Silicon-on-Insulator
Der englische Begriff {{#invoke:Vorlage:lang|flat}} (SOI, deutsch »Silizium auf einem Isolator«) bezeichnet einen speziellen Isolierschicht-Feldeffekttransistor, bei dem eine dünne Siliziumschicht (SOI) durch eine isolierende Schicht (meist {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, BOX, dt. »vergrabenes Oxid«, genannt) vom Silizium-Substrat getrennt ist. Dieser Aufbau ermöglicht kürzere Schaltzeiten und geringere Leistungsaufnahmen, besonders bezüglich der Leckströme. Außerdem ergibt sich eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung.
Hintergrund und Industrieanforderungen
Die Entwicklung von Mikroelektronik-Produkten ist getrieben durch eine stetige Erhöhung der Berechnungsleistung. Dies wird vor allem durch die Verkleinerung der Transistor-Strukturen erreicht, mit der zum einen mehr Bauelemente auf gleicher Fläche realisiert werden können, zum andern diese Bauelemente aber weniger elektrische Leistung benötigen und höhere Schaltfrequenzen ermöglichen. Mit zunehmender Verkleinerung und Erhöhung der Komplexität, vgl. mooresches Gesetz, stößt die Fertigung immer wieder auf natürliche und technische Grenzen, die unter anderem mit neuen Techniken kompensiert werden können. Im Vergleich zu konventionellen CMOS-Transistoren in Bulk-Planartechnik werden mit der SOI-Technik bei vergleichbaren Fertigungsmethoden (vgl. Halbleitertechnik) verschiedene Vorteile für neue bzw. bessere Produkte bestimmter Anwendungen verbunden, die teilweise sogar mit FinFET-Technik vergleichbar sind:<ref>{{#if:2017-07-01|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Horacio Mendez|Horacio Mendez: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20170701003115/http://www.soiconsortium.org/pdf/Consortium_9april09_final.pdf%7C{{#if:Silicon-on-Insulator – SOI technology and ecosystem – Emerging SOI applications|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20170701003115/http://www.soiconsortium.org/pdf/Consortium_9april09_final.pdf}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Silicon-on-Insulator – SOI technology and ecosystem – Emerging SOI applications}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.soiconsortium.org/pdf/Consortium_9april09_final.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Silicon-on-Insulator – SOI technology and ecosystem – Emerging SOI applications}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.soiconsortium.org/pdf/Consortium_9april09_final.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Silicon-on-Insulator – SOI technology and ecosystem – Emerging SOI applications}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:ja2009-04-09https://web.archive.org/web/20170701003115/http://www.soiconsortium.org/pdf/Consortium_9april09_final.pdf{{#if: 2021-05-22 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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- geringere elektrische Leistungsaufnahme (30–40 % bei gleicher Rechenleistung) unter anderem durch:
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- höhere Zuverlässigkeit und inhärente Strahlungshärtung (Verringerung der Soft-Error-Rate um Faktor 10) auch bei höheren Temperaturen und kein Auftreten des Latch-up-Effekts aufgrund der vollständigen Isolierung der n- und p-Wannen-Strukturen
- Verringerung der Komplexität und Variation
- geringere Anforderungen an die Bauelement-Isolation (vgl. Grabenisolation)
- keine Body- oder Well-Taps werden benötigt
- vereinfachte Integration von Digital-, Analog- und Hochfrequenz-Komponenten bei System-on-a-Chip-Produkten (SoCs)
- geringerer Gütefaktor bei Hochfrequenz-Anwendungen
Aus Sicht der Fertigung sind SOI-Substrate mit den meisten konventionellen Fertigungsprozessen der Bulk-Planartechnik kompatibel. Das bedeutet, dass bei Kauf der SOI-Substrate für die Fertigung von SOI-Produkten keine speziellen Anlagen oder ein Umrüsten einer bestehenden Halbleiterfabrik notwendig sind. Herausforderungen können sich jedoch im Bereich der elektrischen und optischen Messtechnik ergeben, da die vergrabene Oxidschicht zu berücksichtigen ist. Des Weiteren sind die Kosten der SOI-Substrate – je nach Anforderungen für die Variation der SOI-Dicke – höher als die Kosten (normaler) epitaxierter Bulk-Substrate. Diese Kosten sollen schätzungsweise 10–15 % der gesamten Herstellungskosten betragen.<ref>{{#if:Vorlage:Cite book/URL|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:{{#if:
