وبسایت تخصصی برق و فناوری اطلاعات - Enter your slogan here

چرا بايد از « پوشش سيليكون ‌ بر عايق» (SOI) استفاده نمود؟

كاهش توان مصرفي بعنوان يكي از مهمترين مسايل مورد بحث در زمينه تكنولوژي مدار LSI (مدارات مجتمع بزرگ) مطرح مي‌باشد. ادوات Si- بالك هم اكنون با يكسري از محدوديتهاي فيزيكي اصلي مواجه مي‌باشند. در بين اين مشكلات كاهش قابليت تحرك حامل، بواسطه پراكنش ناخالصي، افزايش جريان تونلينگ گيت، بواسطه نازكتر شدن عايق گيت و افزايش ميزان نشتي پيوند - p-n بعلت كاهش سطح پيوند، بچشم مي‌خوردند. اين رويه‌ها باعث خواهد شد تا روال تعيين مقياس متعارف از امكان‌پذيري كمتر و كمتري برخوردار شود. در نتيجه، ولتاژ اعمالي بيش از آن چيزي خواهد شد كه براي ادوات كاهش مقياس داده شده، جهت حاصل آوردن سرعت مطلوب خود در عملكرد، مورد نياز مي‌باشد. اين خصيصه قطعا براي MPUها (واحدهاي ريزپردازنده)، كه سرعت از اولويت بالايي براي آنها برخوردار مي‌باشد، نيز صادق خواهد بود. گرمايي كه بوسيله واحدهاي ريزپردازنده امروزي توليد مي‌شود تقريبا نزديك به سطح آستانه تحمل سيستمهاي خنك كننده يا كولينگ متعارف مي‌باشد. از طرف ديگر، روالهاي محاسباتي شبكه فراگير در زندگي روزمره امروزي ما، بواسطه راحتي و تسهيلات بسياري كه اين روالها فراهم مي‌آورند، بعنوان يك واقعيت تلقي شده‌اند. شاخص مشهود اين رويه را مي‌توان در افزايش تعداد تلفنهاي موبايل، ديكشنريهاي الكترونيكي، مجموعه بازيها و سيستمهاي دستيار ديجيتال شخصي (PDAها)، در نظر گرفت. در اين سيستمها، امر كاهش توان مصرفي تا حد ممكن جهت افزايش طول عمر باطري از جمله ضروريات و الزامات حتمي بشمار مي‌آيد.

تكنولوژي پوشش سيليكون ‌ بر عايق (SOI) ظرفيت خازني اندكي را به نمايش مي‌گذارد كه خود باعث بوجود آمدن رويه عملياتي با سرعت بالا خواهد شد. اين بدان معنا است كه ولتاژ تغذيه را مي‌توان بگونه‌اي كمتر نمود تا ميزان توان مصرفي كاهش يابد و در عين حال سرعت كافي نيز فراهم گردد. با اين وجود، مزيت‌هاي تكنولوژي SOI محدود به سرعت و توان نمي‌باشد. آنها از سختي تابشي مناسبي برخوردار مي‌باشند كه خود بعنوان قابليتي بشمار مي‌آيد كه مي‌تواند در برابر دماهاي بالا پايداري داشته باشد و از مزيت كار با ولتاژهاي بالا نيز بهره‌مند است. اين تكنولوژي همچنين باعث بوجود آمدن قابليت توليد سيستم‌هاي ميكرو الكترو ـ مكانيكي (MEMS) براي رويه‌هاي كنترلي خواهد شد. بعلاوه، اين ويژگي باعث بروز انعطاف‌پذيري در طراحي ادوات مي‌گردد، بطور مثال، ويژگي‌هاي اساسي زيرلايه را مي‌توان مستقل از لايه‌ افزاره تعيين نمود، چرا كه عايق ادوات را از لايه زيرين آن منفك مي‌نمايد.

SOI چيست؟  - ساختار

شكل 1-1 ساختارهاي Si- بالك و بستر SOI را مورد مقايسه قرار مي‌دهد. خصيصه كليدي ساختار SOI قرار گرفتن يك لايه دي‌اكسيد سيليكون درست زير سطح مي‌باشد. اين مضمون تحت عنوان اكسيد مدفون (BOX) خوانده مي‌شود و از طريق اكسيداسيون Si يا كاشت اكسيژن در Si، كه بعدا تشريح خواهد شد، ساخته مي‌شود.

مزاياي SOI

لايه BOX مزيت‌هاي بيشماري را در مقايسه با همتايان Si- بالك خود براي SOI-MOSFETs بوجود مي‌آورد. مورد ليست شده ذيل براي ادوات PD و FD-SOI شايع مد نظر مي‌باشد.

