Was ist SOI?

SOI ist die Abkürzung fürSilizium-auf-IsolatorWörtlich bedeutet es „Silizium auf einem Isolator“. In der Praxis besteht der Aufbau darin, dass sich auf dem Siliziumwafer eine ultradünne Isolierschicht, beispielsweise SiO₂, befindet, auf der anschließend eine dünne Siliziumschicht aufgebracht wird. Dieser Aufbau trennt die aktive Siliziumschicht vom Siliziumsubstrat. Bei einem herkömmlichen Siliziumprozess hingegen wird der Chip direkt auf dem Siliziumsubstrat ohne Isolierschicht hergestellt.

SOI-WaferEs besteht aus drei wesentlichen Strukturschichten: einer einkristallinen Silizium-Bauelementschicht, einer Siliziumdioxid-Isolierschicht (dem vergrabenen Oxid oder BOX) und einem Siliziumsubstrat. Zusammen bilden diese drei Schichten eine unabhängige und stabile elektrische Umgebung, wobei jede Schicht ihre eigene Funktion erfüllt und gleichzeitig synergistisch zusammenwirkt, um die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Die oberste Silizium-Einkristallschicht (typischerweise etwa 5 nm bis 2 μm dick) bildet den Kernbereich, in dem Transistoren und andere aktive Bauelemente gefertigt werden. Ihre ultradünne Struktur ist eine entscheidende Grundlage für die Verbesserung der Bauelementleistung und die Ermöglichung kontinuierlicher Skalierung.

Die mittlere, vergrabene Oxidschicht (BOX-Schicht) dient der elektrischen Isolation. Diese Siliziumdioxidschicht, üblicherweise 5 nm bis 2 μm dick, unterbindet wirksam die elektrische Kopplung zwischen der Bauelementschicht und dem darunterliegenden Substrat durch physikalische und chemische Isolationsmechanismen.

Das untere Siliziumsubstrat sorgt hauptsächlich für strukturelle Steifigkeit und mechanische Stabilität und gewährleistet so die Zuverlässigkeit des Wafers während der Fertigung und des anschließenden Betriebs. Seine Dicke liegt üblicherweise zwischen 200 μm und 700 μm und bietet ausreichende mechanische Stabilität unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit und der Anwendungsanforderungen.

Hauptvorteile von SOI-Wafern
1. Höhere Geschwindigkeit

• Durch eine unter den Bauelementen liegende Oxidschicht sind die Transistoren vom Siliziumsubstrat isoliert. Dies reduziert die parasitäre Kapazität, beschleunigt das Schalten und macht SOI ideal für Hochgeschwindigkeitslogik- und HF-Schaltungen.

2. Geringerer Stromverbrauch

• Eine geringere Kapazität bedeutet niedrigere Lade- und Entladeverluste.
• Weniger Leckströme führen zu einem geringeren Standby-Stromverbrauch (statischer Stromverbrauch) und machen das System somit energieeffizienter.

3. Bessere Isolation

• Jedes Bauelement sitzt auf einer Oxidschicht, wodurch elektrische Störungen zwischen den Bauelementen deutlich reduziert werden. Dies verbessert die Stabilität bei der Integration von analogen und digitalen Schaltungen, Energiemanagementeinheiten und HF-Modulen auf demselben Chip.

4. Verbesserte Strahlungs- und Hochtemperaturtoleranz

• Strahlungsinduzierte Ladungen breiten sich weniger wahrscheinlich durch das Substrat aus, wodurch SOI-Bauelemente in Umgebungen mit hoher Strahlung, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, sicherer und zuverlässiger sind.
• Der Anstieg des Leckstroms bei hohen Temperaturen ist weniger ausgeprägt, was für Anwendungen in der Automobilelektronik und der industriellen Steuerungstechnik von Vorteil ist.

5. Günstig für weitere Skalierung

• Durch die Verwendung einer sehr dünnen Siliziumschicht an der Oberseite und einer darunterliegenden Oxidschicht lassen sich Kurzkanaleffekte besser kontrollieren, wodurch ein stabiles Geräteverhalten auch bei immer kleiner werdenden Prozessknoten leichter aufrechterhalten werden kann.

Die SOI-Technologie findet bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen Verwendung. In der Unterhaltungselektronik wird sie in den HF-Frontend-Modulen von Smartphones, beispielsweise in 5G-Filtern, eingesetzt. In der Automobilelektronik bietet sie eine stabile Prozessplattform für Radarchips im Fahrzeug. In der Luft- und Raumfahrt wird sie in hochzuverlässigen Satellitenkommunikationsgeräten verwendet. In der Medizintechnik unterstützt SOI die Entwicklung und Implementierung implantierbarer medizinischer Sensoren und verschiedener Arten von energiesparenden Überwachungschips.

Unser Unternehmen bietet kundenspezifische Projekte für einkristalline Silizium-Trägerwafer an:

• Siliziumsubstratdicke: 100 μm / 300 μm / 400 μm / 500 μm / 625 μm und darüber

• SiO₂-Schichtdicke: von 100 nm bis 10 μm

• Aktive Siliziumschicht: ≥ 20 nm