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Varianten
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Geschichte
Die SOI-Technik wurde 1963 bei North American Aviation (heute Boeing) entwickelt. Erste Anwendungen mit allgemeiner Verfügbarkeit waren z. B. die CDP-1802-CPU von RCA sowie CPU der HP-41-Serie von Hewlett Packard.<ref>{{#if:2012-06-24|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:George Imthurn|George Imthurn: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20120624151227/http://www.psemi.com/articles/History_SOS_73-0020-02.pdf%7C{{#if:The History of Silicon-on-Sapphire|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20120624151227/http://www.psemi.com/articles/History_SOS_73-0020-02.pdf}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=The History of Silicon-on-Sapphire}}]{{#if:PDF 300 kB| (PDF 300 kB)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.psemi.com/articles/History_SOS_73-0020-02.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=The History of Silicon-on-Sapphire}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.psemi.com/articles/History_SOS_73-0020-02.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=The History of Silicon-on-Sapphire}}}}]}}{{#if:PDF 300 kB| (PDF 300 kB{{#if:jahttps://web.archive.org/web/20120624151227/http://www.psemi.com/articles/History_SOS_73-0020-02.pdf{{#if: 2014-10-07 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Wichtige Hersteller von Prozessoren mit SOI-Technik sind Globalfoundries, Freescale und IBM.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Christof Windeck|Christof Windeck: }}{{#if:|{{#if:Globalfoundries entwickelt T-RAM mit|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Globalfoundries entwickelt T-RAM mit}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://heise.de/-219759%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Globalfoundries entwickelt T-RAM mit}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://heise.de/-219759}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Globalfoundries entwickelt T-RAM mit}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Heise Online2009-05-20{{#if: 2014-01-07 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Aufbau und Herstellung der SOI-Substrate
In der Literatur wird eine Vielzahl von Herstellungsverfahren für SOI-Wafern beschrieben.<ref>Jean-Pierre Colinge: Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI. Springer Verlag, 1991, ISBN 978-0-7923-9150-0, S. 10 ff.</ref> Dazu zählen verschiedene Verfahren, die es ermöglichen, eine dünne Siliziumschicht auf einem Wafer aus isolierendem Material herzustellen, beispielsweise Saphir (vgl. Silicon-on-Sapphire). Für die späteren Transistoren werden in der Regel Schichten aus einkristallinem Silizium benötigt/bevorzugt; Hauptgründe sind die deutlich besseren elektrischen Eigenschaften. Da bei den meisten Beschichtungsverfahren jedoch keine einkristalline Siliziumschicht abgeschieden wird (Ausnahme sind entsprechende Epitaxieverfahren), umfassen die SOI-Fertigungstechniken auch Rekristallisationsschritte. Weitere Möglichkeiten SOI-Wafer herzustellen, sind Verfahren, die auf Ionenimplantation basieren (z. B. SIMOX) oder spezielle Schichttransfertechniken wie „{{#invoke:Vorlage:lang|flat}}“.
Bei der SIMOX-Technik (engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}) werden Sauerstoffionen in einen Silizium-Wafer eingebracht. Durch Ionenimplantation ist es möglich, die Tiefe (wenige 100 nm) und die Breite (ca. 50 nm) des Bereichs, in dem die Sauerstoffionen eingebracht werden, zu steuern. Um nun eine „vergrabene“ Siliziumdioxidschicht zu erzeugen, wird durch einen Hochtemperaturschritt der Kristall „ausgeheilt“, dabei reagiert der eingebrachte Sauerstoff (nach der Implantation hauptsächlich auf Zwischengitterplätzen) mit dem Silizium und bildet eine isolierende Schicht aus Siliziumdioxid. Ähnliche Techniken gibt es auch mit Stickstoff (engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, SIMNI) oder Kohlenstoff (engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, SiCOI).