باياس بدنه مثبت و بهبود سرعت گيتهاي پشته شده

باياس بدنه مستقل SOI MOSFETs آنها را در ساختار گيت پشته شده سريع‌تر مي‌سازد. در گيت‌هاي پشته شده با Si- بالك MOSFETs، باياس بدنه منفي ترانزيستور دايره‌اي از طريق جريان اتصال به زمين ايجاد مي‌شود. اين امر باعث افزايش ولتاژ آستانه‌اي و كاهش سرعت عمليات مي‌شود.

عدم قفل شدگي (لچ‌آپ)

حالت قفل شدگي به هنگامي رخ خواهد داد كه تريستور پارازيتي p-n-p-n (يا n-p-n-p) در داخل ساختار CMOS فعال شود كه خود باعث محدود شدن ولتاژ حداكثري اعمالي خواهد شد. به غير از يك افزاره Si- بالك، هيچگونه تريستور پارازيتي در ادوات SOI وجود نخواهد داشت.

ايزوله‌سازي ايده‌آل افزاره و سطح جانمايي كمتر براي پياده‌سازي طرح

ادوات SOI با استفاده از يك لايه عايق بصورت افقي از يكديگر ايزوله شده‌اند و همچنين آنها بصورت عمودي نيز با استفاده از BOX از بستر ايزوله شده‌اند كه عايق مطلوبي را سبب مي‌شود.

مصونيت مناسب خطاي ـ‌ نرم

ادوات SOI سختي تابشي قابل توجهي را در برابر ذرات آلفا، نوترون‌ها و ذرات ديگر از خود نشان مي‌دهند. ذرات آلفا ناشي از اثرات مقاديري از عناصر راديو اكتيو در مواد IC مي‌باشند. آنها داراي انرژي حدودا 5 MeV هستند، كه خود باعث مي‌شود تا قابليت نفوذ به Si تا عمق حدودا 25 ميكرومتر حاصل شود.

نشت پيوند p-n به ميزان اندك

جريان نشتي پيوند p-n به ميزان قابل توجهي در يك ساختار SOI كمتر مي‌باشد، چرا كه ناخالصي‌ها در نواحي n+  و p+  بطور عميقي در لايه Si نفوذ مي‌كنند و باعث برجاي گذاشتن يك پيوند p-n تنها در حايل ناحيه انتشار يافته مي‌شوند.

تاريخچه توسعه تكنولوژي SOI

اين بخش نسبت به بررسي تاريخچه توسعه تكنولوژي SOI اقدام مي‌كند. قبل از آنكه تكنولوژي SOI براي توليد ULSIها بكار گرفته شود، مي‌بايست طيف وسيعي از مسائل شامل مواد براي ويفرهاي SOI تا طراحي ادوات و مدارها را حل نمود.

برخي از روشهاي توليد ويفرهاي SOI در دهه 90 توسعه يافت. از اين روشها جهت تست ساخت ادوات SOI مختلف، نظير پردازنده‌ها (CPUs)، مدارهاي لاجيك توان پايين، مدارهاي سيگنال-تركيبي/RF، DRAMها و غيره، استفاده شد. اين تستها علاوه بر مزيتهاي تكنولوژي SOI، مشكلاتي كه بايد آنها را مخاطب قرار داد نيز آشكار نمودند.

ريزپردازنده 64 بيتي خود بنام اپيرون (Opteron) را روانه بازار نمود كه بر اساس فرآيند SOI ساخته شده بود. اين شركت اعلام داشت كه كليه ريزپردازنده‌هاي آتي خود را بجاي استفاده از تكنولوژي Si- بالك از تكنولوژي SOI توليد خواهد نمود.

، SOI MOSFETs كاملا تهي شده (FD)، از مزيتهاي بسياري در مقايسه با نوع جزئي- تهي شده برخوردار هستند. اين بخش بطور اختصار نسبت به تشريح خصيصه‌هاي ساختاري و ويژگيهاي الكتريكي آنها اقدام مي‌نمايد.

پس از ساليان بيشمار از گذشت تحقيق و توسعه، تكنولوژي SOI در نهايت تبديل به واقعيت شده است. كاربردهاي اين تكنولوژي در محدوده گسترده‌اي قرار داشته و طيفي از واحدهاي ميكروپروسسور (MPUs) و LSIهاي توان - پايين الي سيگنال- تركيبي/ RF و مدارهاي ولتاژ بالا را تشكيل مي‌دهند. خصيصه‌هاي خاص FD-SOI MOSFETs باعث فرو نشاندن اثرات بدنه شناوري شده است. علاوه بر اين، مقاومت بالاتر آنها در برابر وپژگي سوارخ شدگي، قابليت تحرك حامل بالا، مشخصات شيب زير آستانه‌اي و غيره باعث شده است تا قابليت ساخت MOSFETهاي داراي مقياس كوچكتر و با توان عملياتي بالا و ولتاژ پايين فراهم شود.