오늘날 점점 더 까다로워지는 반도체 환경에서 기판 선택은 장치 성능, 비용 및 제조 가능성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 두 가지 기본 웨이퍼 기술은 다음과 같습니다. 벌크 실리콘 웨이퍼 그리고 실리콘 온 인슐레이터(Soi) 웨이퍼이 글에서는 웨이퍼의 정의, 구조적 차이점, 전기적 및 열적 동작, 제조 고려 사항, 응용 분야를 살펴보고 실제 환경에서 웨이퍼를 선택하는 방법을 알아보겠습니다. 또한 고품질 웨이퍼 솔루션을 위해 염두에 두어야 할 공급업체도 소개하겠습니다.

벌크 실리콘 웨이퍼란 무엇인가요?

대량 실리콘 웨이퍼(때로는 "실리콘 웨이퍼"라고도 함)는 반도체 제조에 사용되는 기존 기판입니다. 이러한 웨이퍼는 단결정 실리콘 본체로 구성되며, 이 본체의 전면 또는 그 근처에서 장치가 제조됩니다.

핵심 포인트:

• 일반적으로 초크랄스키(cz) 또는 플로트 존(fz) 방법을 통해 성장하여 슬라이스, 연마, 세척 및 마감 처리된 단결정 실리콘 잉곳을 생산합니다.

• 그 구조는 본질적으로 균질합니다. 즉, 장치 영역 아래에 묻힌 절연층이 없습니다(에피택셜 층이나 다른 공정이 적용되지 않는 한).

• 이들은 성숙한 생태계를 갖추고 있습니다. 툴링, 프로세스, 공급망, 설계 흐름이 잘 확립되어 있습니다.

• 이 제품은 대량 생산, 일반 용도의 응용 분야에서 우수한 비용 효율성을 제공합니다.

• 그러나 누설 전류, 기생 용량, 기판 결합과 같은 고급 응용 분야에서는 몇 가지 제한이 있으며, 매우 작은 기하학적 구조로 만들 경우 방사선이나 열 문제에 대한 저항성이 낮아질 수 있습니다.

이러한 이유로 대량 실리콘 웨이퍼는 여전히 많은 분야에서 주력 기판으로 사용되고 있습니다. 하지만 특정 고성능 또는 특수 응용 분야의 경우 대량 실리콘의 한계로 인해 SOI 기술이 널리 사용되고 있습니다.

소이 웨이퍼란 무엇인가요?

본인는 다음을 의미합니다. 실리콘-온-인슐레이터SOI 웨이퍼에서 얇고 고품질의 실리콘 층(소자 층)은 얇은 절연 층(일반적으로 이산화규소, 박스 층이라고 함 - 매립 산화물)에 의해 벌크 기판(핸들 웨이퍼)과 분리됩니다. 그 위에 트랜지스터, MEMS, 광자 또는 기타 능동 구성 요소가 제조되는 소자 실리콘이 있습니다.

한 소식통에 따르면, 일반적인 SOI 웨이퍼는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. 소자층의 두께는 수십 나노미터에서 수 마이크로미터에 이릅니다. 박스층은 약 50nm에서 약 1µm에 이릅니다. 그리고 지지 실리콘 베이스가 있습니다.

절연층은 대량 실리콘과 관련된 많은 기생 효과가 완화되어 특정 장치 유형에서 성능이 향상되거나 누설이 감소한다는 것을 의미합니다.

구조적 비교

다음은 벌크 실리콘 웨이퍼와 SOI 웨이퍼의 구조적, 기본적 특성 차이를 요약한 표입니다.

성능 및 전기적 특성

구조적 차이점은 여러 가지 전기적, 열적 동작 차이로 나타납니다.

1. 기생 용량 / 누설 전류 SOI에 절연층이 있으면 기생 용량과 기판 누설 전류가 대량 실리콘에 비해 크게 줄어듭니다. 이는 전력 소모가 낮아지고 절연성이 향상되어 특히 저전력, 고주파 또는 방사선 경화 응용 분야에 유용합니다.

2. 스위칭 속도 / 장치 성능 기생 효과가 감소하고 SOI에서 절연성이 향상되면 스위칭 속도가 빨라지고 작은 기하학적 구조에서 성능이 향상될 수 있습니다. 벌크 실리콘도 여전히 좋은 성능을 보일 수 있지만, 기하학적 구조가 축소되거나 수요가 증가하면 SOI가 이점을 제공합니다.

