絕緣體上硅(SOI)硅片由頂層硅膜、埋氧層和硅襯底三部分組成。隨著集成電路技術的發展,體硅襯底CMOS集成電路面臨著諸多挑戰,如寄生閂鎖效應(Latch-Up Effect)、短溝道效應、泄漏電流增大、閾值電壓漂移、寄生電容增大等,SOI集成電路則可減少上述困擾。SOI集成電路可以實現集成電路中器件之間更有效的介質隔離,并徹底消除體硅襯底CMOS電路中的寄生閂鎖效應,同時降低寄生電容和RC延遲,提高電路操作速度,減少光掩模版數量,減緩短溝道效應,降低功耗。
根據器件工作時溝道區域是否存在中性區,將SOI器件分為部分耗盡型SOI(Partially Depleted SOI,PD- SOI)器件及全耗盡型SOI(Fully Depleted SOI, FD-SOI)器件兩種類型,如圖6-6所示。FD- SDI器件的頂層硅膜較薄,導通狀態下硅膜處于完全耗盡狀態,消除了中性體區引起的翹曲效應(Kink Effect)和寄生n-p-n管效應。同時,超薄的頂層硅膜使柵極對溝道控制能力得到提高,亞閾值擺幅得到改善,因此FD-SOI器件具有良好的短溝道特性。
有分析認為,從28nm/20nm節點開始,基于體硅CMOS和FinFET工藝的集成電路主流技術的單個晶體管的成本出現不降反升的局面。而作為FD-SOI技術的主要支持者(如IBM、意法半導體、格芯等)認為,在先進節點上,FD- SOI技術將更具備競爭優勢。FD- SOI技術可延續平面CMOS器件的微縮進程。此外,也有一些公司和科研機構正在研究FD- SOI FinFET工藝,如圖6-7所示。
相對于體硅FinFET,FD-SOI因目前仍然采用平面架構,其工藝實現難度及制造成本相對較低。雖然在SOI襯底上制備集成電路的工藝相對簡單,但其原材料成本較高,限制了SOI工藝的廣泛應用。除了介個因素,FD- SOI的產業生態環境也是制約其發展的重要因素,模擬仿真軟件、設計IP、設計工具尚不及普通體硅技術健全,因此FD- SOI目前主要應用于低功耗、低漏電等領域。
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原文標題:集成電路中的硅基器件—全耗盡型SOI(FD- SOI)
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