1. 何謂SOI?
- SOI 原文是 Silicon on insulator. 它是一種半導體的製程.更完整的英文是 SOI CMOS technology. 它的對應製程是 Bulk CMOS technology. 如同你所預期的是這兩種製程一定各有優缺點. 簡單的說: Bulk CMOS 擁有價格上的優勢而 SOI CMOS 則 Performance 較佳. 目前這兩種製程各有擁護者.
- Bulk CMOS: Intel, TSMC,..
- SOI CMOS: IBM, AMD, Freescale, Chartered Semiconductor,..
- CMOS 就是 complementary MOS, 也就是NMOS/ PMOS.但 CMOS 為何出現在我們這個議題呢? 大家都知道所謂 積體電路 (IC) 是指由 Transistor, Resistor and Capacitor,.. 所組成線路. 這其中的 Transistor 指的是 NMOS/PMOS ( Bipolar的製程 很少). 所以CMOS 是IC 的基本構成元件( elements ). 回到我們的主題. 如何在wafer 上做出 NMOS/PMOS呢?市場上有兩種主流方法(Technology). 分別是傳統的 Bulk CMOS 和 SOI CMOS.
- Bulk CMOS的結構如下頁圖. 簡單的說: IC中所有的元件就從一片矽晶 (wafer)開始使用以下所提及的製程(processes)去做出完整的電路. Bulk 在這應該是ㄧ塊或整塊.它的優點是製程( 相對)單純.
- 在一塊矽晶片上運用技術做出所有的零件 ( component )併加以正確的連結 (connection) 而完成一個電路中所面臨的一個重要問題是元件與元件之間的隔離 (isolation) . 我們知道矽晶本身是半導體非絕緣體它仍然有微弱的導電性.再從結構上來看NMOS的channel與PMOS的channel是一逆向的PN接面來作電氣隔離我們知道逆向PN接面仍有漏電流及接面電容存在.
它的製做過程是在ㄧ片本質 矽 (intrinsic silicon;稱為Bulk wafer)上,運用以下技術,在wafer 上做出CMOS及其它元件.
1. 在本質 （intrinsic) Silicon 中置入 3 價元素變成帶正電的Ｐtype silicon. 或者置入 5 價元素變成帶負電的Ｎtype silicon.
2. 改變或強化 Silicon 的類型, P type silicon <-> N type silicon
3. 生長絕緣層 (SiO2).
4. 生長導電層( For contact pad).
4. SOI CMOS 的結構是怎樣呢?
- SOI CMOS 的結構如左頁附圖. 從製程的角度來看.其最大的差異在它所用的原材料（Raw Material) 與Bulk CMOS 明顯不同. SOI CMOS使用的是三明治結構的 SOI wafer 而非Bulk wafer, 這也就是這兩種製程名稱的由來.
- 這一層SOI Wafer 的製造難度遠高於在Bulk CMOS 所用的技術與設備.
- SOI CMOS 的製程雖較複雜. 但晶體架構單純, 每一晶體都與其它晶體完全隔離.也不需要N-Well.所以就有以下頁表中的優點.
| 製程技術 | Bulk CMOS | SOI | 註 |
| 製程 | 製程單純,製造成本低 | 製程複雜製,造成本高 | |
| 密度(Density) | 低 | 高 | 晶體數/單位面積 |
| 雜散電容 | 大 | 小 | |
| 漏電流 | 大 | 小 | |
| 寄生閘流體(SCR) | 有 | 無 | Bulk CMOS 在結構上有自然形成的PNPN(SCR).所以有LATCH UP 的潛在怎能. |
6. SOI CMOS 使用的範圍？
- 從前頁 SOI 的優勢表上我們可以看出. SOI 在功率消耗, 工作頻寬, Latch-up, 元件密度上 有更好的整體表現. 原則上, SOI 是可以使用在 數位線路 , 類比線路,甚至於 power device. 但是一般 Discrete power device 為了工作在高電壓,大電流. 它是採用了Vertical的結構. 所以 SOI (屬於Lateral 結構) 就只適用在小 power 的power device上了.
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