он долго помнил после этого. Когда он уехал, она тоже не плакала; но несколько дней она не плача сидела в своей комнате, не интересовалась ничем и только говорила иногда: – Ах, зачем он уехал!
Но через две недели после его отъезда, она так же неожиданно для окружающих ее, очнулась от своей нравственной болезни, стала такая же как прежде, но только с измененной нравственной физиогномией, как дети с другим лицом встают с постели после продолжительной болезни.


Здоровье и характер князя Николая Андреича Болконского, в этот последний год после отъезда сына, очень ослабели. Он сделался еще более раздражителен, чем прежде, и все вспышки его беспричинного гнева большей частью обрушивались на княжне Марье. Он как будто старательно изыскивал все больные места ее, чтобы как можно жесточе нравственно мучить ее. У княжны Марьи были две страсти и потому две радости: племянник Николушка и религия, и обе были любимыми темами нападений и насмешек князя. О чем бы ни заговорили, он сводил разговор на суеверия старых девок или на баловство и порчу детей. – «Тебе хочется его (Николеньку) сделать такой же старой девкой, как ты сама; напрасно: князю Андрею нужно сына, а не девку», говорил он. Или, обращаясь к mademoiselle Bourime, он спрашивал ее при княжне Марье, как ей нравятся наши попы и образа, и шутил…