سيليكون على عازل

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

في صناعة أشباه الموصلات ، تُستخدم تقنية السيليكون على العازل ( SOI ) لتصنيع أجهزة أشباه موصلات السيليكون على ركيزة متعددة الطبقات من السيليكون والعازل والسيليكون ، وذلك لتقليل السعة الطفيلية داخل الجهاز، وبالتالي تحسين الأداء. [ 1 ] تختلف الأجهزة القائمة على تقنية SOI عن الأجهزة التقليدية المصنوعة من السيليكون في أن وصلة السيليكون تقع فوق عازل كهربائي ، عادةً ما يكون ثاني أكسيد السيليكون أو الياقوت (تُسمى هذه الأنواع من الأجهزة بالسيليكون على الياقوت ، أو SOS). يعتمد اختيار العازل بشكل كبير على التطبيق المقصود، حيث يُستخدم الياقوت لتطبيقات الترددات الراديوية (RF) عالية الأداء والتطبيقات الحساسة للإشعاع، بينما يُستخدم ثاني أكسيد السيليكون لتقليل تأثيرات القناة القصيرة في أجهزة الإلكترونيات الدقيقة الأخرى. [ 2 ] كما تختلف طبقة العزل وطبقة السيليكون العلوية اختلافًا كبيرًا باختلاف التطبيق. [ 3 ]

احتياجات الصناعة

تُعدّ تقنية SOI إحدى استراتيجيات التصنيع العديدة التي تسمح بمواصلة تصغير الأجهزة الإلكترونية الدقيقة ، والتي يُشار إليها عامةً باسم "تمديد قانون مور " (أو "المزيد من مور"، ويُختصر إلى "MM"). تشمل المزايا المُبلغ عنها لتقنية SOI مقارنةً بمعالجة السيليكون التقليدية ( CMOS ): [ 4 ]

  • انخفاض السعة الطفيلية نتيجة للعزل عن السيليكون الأساسي ، مما يحسن استهلاك الطاقة مع الحفاظ على الأداء المتطابق
  • مقاومة للالتصاق بسبب العزل الكامل لهياكل البئر n و p
  • أداء أعلى عند جهد VDD مكافئ . يمكن أن يعمل عند جهد VDD منخفض [ 5 ]
  • انخفاض الاعتماد على درجة الحرارة بسبب عدم وجود شوائب
  • إنتاجية أفضل بفضل الكثافة العالية، واستخدام أفضل للرقاقة
  • مشاكل الهوائي المخفّضة
  • لا حاجة إلى صنابير للجسم أو الآبار
  • انخفاض تيارات التسريب نتيجة للعزل، وبالتالي كفاءة طاقة أعلى
  • مقاومة للإشعاع بطبيعتها (مقاومة للأخطاء العابرة)، مما يقلل الحاجة إلى التكرار

من منظور التصنيع، تتوافق ركائز السيليكون على العازل (SOI) مع معظم عمليات التصنيع التقليدية. وبشكل عام، يمكن تطبيق عملية تصنيع تعتمد على تقنية SOI دون الحاجة إلى معدات خاصة أو إعادة تجهيز كبيرة للمصنع القائم. ومن بين التحديات الفريدة لتقنية SOI متطلبات القياس الجديدة لمراعاة طبقة الأكسيد المدفونة، والمخاوف المتعلقة بالإجهاد التفاضلي في طبقة السيليكون العلوية. يعتمد جهد العتبة للترانزستور على تاريخ التشغيل والجهد المطبق عليه، مما يجعل عملية النمذجة أكثر صعوبة. يتمثل العائق الرئيسي أمام تطبيق تقنية SOI في الزيادة الكبيرة في تكلفة الركيزة، والتي تُساهم بنسبة تتراوح بين 10 و 15% في إجمالي تكاليف التصنيع. [ 6 ] وقد نُظر إلى تقنية FD-SOI (السيليكون المستنفد بالكامل على العازل) كبديل محتمل منخفض التكلفة لتقنية FinFET. [ 7 ]