3. 열/기판 결합 효과 SOI 웨이퍼에서 절연 박스 층은 기판으로의 열 전도를 줄일 수 있는데, 이는 어떤 경우에는 유익할 수 있지만, 매우 고전력이거나 밀집되어 있는 장치에서는 방열에 어려움을 초래할 수도 있습니다. 벌크 실리콘은 기판으로의 열 전도가 더 좋기 때문에 어떤 상황에서는 열 확산이 더 간단해질 수 있습니다. 일부 소식통에서는 SOI 기술이 여전히 열 관리 문제에 직면해 있다고 지적합니다.

4. 방사선 / 신뢰성 SOI는 특정 방사선 효과(예: 래치업 방지, 기판 결합 감소)에 대한 향상된 저항성을 제공하므로 우주, 고신뢰성 또는 열악한 환경 응용 분야에 적합합니다.

5. 통합 및 격리 SOI 웨이퍼는 절연층으로 인해 동일한 기판에 아날로그, RF, 디지털 또는 혼합 신호 회로를 통합하는 데 있어 벌크 실리콘에 비해 크로스토크와 기판 노이즈가 더 적습니다.

요약하자면, 고성능, 낮은 누설, 고주파 또는 혼합 신호/혹독한 환경 애플리케이션이 필요한 경우 SOI가 강점을 발휘하는 경우가 많습니다. 반면, 비용, 대량 생산, 표준 논리 또는 대면적 장치가 우선순위인 경우 벌크 실리콘이 매우 실행 가능한 선택입니다.

제조 고려 사항 및 비용

대량 실리콘 웨이퍼와 SOI 웨이퍼의 제조 공정은 상당히 다르며 이러한 차이점은 비용, 가용성 및 공정 호환성에 영향을 미칩니다.

벌크 실리콘

• 잘 확립된 성장(cz, fz) 및 웨이퍼 마무리 공정.

• 성숙한 공급망, 툴링 및 프로세스 흐름.

• 규모와 구조가 간단해 단위 비용이 낮습니다.

본인

• 웨이퍼 본딩, 층 전이, 박막화, 이식(예: 시목스), 스마트 컷® 또는 기타 기술과 같은 추가 단계가 필요합니다.

• 복잡성이 증가하면 결함 위험이 높아지고, 공정 관리 요구 사항도 더욱 엄격해집니다.

• 단위 비용이 더 높습니다(일부 연구에 따르면 SOI 웨이퍼는 특정 경우 일반 실리콘 웨이퍼보다 10~20배 더 비쌀 수 있음).

• 비용이 더 높음에도 불구하고 특정 장치 유형의 경우 성능 향상(예: 다이 크기 감소, 수율 증가, 신뢰성 향상)으로 비용이 정당화됩니다. 한 소식통에 따르면 SOI는 많은 응용 분야에서 대량 실리콘에 비해 웨이퍼 비용이 10~15% 더 비싼 것으로 나타났습니다.

프로세스 호환성

• 대량 실리콘용으로 설계된 기존 제조 공정 중 상당수가 SOI 웨이퍼와 호환되므로 도입에 도움이 됩니다.

• 그러나 설계자와 제조 엔지니어는 레이아웃, 열 설계, 장치 모델링에서 상자 층과 장치 층 두께를 고려해야 합니다.

처리량 및 수율

• 대량 실리콘의 경우 처리량과 수율이 잘 최적화되어 있습니다.

• SOI의 경우 성능상의 이점이 때로는 수율을 향상시킬 수 있습니다(누출, 기판 결함, 래치업 감소). 하지만 초기 비용이 더 높고 취급이 까다로워 생산량과 설계 요구가 이를 정당화하지 않는 한 이러한 이점이 상쇄될 수 있습니다.

응용 프로그램 및 사용 사례

서로 다른 특성으로 인해 대량 실리콘 및 SOI 웨이퍼는 다소 다른 응용 분야에 사용되는 경향이 있습니다.

벌크 실리콘 웨이퍼

• 비용과 양이 중요한 표준 논리 및 메모리 장치입니다.

• 일반 마이크로컨트롤러, 가전제품, 광범위 시장 IC.

• 기판 결합이 덜 중요하고 성능 요구 사항이 적당한 전력 장치입니다.

• 태양광 발전 및 태양광 웨이퍼 기판(일부 경우).

소이 웨이퍼

• 우수한 절연성과 낮은 기생성분이 필요한 RF 및 아날로그 장치.

• 다양한 회로를 통합하여 더 나은 절연성을 확보한 칩(SOC)의 혼합 신호 시스템.

• 저전력 배터리가 중요한 애플리케이션.

• 고주파, 고성능 컴퓨팅, 광자공학 및 MEMS 센서.

• 고방사능 또는 혹독한 환경의 전자제품(자동차, 항공우주).

• 고/저전압 블록이 통합된 전원 관리 기판, 향상된 과도 면역성.

