Plnou parou vpred, Silicon on Insulator na obzore!
Seznam kapitol
Slovensky AMD zo svojím Hammerom už pretvoril svoju výrobu procesorov na technológiu Silicon-on-Insulator. IBM už dlhšiu dobu s touto technológiou pracuje a tiež si nesťažuje. Prečo si však Intel môže dovoliť isť inou cestou ako cez SOI, keď pomocou tejto smerodajnej technológie môže zvýšiť až o 30% výkonnosť procesora pri rovnakej architektúre?
Taktovacia frekvencia procesorov je a ostáva najdôležitejším marketingovým nástrojom. Všeobecne je síce známe, že architektúra ma oveľa väčšie dôsledky na výkonnosť, ale je to práve taktovací kmitočet, ktorý určuje výber zákazníka. Aby procesory mohli dosahovať vyššie a vyššie frekvencie, prichádzajú výrobcovia už približne dva roky s technológiu zvanou SOI.
Silicon-on-Insulator (SOI) využíva ponorenú oxidovú vrstvu na úplnú elektrickú izoláciu každého jedného stavebného prvku integrovaného obvodu. Táto technológia na báze silikónu stojí už tri desaťročia v šuflíkoch výrobcov a konečne až teraz prichádza k jej použitiu vo výrobe.
Prvým signálom, že sa niečo deje bolo vyhlásenie AMD v druhej polovici roku 2002, že nové 64-Bit-Hammer-procesory budú vyrábané pomocou SOI-Technologie. Oveľa zaujímavšia je však pozícia firmy Intel, ktorá koncom novembra 2001 signalizovala, že nevedie žiadna cesta okolo SOI a pritom ju teraz nepriamo ignoruje. Ostatní výrobcovia ako IBM, HP a Motorola začali v poslednej dobe tiež prechádzať z obyčajnej Bulk-Technologie na SOI.
A prečo? Dôvod je jasný - pomocou aplikovania SOI-Technologie môže výrobca efektívne zvýšiť výpočtový výkon, znížiť stratový výkon a hlavne odbúrať problémy zabraňujúce potrebnej skalárnosti výkonu, ktorej zatiaľ zabraňujú momentálne používané stavebne prvky.
SOI- Materiály
Obyčajné CMOS- silikonové technológie sú označované aj ako vaňové technológie (Bulk Technologies). Obidva typy tranzistorov - NMOS- a PMOS- tranzistor sú postavené v nízkom území a to vždy komplementárne.
Pri bežných CMOS- Silikonových technológiách je vždy použitý p-substrát, v ktorom je bezprostredne realizovaný NMOS- tranzistor. Pre PMOS- tranzistor sa implantuje ešte prídavná vanička.
Na obrázku sa používa jeden p-Substrát, v ktorom je realizovaný NMOS- Tranzistor. Pre PMOS- Tranzistor sa pridáva ešte jedna n-vaňa. Izolácia oboch vaní v oblasti nastáva cez uzavretý smer zapnutého PN - diódového prechodu medzi Substrátom a Vaňou (junction insulation).
Pre to musí byť zaistené, že potenciál N- vane je vždy pod p-Substrátom. To je umožnené prepojením území s úrovňou vyrovnávacieho napätia vane, alebo kontaktov substraktu. Moderná polovodičová technológia musí nasadzovať kaskádovité vane, tak že procesy s dvomi alebo tromi vaňami našli taktiež svoje uplatnenie (twin well / triple well).
O čo ide v SOI?
V protiklade k tomuto postupu sú stavebné prvky v SOI -Technológie postavené v jednom tenkom silikónovom filme a to na jednom zapustenom izolante. Týmto sa dosiahne úplná elektrická izolácia každého stavebného prvku integrovaného obvodu.
Dobre izolovaný: Toto je základný stavebný prvok Technológie SOI.
Z tohto výrobného princípu vychádza rad kladov a záporov, ktoré budú diskutované v ďalšej časti, ale najprv v skratke predstavím výrobné procesy.
CMOS
Complimentary Metal Oxide Semiconductor. Používa v kombinácii PMOS- a NMOS- Tranzistory . Z toho vychádza menšia spotreba OHMOV ako pri čistej PMOS- alebo NMOS- Implementácii.
SOI - výroba pomocou SIMOX
Výroba izolantu začína skôr ako výroba procesora. Pre výrobu takýchto SOI- oplátok z obyčajne polarizovaných silikónových oplátok máme k dispozícii viaceré metódy. Za pozornosť stoja iba tieto tri technológie SIMOX, Bonding a Smart-Cut metoda.
Pri Separation-by-Implantation-of-Oxygen-(SIMOX)- metóde sú Kyslíkové - Ióny nastreľované do silikonovéj oplátky. Po následnom zahriatí na 1350°C sa v hĺbke vytvára jedna uzavretá silikonovo oxidová vrstva. Nevýhodou sú neprimerané náklady na vysoko napäťové implantéri a výkonné pece.
SOI - ostatné metódy
Bonding: Pri oplátkovej - metóde sú dve povrchovo - oxidované oplátky spojené pomocou lepiaceho procesu dohromady. Následne je jedna strana zbrúsená až do požadovanej hrúbky aktívnej vrstvy. Z tohto dôvodu je cena tejto metódy minimálne dvojnásobná ako u bežnej silikonovéj metódy.
Smart-Cut-metóda: Používa na začiatku výroby taktiež dve povrchovo-oxidové oplátky. Z týchto sa po rozdelení jednej H+ - Implantácii môže použiť len jedna. Táto metóda nevyžaduje vysoké výrobné náklady, čo zaisťuje dobré predpoklady pre komerčné využitie. Ale ostatné pracovné postupy voči nej majú menšiu výhodu, ktorou je skúsenosť získaná počas niekoľkoročnej práce s nimi.