Wat is SOI?

SOI is de afkorting voorSilicium-op-isolatorLetterlijk betekent het "silicium op een isolator". In de praktijk bestaat de structuur uit een ultradunne isolerende laag, zoals SiO₂, bovenop de siliciumwafer, waar vervolgens een dunne siliciumlaag bovenop wordt gevormd. Deze structuur scheidt de actieve siliciumlaag van het siliciumsubstraat. Bij een traditioneel siliciumproces wordt de chip echter direct op het siliciumsubstraat gevormd zonder gebruik te maken van een isolerende laag.

SOI-waferHet is opgebouwd uit drie belangrijke structurele lagen: een apparaatlaag van enkelkristallijn silicium, een isolerende laag van siliciumdioxide (de begraven oxide, of BOX) en een siliciumsubstraat. Samen vormen deze drie lagen een onafhankelijke en stabiele elektrische omgeving, waarbij elke laag zijn eigen rol vervult en tegelijkertijd synergetisch samenwerkt om de algehele prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren.

De bovenste laag van een siliciumchip, bestaande uit één kristal (doorgaans ongeveer 5 nm tot 2 μm dik), vormt de kern waarin transistors en andere actieve componenten worden vervaardigd. De ultradunne structuur is een cruciale basis voor het verbeteren van de prestaties van de chip en het mogelijk maken van continue schaalvergroting.

De middelste begraven oxide (BOX)-laag zorgt voor elektrische isolatie. Deze siliciumdioxidelag, meestal 5 nm tot 2 μm dik, blokkeert effectief de elektrische koppeling tussen de apparaatlaag en het onderliggende substraat door middel van zowel fysieke als chemische isolatiemechanismen.

Het onderste siliciumsubstraat zorgt voornamelijk voor structurele stijfheid en mechanische stabiliteit, waardoor de betrouwbaarheid van de wafer tijdens de productie en het daaropvolgende gebruik wordt gewaarborgd. De dikte ervan ligt over het algemeen tussen de 200 μm en 700 μm, wat voldoende mechanische ondersteuning biedt en tegelijkertijd rekening houdt met de verwerkbaarheid en de toepassingsvereisten.

Belangrijkste voordelen van SOI-wafers
1. Hogere snelheid

• Door een ingebedde oxidelaag onder de componenten zijn de transistors geïsoleerd van het siliciumsubstraat. Dit vermindert parasitaire capaciteit, versnelt het schakelen en maakt SOI uitermate geschikt voor snelle logische en RF-circuits.

2. Lager energieverbruik

• Een lagere capaciteit betekent lagere laad- en ontlaadverliezen.
• Minder lekstromen leiden tot een lager stand-by (statisch) stroomverbruik, waardoor het systeem energiezuiniger wordt.

3. Betere isolatie

• Elk apparaat rust op een oxidelaag, wat de elektrische interferentie tussen apparaten aanzienlijk vermindert. Dit verbetert de stabiliteit bij het integreren van analoge en digitale circuits, energiebeheereenheden en RF-modules op dezelfde chip.

4. Verbeterde tolerantie voor straling en hoge temperaturen

• Door straling gegenereerde ladingen verspreiden zich minder snel door het substraat, waardoor SOI-componenten veiliger en betrouwbaarder zijn in omgevingen met hoge stralingsniveaus, zoals de ruimtevaart.
• De toename van de lekstroom bij hoge temperaturen is minder ernstig, wat gunstig is voor auto-elektronica en industriële besturingssystemen.

5. Gunstig voor verdere schaalvergroting

• Met een zeer dunne siliciumlaag aan de bovenkant en een ingebedde oxidelaag eronder worden kortkanaaleffecten beter beheerst, waardoor het gemakkelijker is om stabiel apparaatgedrag te behouden naarmate de procestechnologieën steeds kleiner worden.

SOI-technologie wordt al op diverse gebieden toegepast. In consumentenelektronica wordt het gebruikt in de RF-front-endmodules van smartphones, zoals 5G-filters. In de auto-elektronica biedt het een stabiel procesplatform voor radarchips in voertuigen. In de ruimtevaartsector wordt het gebruikt in zeer betrouwbare satellietcommunicatieapparatuur. In de medische sector ondersteunt SOI het ontwerp en de implementatie van implanteerbare medische sensoren en diverse soorten energiezuinige monitoringchips.

Ons bedrijf biedt maatwerkprojecten voor siliciumwafels met een monokristallijne structuur:

• Dikte van het siliciumsubstraat: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm en hoger

• SiO₂-dikte: van 100 nm tot 10 μm

• Actieve siliciumlaag: ≥ 20 nm