ترانزستورات SOI

ترانزستور MOSFET ذو طبقة أكسيد معدني على ركيزة ( SOI) هو جهاز MOSFET يتكون من طبقة شبه موصلة ، مثل السيليكون أو الجرمانيوم، على طبقة عازلة، قد تكون طبقة أكسيد مدفونة (BOX) مُشكّلة في ركيزة شبه موصلة. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] تُستخدم أجهزة MOSFET ذات طبقة أكسيد معدني على ركيزة (SOI) في صناعة الحواسيب. ويمكن استخدام طبقة الأكسيد المدفونة في تصميمات ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM ). [ 11 ] يوجد نوعان من أجهزة SOI: ترانزستورات PDSOI (SOI مُستنفدة جزئيًا) وترانزستورات FDSOI (SOI مُستنفدة كليًا). في ترانزستور PDSOI من النوع P، تكون طبقة النوع n المحصورة بين أكسيد البوابة (GOX) والأكسيد المدفون (BOX) كبيرة، لذا لا تغطي منطقة الاستنزاف كامل منطقة n. لذلك، يتصرف ترانزستور PDSOI إلى حد ما مثل ترانزستور MOSFET التقليدي . من الواضح أن هناك بعض المزايا مقارنةً بترانزستورات MOSFET التقليدية. يتميز غشاء FDSOI برقة فائقة، مما يجعل منطقة الاستنزاف تغطي كامل منطقة القناة. في FDSOI، تتحمل البوابة الأمامية (GOX) شحنات استنزاف أقل من الترانزستور التقليدي، مما يؤدي إلى زيادة شحنات الانعكاس وبالتالي سرعات تبديل أعلى. يؤدي تقييد شحنة الاستنزاف بواسطة طبقة أكسيد مدفونة (BOX) إلى كبح سعة الاستنزاف، وبالتالي تقليل كبير في تأرجح ما تحت العتبة، مما يسمح لترانزستورات FDSOI بالعمل عند جهد بوابة أقل، وبالتالي استهلاك طاقة أقل. يمكن أن يصل تأرجح ما تحت العتبة إلى الحد الأدنى النظري لترانزستور MOSFET عند 300 كلفن، وهو 60 ملي فولت/عقد. وقد تم إثبات هذه القيمة المثالية لأول مرة باستخدام المحاكاة العددية. [ 12 ] [ 13 ] كما يتم تقليل العيوب الأخرى في ترانزستورات MOSFET التقليدية، مثل انخفاض جهد العتبة، في FDSOI نظرًا لعدم تداخل المجالات الكهربائية للمصدر والمصب بفضل طبقة BOX. تكمن المشكلة الرئيسية في تقنية PDSOI في " تأثير الجسم العائم (FBE)" لأن الفيلم غير متصل بأي من مصادر الإمداد.

تصنيع رقائق السيليكون على العازل (SOI)

عملية سيموكس
عملية القطع الذكية

SiOيمكن إنتاج رقائق السيليكون على العازل (SOI) القائمة على 2- بعدة طرق:

  • تقنية SIMOX - الفصل عن طريق زرع الأكسجين - تستخدم عملية زرع شعاع أيونات الأكسجينمتبوعة بالتلدين بدرجة حرارة عالية لإنشاء طبقة SiO مدفونةطبقتان . [ 14 ] [ 15 ]
  • ربط الرقاقات [ 16 ] [ 17 ] – تتشكل الطبقة العازلة عن طريق ربط السيليكون المؤكسد مباشرةً بركيزة ثانية. ثم تُزال غالبية الركيزة الثانية، وتشكل البقايا طبقة السيليكون العلوية.
    • من الأمثلة البارزة على عمليات ربط الرقاقات طريقة القطع الذكي التي طورتها شركة Soitec الفرنسية ، والتي تستخدم زرع الأيونات متبوعًا بتقشير مُتحكم به لتحديد سُمك طبقة السيليكون العلوية. ومن الطرق المبكرة الأخرى طريقة ربط وحفر السيليكون على العازل (BESOI)، والتي تتضمن ربط رقاقة مؤكسدة برقاقة أخرى، ثم حفر إحدى الرقاقات لتشكيل طبقة رقيقة من السيليكون فوق الأكسيد. [ 18 ]
    • تقنية NanoCleave هي تقنية طورتها شركة Silicon Genesis Corporation، وتعمل على فصل السيليكون عن طريق الإجهاد عند السطح البيني بين السيليكون وسبائك السيليكون والجرمانيوم . [ 19 ]
    • ELTRAN هي تقنية طورتها شركة Canon تعتمد على السيليكون المسامي ونسبة الماء. [ 20 ]
  • طرق البذور [ 21 ] - حيث تُنمى الطبقة العلوية من السيليكون مباشرةً على العازل. تتطلب طرق البذور نوعًا من القوالب للنمو المتجانس، والذي يمكن تحقيقه عن طريق المعالجة الكيميائية للعازل، أو عازل بلوري موجه بشكل مناسب، أو عن طريق فتحات عبر العازل من الركيزة الأساسية.