예를 들어, 한 소식통은 SOI 웨이퍼가 특히 가치가 있는 이유는 장치 크기가 작아지고 누설/전력 문제가 심각해지기 때문이라고 언급했습니다.

올바른 기질 선택: 실용적인 고려 사항

SOI와 벌크 실리콘 웨이퍼 중 선택할 때 다음 요소를 고려하세요.

• 성능 요구 사항: 가장 빠른 속도, 가장 낮은 전력, 가장 뛰어난 절연성 또는 방사선 내성이 필요하신가요? 그렇다면 → SOI가 적합할 수 있습니다. 표준 로직 성능이 충분하다면 → 벌크 실리콘이 적합할 가능성이 높습니다.

• 비용과 양: 대량 생산, 비용에 민감한 생산의 경우, 대량 실리콘은 단위 비용 면에서 이점이 있습니다. 틈새 시장의 성능이 중요한 생산의 경우, SOI가 프리미엄을 받을 만한 가치가 있을 수 있습니다.

• 열/전력 예산: 장치의 방열이 주요 과제인 경우 기판이 열적 동작에 어떤 영향을 미치는지 고려하세요.

• 프로세스 및 설계 호환성: 프로세스 흐름, 설계 모델, 파운드리 지원이 SOI 웨이퍼와 일치하는지 평가합니다(예: 장치 레이어 두께, 상자 두께, 분리 동작).

• 통합 수준: 아날로그, RF, 디지털, 센서 또는 전원 구성 요소를 동일한 칩/기판에 통합하고 있지만 절연 문제가 있는 경우 SOI에서 이를 지원할 수 있습니다.

• 신뢰성과 환경: 해당 장치가 혹독한 환경이나 방사선이 강한 환경에서 작동해야 하는 경우, SOI의 더 나은 기질 분리가 결정적인 요소가 될 수 있습니다.

공급업체 추천

강력한 기능을 갖춘 대량 실리콘 및 SOI 웨이퍼를 모두 지원하는 신뢰할 수 있는 웨이퍼 공급업체를 찾고 있다면 다음을 고려해야 합니다. 플루토세미 주식회사.

플루토세미는 고성능 반도체 소재 공급업체로, 고정밀성과 유연한 서비스를 갖춘 실리콘 웨이퍼와 SOI 웨이퍼를 제공합니다. 회사 웹사이트에 따르면, "2019년에 설립되었으며 다양한 응용 분야에 고정밀성을 갖춘 실리콘 웨이퍼와 SOI와 같은 첨단 생산 역량과 고품질 제품을 제공합니다."

특히:

• 생산 기지를 통해 매달 대량 생산이 가능합니다(예: 10만 × 6인치 실리콘 웨이퍼). 즉, 대량 생산이 가능하다는 의미입니다.

• 그들은 원스톱 서비스와 맞춤형 솔루션을 제공하며, 이는 귀하의 응용 분야에 맞는 올바른 기판(벌크 또는 SOI)을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 전 세계(중국, 유럽, 미국)에 진출해 있어 공급업체 파트너로서의 신뢰성을 보여줍니다.

기판 선택을 평가하는 회사의 경우, 플루토세미와 같은 공급업체와 협력하면 재료 사양(웨이퍼 유형, 층 두께, 품질)과 장치/공정 요구 사항 간의 일치를 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

요약

요약하자면:

• 대량 실리콘 웨이퍼는 비용 효율성, 확립된 공급망, 성숙한 공정 및 광범위한 장치에 대한 적합성 덕분에 여전히 주류 기판으로 남아 있습니다.

• 적층형 실리콘-절연체-실리콘 구조를 갖춘 SOI 웨이퍼는 향상된 전기적 절연, 낮은 기생 용량, 감소된 누설, 혼합 응용 분야에 대한 더 나은 통합, 그리고 까다로운 환경에서의 향상된 신뢰성을 제공합니다.

• 이러한 균형에는 비용이 더 많이 들고, 제조 공정이 더 복잡해지고, 때로는 열이나 공정 통합에 어려움이 따르는 경우도 있습니다.

• 기판 선택은 장치 요구 사항, 즉 비용 대 성능, 양 대 틈새 시장, 열/전력 예산, 통합 복잡성, 환경적 요구 사항에 따라 달라집니다.

• 많은 표준 IC의 경우 대량 실리콘이 올바른 선택입니다. 고성능, RF/아날로그, 저전력 또는 통합 혼합 신호 시스템의 경우 SOI가 가치 있는 이점을 제공할 수 있습니다.

• Plutosemi와 같은 유능한 공급업체와 협력하면 기판 조달을 간소화하고 필요에 맞는 올바른 웨이퍼 유형(벌크 또는 SOI)을 선택하는 데 도움이 됩니다.

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