Plnou parou vpred, Silicon on Insulator na obzore! | Kapitola 2

Výroba  tranzistorov pomocou SOI-Technológie ma nasledovné výhody:

• Relatívna prúdová schopnosť tranzistorov stúpa podstatným znížením emitorovej a kolektorovej kapacity. Táto ovplyvňuje v obyčajných technológiách uzavretých vrstvách izolantu časové meškanie jednej gate.
• Taktiež môžu byť parazitné kapacity medzi spodnou vrstvou a substrátom znížené o 20 percent. SOI zároveň zosilňuje vplyv a vlastnosti súvisiace s použitím medených spojov.
• V dôsledku výpadového chovania tranzistora môže byť zvolené správne prahové napätie.
• Týmto sa  pri nezmenených parametroch  zvyšujú vlastnosti ako prúd nasýtenia či synchrónna frekvencia.
• Alternatívne môže byť pri nezmenenom výkone zredukované zásobovacie napätie, čo je výhodné najmä pre trh s batériovo pracujúcimi zariadeniami.

Prahové napätie u tranzistora môže byť používané oveľa variabilnejšie, pretože sú tranzistory realizované v jednej silikónovej vrstve. Toto je technológia používaná firmou IBM, pomocou ktorej nastavuje kritickú hranicu prahového napätia pri návrhu tranzistorov. Zvýšenie tzv. prierazného prúdu je pritom tolerované  kvôli tomu,  že väčšinou postihuje len malý počet tranzistorov. Pre podobnú metódu by musela obyčajná technológia zvýšiť náklady na každú vaňu aspoň o 50 percent.

Pro experty: Čiastočne alebo úplne ochudobnené? Jeden dôležitý faktor pre väčší výkon je vzťah hrubej ochudobnenej vrstvy k aktívnej silikonovéj vrstve. Keď dosiahne ochudobnenie vrstvy izolantu určitú hranicu, hovoríme o úplne ochudobnenom (Fully Depleted - FD) stavebnom prvku. Keď to nie je tento prípad tak hovoríme o čiastočné ochudobnenom (Partially Depleted - PD)stavebnom prvku. i Zdroj: PCTuning.cz Výzva pri čiastočne ochudobnenom stavebnom prvku je v tom,  že ešte nemá určený potenciál. Hovoríme o plávajúcom tele (Floating Body FB). Toto v najlepšom prípade vedie k úrovni, v ktorej východisková čiara MOS- Tranzistora má aspoň jedno určené Kolektorove-Emitorové – napätie. Zatiaľ čo elektróny odtekajú cez kolektor, diery sa pohybujú smerom k miestu najmenšieho potenciálu. Pri NMOS- Tranzistore je táto emitorová strana okraja na ochudobnenom území filmu  pod bázou. Tam môžu diery prekonať potenciálovú bariéru pn- priechodu a zhromaždiť sa vo filmovom území, ktorého potenciál sa kvôli tomu zvýši. Týmto sa zmenšuje ochudobnený náboj v oblasti kanála a kolektorové napätie stúpa. Nebezpečenstvo Latch-up Teraz je stúpanie kolektorového prúdu pre digitálne zapojenie pozitívne, keďže vedie k zvýšenému výkonu tranzistora. Ale pri druhom pohľade bude táto problematika zrejmá. Pretože diery vniknuté do filmovej oblasti môžu viesť k bázovému (základnému) napätiu pre parazitný bipolárny tranzistor. Keď je prúdové zosilnenie väčšie ako jedna, tak to vedie k väčšiemu emitoro- kolektorového prúdu, ktorý vedie zase k prídavnému bázovému prúdu. i Zdroj: PCTuning.cz Táto pozitívna spätná spojitosť môže viesť k "Single Transistor Latch-up". V tomto stave je tranzistor trvanlivo vodivý. Tým sa už nedá kontrolovať pomocou bázy a do pôvodného stavu sa vráti až po odpojení napätia. Pri návrhu MOS- Tranzistora ide o to využiť pozitívne vlastnosti vyššieho výkonu  bez toho aby sme sa dostali do nebezpečia prepnutia. Tu existujú viaceré stanovy: použitie dvoch sériovo zapojených brán zviazania potenciálu filmu s iným potenciálom alebo vyhovujúcim nastavením dimenzií (3-dimenzie výška, šírka, dĺžka) pomocou parametrov tranzistora. i Zdroj: PCTuning.cz IBMs FinFET Úplne ochudobnené stavebné prvky sa takto nesprávajú. Film je ochudobnený cez celú plochu a tým nevzniká ani žiadny parazitný bipolárny tranzistor. Problematické pri výrobe je, že veľkosť filmovej hrúbky je asi 3 nm, keď chceme dosiahnuť predurčený pomer. Toto je však z dôvodu hustoty prúdu a šírky celej wafle (oplátky) momentálne nerealistické.

Vysvetlenie: Oplatky sú základný materiál pre výrobu čipov. Kryštáľová tabula s typickým priemerom 25 až 30 centimetrov, väčšinou z kremíka. Tabula z kryštáľovej tehly má jednotnú prechodovú kryštáľovú mriežku .

Náklady a cena

Jednotlivé technologické obmedzenia SOI- technológie sú postupne prekonávané. Veľa otázok z výťažnosti a spoľahlivosti je už zodpovedaných. Na druhú stranu sú tu stále otázky o kvalite ochudobneného izolantu ako aj kritická veľkosť aktivovanej silikonovéj vrstvy.

Veľkým kritickým bodom je pre SOI-Technologiu stále cena. Dôležitá je najmä cena u začiatočných waflov, ktorá by výrazne klesla pri produkcii vo veľkom množstve.

Priemerne sa však pri produkcii SOI technológiou neočakáva prílišné zdraženie produkcie. Výrobcovia sa koncentrujú už aj  na takúto produkciu, keďže zákazníci sú už pripravení dostatočné vyhodnotiť využívanie jej nesporných technologických výhod.

Záver

SOI-Technologie sú ďalším krokom k zvýšeniu výkonu integrovaných obvodov. SOI môže s ostatnými opatreniami medzi ktoré patrí použitie mede ako metalizačného materiálu, či medzioxidov so zmenšenou permitivitou kombinovaný, bez toho, aby sa zmiernili jednotlivé efekty a výhody samotnej SOI. Cez jednoznačné technické prednosti  SOI až teraz konečne vstupuje do sériovej výroby a to hlavne vďaka firme AMD.

Tým sa vyrieši aj problém vysokých nákladov pri nepatrnom počte kusov. Pri súčasných cenách SIMOX-plátok, ktoré sú ešte štyri až šesť krát tak drahé ako porovnateľný Bulk-plátok, by mala cena klesnúť na faktor tri.

Predsa - a to ukazujú tiež projekty od AMD – vyzerá, že  SOI bude mať komerčný úspech nielen u High-End-procesorov. Okrem  toho by SOI mal bez problémov vedieť preniknúť aj do ostatných produkčných vrstiev.

Na úplný záver možno už len povedať, niet inej cesty ako tej cez SOI!

Zdroje fotomaterialu a informácii: www.amd.com www.ibm.com www.techchannel.de

Špeciálne poďakovanie: Martin Sedlák