يمكن الاطلاع على مراجعة شاملة لعمليات التصنيع المختلفة هذه في المرجع [ 1 ].

الاستخدام في صناعة الإلكترونيات الدقيقة

بدأت شركة IBM باستخدام تقنية SOI في معالج PowerPC-AS المتطور RS64-IV "Istar" عام 2000. ومن الأمثلة الأخرى على المعالجات الدقيقة المبنية على تقنية SOI معالجات AMD أحادية وثنائية ورباعية وسداسية وثمانية النوى بتقنيات 130  نانومتر، و90  نانومتر، و65 نانومتر  ، و45  نانومتر، و32 نانومتر منذ عام 2001. [ 22 ] اعتمدت شركة Freescale تقنية SOI في معالج PowerPC 7455 الخاص بها في أواخر عام 2001، وتُشحن Freescale حاليًا منتجات SOI بتقنيات 180 نانومتر، و130 نانومتر، و90 نانومتر، و45 نانومتر. [ 23 ] كما تستخدم معالجات PowerPC و Power ISA بتقنية 90 نانومتر ، المستخدمة في أجهزة Xbox 360 و PlayStation 3 و Wii ، تقنية SOI أيضًا. مع ذلك، لا تزال منتجات إنتل المنافسة تستخدم تقنية CMOS التقليدية لكل عقدة معالجة، وتركز بدلاً من ذلك على تقنيات أخرى مثل HKMG وترانزستورات البوابات الثلاثية لتحسين أداء الترانزستور. في يناير 2005، نشر باحثو إنتل تقريرًا عن ليزر رامان تجريبي أحادي الشريحة مصنوع بتقنية SOI باستخدام دليل موجي من السيليكون. [ 24 ]      

أما بالنسبة للمصانع التقليدية، فقد ادعت شركة TSMC في يوليو 2006 أنه لا يوجد عميل يريد تقنية SOI، [ 25 ] لكن شركة Chartered Semiconductor خصصت مصنعًا كاملاً لتقنية SOI. [ 26 ]

يُستخدم في تطبيقات الترددات الراديوية عالية الأداء

في عام 1990، بدأت شركة بيرغرين سيميكوندكتور بتطوير تقنية تصنيع السيليكون على العازل (SOI) باستخدام  عقدة CMOS قياسية بحجم 0.5 ميكرومتر وركيزة ياقوت محسّنة. وتُستخدم عملية تصنيع السيليكون على الياقوت (SOS) الحاصلة على براءة اختراع على نطاق واسع في تطبيقات الترددات اللاسلكية عالية الأداء. وتتيح المزايا الجوهرية لركيزة الياقوت العازلة عزلًا عاليًا، وخطية عالية، ومقاومة للتفريغ الكهروستاتيكي (ESD). كما طبّقت العديد من الشركات الأخرى تقنية SOI بنجاح في تطبيقات الترددات اللاسلكية في الهواتف الذكية وأجهزة الراديو الخلوية. [ 27 ]

يُضفي العزل الكهربائي الفائق لركائز السيليكون على العازل (SOI) أهميةً بالغةً لهذه التقنية في مجموعة واسعة من مكونات الترددات اللاسلكية الحديثة. وهذا يُتيح تطوير دوائر متكاملة وفعّالة وخطية للغاية، تُعدّ أساسيةً لأنظمة الاتصالات المتقدمة. تشمل التطبيقات الرئيسية التي تستفيد من هذه المزايا: موجهات الموجات اللاسلكية لشبكات الجيل الخامس والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ، ومضخمات ومستقبلات الترددات اللاسلكية عالية الخطية لتطبيقات السيارات والواقع الافتراضي، ومرشحات الترددات اللاسلكية المدمجة والقابلة للضبط لأجهزة الجيل القادم اللاسلكية . [ 28 ] كما تُسهم قدرة هذه التقنية على دمج مكونات ترددات لاسلكية متعددة على شريحة واحدة في دعم التوجه الحالي نحو أنظمة اتصالات لاسلكية أكثر دمجًا وتعددًا في الوظائف.

