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The Transistors 2---SOI Basics  

2017-01-08 22:47:21|  分类: IC design |  标签: |举报 |字号 订阅

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SOI 

上次说过了CMOS工艺,也称为BULK CMOS。尽管CMOS工艺已十分成熟,在消费类应用也很多,然而随着工艺的不断进步,一些新的效应慢慢显现,产生了新的问题。如随着栅宽的不断缩短,从0.5um到0.25um、0.18um、90nm、45nm …

The Transistors 2 - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし

 

各种效应导致的漏电成了一个大问题。为了解决这个问题,CMOS工艺上也采取了各种办法,取得了一些成效,如通过添加Ge提高应力等。

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但由于漏电很大一部分是从衬底跑掉的,而且实验显示,漏电的大小与体厚度成正比。从这个问题着手,于是SOI工艺和FINFET就出现了。FINFET是从三维的角度去构建管子,且留待后续。我们先看看SOI。SOI 从某种意义上说首先就是把体减薄,所以也被称为ULTRA THIN BODY CMOS。

SOI也分为PD-SOI和FD-SOI。目前广泛使用在射频中的主要是PD SOI,而最近被大力推广的则是FD-SOI。

他们和BULK CMOS有什么区别呢?从结构上看,相比与BULK CMOS,SOI就是在BULK上加了一层绝缘层BOX,然后在这个绝缘层上直接做MOS管。也就是原本对于BULK CMOS,整个衬底都是管子的BODY。到了SOI工艺,由于BOX的绝缘特性,只有BOX之上的沟道下面未被耗尽的部分才是BODY。

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(那PD和FD又有什么区别呢?其实二者很类似,只是FD-SOI的衬底比PD SOI的衬底还要薄很多,在工作的时候,衬底会全部耗尽。这也是FD SOI(FULLY DEPLETED SOI)这个名字的来由。而PD SOI指的就是管子工作的时候衬底只是部分耗尽(PARTIALLY DEPLETED SOI)。)


首先,这样一来,原本可以直接跑到衬底的漏电是不是首先要面对BOX这个很难越过的坚实障碍。有效的BODY部分。对于BULK CMOS而言,是整个衬底厚度,而对SOI 而言,是BOX之上的沟道部分。可见衬底越来越薄。从而实现漏电的减小。


其次,由于BULK CMOS主要采用PN结反偏隔离,需要接触孔做衬底偏置和阱偏置;而SOI工艺中,由于各个管子都位于绝缘层上,在没有特殊要求的情况下,不需要接触孔做隔离,也不需要专门为PMOS做N阱;

我们对比下反相器在BULK CMOS工艺和SOI工艺中的剖面图和版图,就可以很容易看出这一点。

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再看三输入与非门版图对比:

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可见对于数字电路,SOI的面积可以比BULK CMOS工艺的面积明显缩小。


除了以上两点,SOI还有一个很大的优点:隔离度高!这点使之非常适用于射频前端的开关设计。为什么呢?

不论是PD还是FDSOI,和BULK CMOS的最大区别,大概就是BULKCMOS中的NMOS都坐在同一个衬底上,而这个衬底,对于形成电流的电子和空穴来说,虽然崇山峻岭艰难险阻,却依然是可以通过的。如果有一个很吵的电路,他的噪声就会相对自由的跑去干扰隔壁的邻居电路。

而对于SOI工艺来说,在衬底之上还有一个氧化绝缘层,也就是说,理论上,每个管子都被自己的氧化层山谷包围,除了上层连线,并没有别的和其它管子通讯的渠道(实际上还是有那么一些些载流子成功突破障碍跑到别的管子那里去!就像单人帆船环球航行十分艰辛而危险,还是有人成功了不是)。也就相当于我们给每个部分的电路都做了个隔音墙,也许效果不是完美的完全隔音,但是噪声还是会减小很多。如下图:

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噪声流是不是减小了很多?如果BOX下面的BULK (也叫HANDLE WAFER)的电阻足够大,SOI的隔离度能比BULK CMOS高10-40dB。


上面说SOI 可以省略衬底接触。然而SOI TRANSISTOR有没有做衬底接触的时候呢?答案是有的!不论是PD SOI还是FD SOI,都有衬底接触这个选项。

上面说了SOI工艺各种优点,那么SOI有缺点吗?必然也是有的。The Transistors 2 - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし


具体下回分解The Transistors 2 - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし

 


 


 

 

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