Das sogenannte „Smart-Cut“-Verfahren<ref>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:US|0|1}} or {{#if:5374564A|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:US||„Land“{{#if:5374564A|| und }}}}{{#if:5374564A||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|US5374564A|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =US5374564A | WIPO = US5374564A | Google = US5374564A | #default =US5374564A }}}}{{#if:Process for the production of thin semiconductor material films1992-09-15Michel Bruel|:|.}}{{#if:Process for the production of thin semiconductor material films| Process for the production of thin semiconductor material films.}}{{#if:1992-09-15| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Michel Bruel|,}}}}{{#if:|{{#if:1992-09-15| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Michel Bruel|,}}}}{{#if:| Anmelder: {{{Anmelder}}}{{#if:Michel Bruel|,}}}}{{#if:Michel Bruel| Erfinder: Michel Bruel}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:1992-09-15Michel Bruel|.}}}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> basiert ebenfalls auf der Ionenimplantation und nutzt zusätzlich das Waferbonden. Bei diesem Verfahren werden zunächst Wasserstoffionen in einen zuvor oxidierten Siliziumwafer eingebracht. Im nächsten Schritt wird dann dieser Wafer mit einem weiteren noch nicht oxidierten Wafer verbunden („bonden“). Anschließend wird der erste Wafer im Implantationsbereich der Wasserstoffionen gespalten. Dies erfolgt üblicherweise bei Temperaturen um die 500 °C oder größer. Dabei wird in Zusammenhang mit den implantierten Wasserstoffionen eine mechanische Spannung im Wafer erzeugt, die diese Spaltung bewirken kann, und anschließend bis auf wenige Mikrometer abgedünnt.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>
Anwendung in der Optik
Neben der bereits in der Einleitung erwähnten Anwendung als Substrat für stromsparende integrierte Schaltkreise bei einigen aktuellen Spitzenprodukten findet SOI auch in anderen Bereichen Anwendung. In der Optik ist SOI eine verbreitete Technik, um optische Komponenten zu integrieren.<ref>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:US|0|1}} or {{#if:7574090|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:US||„Land“{{#if:7574090|| und }}}}{{#if:7574090||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|US7574090|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =US7574090 | WIPO = US7574090 | Google = US7574090 | #default =US7574090 }}}}{{#if:Semiconductor device using buried oxide layer as optical wave guides2007-11-15Yoshiaki Shimooka|:|.}}{{#if:Semiconductor device using buried oxide layer as optical wave guides| Semiconductor device using buried oxide layer as optical wave guides.}}{{#if:| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:2007-11-15Yoshiaki Shimooka|,}}}}{{#if:2007-11-15|{{#if:| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Yoshiaki Shimooka|,}}}}{{#if:| Anmelder: {{{Anmelder}}}{{#if:Yoshiaki Shimooka|,}}}}{{#if:Yoshiaki Shimooka| Erfinder: Yoshiaki Shimooka}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:2007-11-15Yoshiaki Shimooka|.}}}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> Silizium ist bei Wellenlängen größer 1.100 nm transparent. Dadurch kann es bei gängigen Wellenlängen in der optischen Kommunikation als Lichtwellenleiter eingesetzt werden.<ref>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:EP|0|1}} or {{#if:2469596|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:EP||„Land“{{#if:2469596|| und }}}}{{#if:2469596||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|EP2469596|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =EP2469596 | WIPO = EP2469596 | Google = EP2469596 | #default =EP2469596 }}}}{{#if:Leuchtmodul für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit auf einem Siliziumsubstrat angeordneten Halbleiterlichtquellen2012-06-27Martin Gottheil, Michael Hiegler|:|.}}{{#if:Leuchtmodul für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit auf einem Siliziumsubstrat angeordneten Halbleiterlichtquellen| Leuchtmodul für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit auf einem Siliziumsubstrat angeordneten Halbleiterlichtquellen.}}{{#if:| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:2012-06-27Martin Gottheil, Michael Hiegler|,}}}}{{#if:2012-06-27|{{#if:| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Martin Gottheil, Michael Hiegler|,}}}}{{#if:| Anmelder: {{{Anmelder}}}{{#if:Martin Gottheil, Michael Hiegler|,}}}}{{#if:Martin Gottheil, Michael Hiegler| Erfinder: Martin Gottheil, Michael Hiegler}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:2012-06-27Martin Gottheil, Michael Hiegler|.}}}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> Silizium hat im nahen Infrarot einen Brechungsindex von etwa 3,5, wohingegen der Brechungsindex von Siliziumdioxid nur etwa 1,5 beträgt. Daher ist es möglich, in einer strukturierten Siliziumschicht einer SOI-Struktur durch Totalreflexion Licht zu führen. 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Literatur
- Jean-Pierre Colinge: Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI. Springer, 1991, ISBN 978-0-7923-9150-0.
- {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
Weblinks
- AMD & SOI (Silicon on insulator) Special. Auf: AMDboard.com (zuletzt geprüft am 27. Februar 2008) – Informationen über die Entwicklung der SOI-Technik.
Einzelnachweise
<references />
- Seiten mit defekten Dateilinks
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:URL
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:Linktext
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:Datum
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:"
- Wikipedia:Weblink offline fix-attempted
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Toter Link
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Toter Link/URL fehlt
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