الاستخدام في مجال الفوتونيات

تُستخدم رقائق السيليكون على العازل (SOI) على نطاق واسع في مجال الفوتونيات السيليكونية . [ 29 ] يمكن استخدام طبقة السيليكون البلورية على العازل لتصنيع الموجهات الضوئية وغيرها من الأجهزة البصرية، سواءً كانت سلبية أو نشطة (مثلًا من خلال عمليات زرع مناسبة). يُمكّن العازل المدفون من انتشار ضوء الأشعة تحت الحمراء في طبقة السيليكون بناءً على الانعكاس الداخلي الكلي. يمكن ترك السطح العلوي للموجهات مكشوفًا ومعرضًا للهواء (مثلًا لتطبيقات الاستشعار)، أو تغطيته بغلاف، مصنوع عادةً من السيليكا. [ 30 ]

العيوب

تتمثل أبرز عيوب تقنية SOI مقارنةً بصناعة أشباه الموصلات التقليدية في ارتفاع تكلفة التصنيع. [ 31 ] وحتى عام 2012، كانت شركتا IBM وAMD هما الوحيدتان اللتان استخدمتا تقنية SOI كأساس للمعالجات عالية الأداء، بينما استخدمت الشركات المصنعة الأخرى (إنتل، TSMC، غلوبال فاوندريز، وغيرها) رقائق السيليكون التقليدية لبناء رقائق CMOS الخاصة بها . [ 31 ]

