| Technologia SOI podąża w stronę masowej produkcji |
|
|
| 10.03.2009. | |
T radycyjne, tanie, masowe technologie, za pomocą których produkuje się dziś krzemowe układy scalone, powoli osiągają pułap swoich możliwości, wyznaczony przez prawa fizyki. Aby utrzymać dotychczasowe tempo wzrostu szybkości mikroprocesorów i pojemności pamięci komputerowych, niezbędne są zmiany w technologii. Dokąd jednak zmiany te nie będą tak dalekie, że zmieniona zostanie sama fizyczna zasada, na której działają te urządzenia, dotąd każda z nowych technologii może w zasadzie poszerzyć swój "czas życia" poprzez skorzystanie z metody zwanej technologią SOI. Aby wyjaśnić, na czym rzecz polega, przyjrzyjmy się najpierw samemu problemowi, z którym borykają się technologie krzemowe. Otóż elementem elektronicznym, który wykonuje podstawowe operacje zarówno w mikroprocesorach jak i w kościach pamięci jest tranzystor polowy, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Każdy mikroprocesor zawiera ich miliony, a nawet setki milionów. Gęstość upakowania tranzystorów musi rosnąć, jeśli zamierzamy budować coraz lepsze mikroprocesory i coraz bardziej pojemne pamięci. Tranzystor polowy w takich układach działa w zasadzie jak elektrycznie sterowany przełącznik: w zależności od napięcia przyłożonego do elektrody zwanej bramką (patrz rysunek poniżej), elektrody "źródło" i "dren" są albo połączone elektrycznie, albo elektrycznie od siebie odizolowane.  Obszar oddzielający źródło i dren zwany jest kanałem. W zależności od napięcia przyłożonego do bramki, kanał ten jest albo zamknięty, albo otwiera się. Aby uniknąć zwarcia, bramkę oddzielono od kanału cieniutką warstewką izolatora. Warstwa ta musi być na tyle cienka, aby bramka mogła skutecznie kontrolować przewodnictwo kanału, ale jednocześnie na tyle gruba, aby prąd przez nią nie uciekał. Szybkość, z jaką tranzystor potrafi sterować przebiegiem sygnałów elektrycznych (czyli w efekcie szybkość mikroprocesora), zależy od skuteczności działania bramki. Kanał tranzystora polowego wykonanego za pomocą tradycyjnej, masowej technologii to po prostu cieniutki obszar tuż przy powierzchni płytki krzemowej ("podłoża"). Od znajdującej się pod nim reszty podłoża nie oddziela go żaden inny materiał. Prowadzi to do szeregu problemów, jeśli na małym obszarze płytki staramy się umieścić bardzo dużą ilość tranzystorów. Co więcej, przy rosnącej szybkości tranzystora także skuteczne sterowanie bramką kanału staje się trudne. Warstwa izolatora musi być bowiem tym szybsza, im szybciej ma działać tranzystor; jest to konieczne, aby bramce wystarczyło siły do otworzenia kanału tak szeroko, jak tego wymagają projektanci. W pewnym momencie rozwoju technologii, przy pewnej wymaganej szybkości pracy tranzystora, izolator staje się więc tak cienki, że trudno uniknąć uciekania prądu z kanału do bramki. To skutuje utratą energii. Kość grzeje się, baterie rozładowują się, układ scalony psuje się przedwcześnie. Problem z utratą mocy można rozwiązać, planując geometrię tranzystora w taki sposób, żeby bramka mogła otoczyć kanał z trzech stron. To wydatnie podnosi skuteczność sterowania, nie usuwa jednak trudności związanych z obecnością elektrycznego kontaktu kanału i podłoża. Prostym rozwiązaniem wydaje się więc umieszczenie pomiędzy kanałem i resztą płytki krzemowej dodatkowej warstwy izolatora:  Metoda ta jest znana od dawna, a technologie wykorzystujące ją znane są pod nazwą SOI (Silicon On Insulator, czyli Krzem Na Izolatorze). Kości wytworzone z zastosowaniem podłoża SOI są zauważalnie bardziej funkcjonalne od zwykłych; już w dzisiejszej technologii 45 nm pozwala to na przykład na zredukowanie mocy pobieranej przez układ scalony o 40%. Niestety, wyprodukowanie płytek krzemowych z cieniutką warstwą izolatora umieszczoną tuż pod powierzchnią nie jest rzeczą ani łatwą, ani przede wszystkim - tanią. Od pewnego czasu rozwijana jest jednak (przez francuską firmę SOITEC) sprytna metoda zwana SmartCut, polegająca na łączeniu ze sobą powierzchniami dwóch płytek krzemowych, jednej pokrytej izolatorem, a drugiej zaś - czystej. Ta druga płytka jest tak spreparowana, aby łatwo oddzieliła się od niej cieniutka "łuska", która następnie pozostaje na izolatorze i tworzy ową wierzchnią warstewkę krzemu, charakterystyczną dla podłoża SOI. Technologia ta staje się coraz tańsza w zastosowaniu, a przez to - coraz bardziej masowa. Jej udział w rynku wyraźnie rośnie i w roku 2012 spodziewane jest, że osiągnie poziom 800 milionów dolarów USA:  (Spadek w latach 2008-2009 spowodowany jest ogólnym kryzysem w branży mikroelektronicznej). Chociaż rynek SOI stanowi nadal drobny ułamek całego rynku półprzewodników (którego wartość liczy się w setkach miliardów dolarów) i wciąż trudno nazwać SOI technologią masową, to eksperci są zdania, że dynamika wzrostu i bogactwo zastosowań tej technologii wróżą jej dobrą przyszłość. Szczególnie, gdy inne metody poprawiania szybkości układów cyfrowych w technologii krzemowej wyczerpią swój potencjał i przestaną być ekonomicznie konkurencyjne. Zastosowanie SOI pozwoli wtedy "wycisnąć" z krzemu jeszcze więcej. Źródło: semiconductor.net |
