Siliciu pe izolator ( SOI , ing. Silicon on insulator, SOI ) este o tehnologie pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare bazată pe utilizarea unui substrat cu trei straturi cu o structură siliciu - dielectric - siliciu în locul plachetelor de siliciu monolitice utilizate în mod obișnuit . Această tehnologie permite obținerea unei creșteri semnificative a vitezei circuitelor microelectronice, reducând în același timp consumul de energie și dimensiunile generale [1] . Deci, de exemplu, frecvența maximă de comutare a tranzistorilor (Ft), realizată conform procesului tehnologic de 130 nm, poate ajunge la 200 GHz[2] [3] . În viitor, în timpul tranziției la procese tehnologice cu o dimensiune mai mică a elementelor active [4] (existând deja 22 nm, sau în curs de dezvoltare abia acum[ când? ] 10 nm), este posibilă o creștere și mai mare a acestui indicator. Pe lângă denumirea reală a tehnologiei, termenul „siliciu pe un izolator” este adesea folosit ca denumire a stratului de suprafață de siliciu într-o structură SOI.
Substratul de siliciu pe izolator este un pachet cu trei straturi care constă dintr-o placă de siliciu monolitică, un dielectric și un strat subțire de suprafață de siliciu plasat pe acesta. Dioxidul de siliciu SiO 2 sau, mult mai rar, safirul poate acționa ca dielectric (în acest caz, tehnologia se numește „ siliciu pe safir ” sau SOS ) . Producția ulterioară de dispozitive semiconductoare folosind substratul rezultat nu este în esență diferită de tehnologia clasică, în care o placă de siliciu monolitică este utilizată ca substrat.
În primul rând, tehnologia SOI își găsește aplicație în circuitele integrate digitale (în special, în microprocesoare ), majoritatea fiind implementate în prezent folosind CMOS (logica complementară pe MOSFET -uri ). La construirea unui circuit folosind această tehnologie, cea mai mare parte a puterii consumate este cheltuită pentru încărcarea capacității parazitare a joncțiunii izolatoare în momentul în care tranzistorul trece de la o stare la alta, iar timpul în care are loc această încărcare determină viteza totală a joncțiunii izolatoare. circuit. Principalul avantaj al tehnologiei SOI este că, datorită subțirii stratului de suprafață și izolării tranzistorului de baza de siliciu, este posibilă reducerea capacității parazite de mai multe ori și, prin urmare, reducerea timpului său de încărcare, împreună cu consumul de energie. .
Un alt avantaj al tehnologiei SOI este rezistența excelentă la radiații la radiațiile ionizante, astfel încât această tehnologie este utilizată pe scară largă pentru echipamentele electronice aerospațiale și militare.
Dezavantajul tehnologiei SOI este costul ridicat.
În prezent, cele mai comune substraturi SOI, unde dioxidul de siliciu acționează ca un izolator. Astfel de substraturi pot fi obținute în diverse moduri, principalele fiind: implantare ionică , splicing wafer , clivaj controlat și epitaxie [5] .
Tehnologia de implantare ionică este cunoscută și sub denumirea de implantare ionică, implantare de oxigen, sinteza ionică a straturilor dielectrice îngropate și SIMOX ( separarea prin plantație IM de OX ygen ). Când se utilizează această tehnologie, o placă de siliciu monolitică este supusă unei saturații intensive cu oxigen prin bombardarea suprafeței plachetei cu ionii săi , urmată de recoacere la temperatură ridicată, în urma căreia se formează un strat subțire de suprafață de siliciu pe oxid. strat. Adâncimea de penetrare a ionilor de impurități depinde de nivelul lor de energie și, deoarece tehnologia SOI implică o grosime suficient de mare a stratului izolator, la producerea substraturilor trebuie să fie utilizați acceleratori complexi de ioni de oxigen cu curent ridicat. Acest lucru determină prețul ridicat al substraturilor fabricate folosind această tehnologie, iar densitatea mare a defectelor din straturile de lucru este un obstacol serios în calea producției în masă a dispozitivelor semiconductoare.
Când se folosește tehnologia wafer bonding , formarea stratului de suprafață se realizează prin îmbinare directă a celei de-a doua plachete de siliciu cu un strat de dioxid . Pentru a face acest lucru, plăcile care sunt netede, curățate și activate prin tratament chimic sau cu plasmă sunt supuse la compresiune și recoacere, în urma cărora la limita plăcii se produc reacții chimice, asigurând legătura lor [6] . Această tehnologie este practic ideală pentru fabricarea substraturilor SOI cu un strat gros de suprafață, dar pe măsură ce grosimea acestuia scade, densitatea defectelor în stratul de lucru începe să crească și, în plus, procesul tehnologic devine mai complicat și, ca urmare, costul produselor finite crește. Drept urmare, substraturile cu o grosime a stratului de suprafață mai mică de un micrometru, care sunt cele mai solicitate în producția de circuite de mare viteză cu un grad ridicat de integrare, prezintă același set de dezavantaje ca și substraturile fabricate folosind tehnologia de implantare ionică . 5] .
Tehnologia de clivaj controlat ( ing. Smart Cut ), dezvoltată de compania franceză Soitec , combină caracteristicile tehnologiilor de implantare ionică și de îmbinare a plachetelor [7] . Acest proces folosește două plachete monolitice de siliciu. Prima placă suferă oxidare termică, rezultând un strat de dioxid pe suprafața sa, apoi suprafața frontală superioară este supusă saturației cu ioni de hidrogen folosind tehnologia de inserție ionică. Datorită acestui fapt, în plachetă se creează o zonă de clivaj, de-a lungul marginii căreia va trece separarea masei rămase de siliciu. După finalizarea procedurii de inserare a ionilor, placa este răsturnată și plasată cu fața în jos pe a doua placă, după care sunt îmbinate. În etapa finală, se efectuează separarea primei plăci, în urma căreia pe suprafața celei de-a doua rămân un strat de dioxid și un strat subțire de siliciu. Partea separată a primei plăci este utilizată într-o nouă serie de producție.
Producția de substraturi SOI folosind tehnologia de scindare controlată necesită un număr mare de operațiuni, dar în procesul său se utilizează doar echipamente standard. În plus, un avantaj important al plăcilor obținute prin această tehnologie este densitatea scăzută a defectelor din stratul de lucru.
În cazul utilizării tehnologiei epitaxiale ( metoda engleză a semințelor ), stratul de suprafață este format prin creșterea unei pelicule de siliciu pe suprafața dielectricului. Elementele active produse pe astfel de substraturi demonstrează performanțe excelente, dar un număr mare de probleme tehnologice asociate procesului epitaxial sunt încă[ când? ] nu oferă oportunități pentru introducerea în masă a acestei tehnologii.
O listă cu un număr de dispozitive fabricate folosind substraturi SOI este prezentată mai jos.
A noua generație de procesoare Intel Core 2 , realizate conform tehnologiei de proces de 65 nm , dimpotrivă, este realizată pe baza de wafer-uri convenționale de siliciu monolitice.