سوق SOI

اعتبارًا من عام 2020، توقعت مجموعة أبحاث السوق المستقبلية أن ينمو السوق الذي يستخدم عملية SOI بنسبة 15% تقريبًا خلال السنوات الخمس القادمة. [ 32 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 سيلر، جي كي؛ كريستولوفينو، إس. (2003). "آفاق السيليكون على العازل". مجلة الفيزياء التطبيقية . 93 (9): 4955. Bibcode : 2003JAP....93.4955C . doi : 10.1063/1.1558223 .
  2. ↑ مارشال، أندرو؛ ناتاراجان، سريدهار (2002). تصميم SOI: تقنيات تناظرية وذاكرة ورقمية . كلوير. ISBN 0-7923-7640-4.
  3. ↑ كولينج، جان بيير (1991). تقنية السيليكون على العازل: من المواد إلى الدوائر المتكاملة واسعة النطاق . سبرينغر. ISBN 978-0-7923-9150-0.
  4. ↑ مينديز، هوراسيو (أبريل 2009). "تقنية السيليكون على العازل - SOI والنظام البيئي - تطبيقات SOI الناشئة" (ملف PDF) . اتحاد صناعة SOI.
  5. ↑ كوديتي، نارايان م. (أكتوبر 2010). "تنفيذ السيليكون على العازل (SOI)" (ملف PDF) . ورقة بيضاء . إنفوتك. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 18 أبريل 2013.
  6. ↑ "شركة آي بي إم تروج لتقنية تصنيع الرقائق" . cnet.com . 29 مارس 2001. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2018 .
  7. ↑ "سامسونج، الطابق الأرضي، رامب إف دي-إس أو آي" . 27 أبريل 2018.
  8. ↑ US 6835633 ، "رقائق SOI ذات طبقة أكسيد مدفونة بسمك 30-100 أنجستروم، تم إنشاؤها عن طريق ربط الرقائق باستخدام طبقة أكسيد رقيقة بسمك 30-100 أنجستروم كطبقة ربط" 
  9. ↑ US 7002214 ، "أجهزة FET ذات جسم فائق الرقة وبئر رجعي شديد الانحدار (SSRW)" 
  10. ↑ يانغ-كيو تشوي؛ أسانو، ك.؛ ليندرت، ن.؛ سوبرامانيان، ف.؛ تسو-جاي كينغ؛ بوكور، ج.؛ تشنمينغ هو (مايو 2000). "ترانزستور MOSFET ذو بنية رقيقة للغاية من السيليكون على العازل (SOI) لعصر ما دون عُشر الميكرون" (ملف PDF) . رسائل أجهزة الإلكترونيات IEEE . 21 (5): 254-255 . doi : 10.1109/IEDM.1999.824298 . S2CID 43561939 . 
  11. ↑ يصف براءة الاختراع الأمريكية رقم 7138685 ، بعنوان "خلية ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة ذات الترانزستور MOSFET العمودي"، هياكل أكسيد مدفون (BOX) بتقنية SOI وطرق تنفيذ هياكل SOI BOX المحسّنة. 
  12. ↑ باليسترا، ف. (1985). توصيف ومحاكاة ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون على العازل مع التحكم في الجهد الخلفي (أطروحة دكتوراه). المعهد الوطني للعلوم التطبيقية - غرونوبل.
  13. ↑ باليسترا، ف. (2016). "1.5 تحديات تشغيل أجهزة أشباه الموصلات منخفضة الطاقة للغاية" . في: لوري، س.؛ شو، ج.؛ زاسلافسكي، أ. (محررون). الاتجاهات المستقبلية في الإلكترونيات الدقيقة - رحلة إلى المجهول . وايلي. ص 69-81 . doi : 10.1002/9781119069225.ch1-5 . ISBN  978-1-119-06922-5.
  14. ↑ US 5888297 ، أتسوكي أوغورا، "طريقة تصنيع ركيزة SOI"، صدرت في 30 مارس 1999 
  15. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 5061642 ، هيروشي فوجيوكا، "طريقة تصنيع أشباه الموصلات على العازل"، صدرت بتاريخ 29 أكتوبر 1991 
  16. ↑ تونغ، كيو-واي؛ غوسيل، يو. (1998). ربط رقائق أشباه الموصلات: العلم والتكنولوجيا . وايلي. ISBN 978-0-471-57481-1.
  17. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 4771016 ، باجور، جورج وآخرون ، "استخدام عملية حرارية سريعة لتصنيع أشباه موصلات SOI ملتصقة بالرقاقة"، صدرت بتاريخ 13 سبتمبر 1988 
  18. ↑ "مقارنة رقائق السيليكون على العازل (SOI) برقائق السيليكون: ما هو الأفضل لمشروع أشباه الموصلات الخاص بك؟" . www.samaterials.com . تاريخ الاطلاع: 19 ديسمبر 2025 .
  19. ↑ "SIGEN.COM" . www.sigen.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2018 .
  20. ↑ يونيهارا، ت؛ ساكاغوتشي، ك. "تقنية رقائق السيليكون على العازل المبتكرة ELTRAN®" (ملف PDF) . مجلة Cutting Edge 2. كانون.
  21. ↑ US 5417180 
  22. ↑ فريس، هانز دي. "مهندس الرقائق: الكشف عن عمليات تصنيع 130 نانومتر من إنتل وموتورولا/إيه إم دي" . chip-architect.com . تاريخ الاسترجاع: 22 أبريل 2018 .
  23. ↑ "أشباه موصلات NXP - السيارات، الأمن، إنترنت الأشياء" . www.freescale.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2018 .
  24. ↑ رونغ، هايشنغ؛ ليو، أنشنغ؛ جونز، ريتشارد؛ كوهين، أوديد؛ هاك، داني؛ نيكولايسكو، ريموس؛ فانغ، ألكسندر؛ بانيكيا، ماريو (يناير 2005). "ليزر رامان مصنوع بالكامل من السيليكون" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 433 (7042): 292-294 . doi : 10.1038/nature03723 . PMID 15931210. S2CID 4423069 .  
  25. ↑ «لا يوجد طلب من العملاء على تقنية SOI لدى شركة TSMC» . فاب تك: المصدر الإلكتروني للمعلومات لمتخصصي أشباه الموصلات. مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 سبتمبر 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2018 .
  26. ↑Chartered expands foundry market access to IBM's 90nm SOI technology
  27. ↑Madden, Joe. "Handset RFFEs: MMPAs, Envelope Tracking, Antenna Tuning, FEMs, and MIMO"(PDF). Mobile Experts. Archived from the original(PDF) on 4 March 2016. Retrieved 2 May 2012.
  28. ↑"Silicon on Insulator (SOI) Technology and Its Application Prospects". Sputtering Targets Supplier | Stanford Advanced Materials. 2025-01-22. Retrieved 2025-11-21.
  29. ↑Reed, Graham T.; Knights, Andrew P. (5 March 2004). Silicon Photonics: An Introduction. Wiley. ISBN 978-0-470-87034-1. Retrieved 22 April 2018– via Google Books.
  30. ↑Rigny, Arnaud. "Silicon-on-Insulator Substrates: The Basis of Silicon Photonics". Photonics.com. Retrieved 7 May 2023.
  31. 12McLellan, Paul. "Silicon on Insulator (SOI)". Semiwiki. Retrieved 2021-03-07.
  32. ↑Future, Market Research (2021-02-17). "Silicon on Insulator (SoI) Market is Anticipated to Surpass USD 2.40 Billion By 2026 | APAC Region to Remain Forerunner in Global Silicon on Insulator Industry". GlobeNewswire News Room (Press release). Retrieved 2021-03-07.
  • SOI Industry Consortium - a site with extensive information and education for SOI technology
  • SOI IP portal - A search engine for SOI IP
  • AMDboard - a site with extensive information regarding SOI technology
  • Advanced Substrate News - a newsletter about the SOI industry, produced by Soitec
  • MIGAS '04 - The 7th session of MIGAS International Summer School on Advanced Microelectronics, devoted to SOI technology and devices
  • MIGAS '09 - 12th session of the International Summer School on Advanced Microelectronics: "Silicon on Insulator (SOI) Nanodevices"