A szilícium szigetelőn ( SOI , eng. Silicon on insulator, SOI ) félvezető eszközök gyártására szolgáló technológia , amely szilícium - dielektrikum - szilícium szerkezetű háromrétegű hordozó felhasználásán alapul az általánosan használt monolit szilícium lapkák helyett . Ez a technológia lehetővé teszi a mikroelektronikai áramkörök sebességének jelentős növelését, miközben csökkenti az energiafogyasztást és a teljes méreteket [1] . Így például a 130 nm-es technológiai eljárással készült tranzisztorok maximális kapcsolási frekvenciája (Ft) elérheti a 200 GHz -et [2] [3] . A jövőben, a kisebb méretű aktív elemekkel [4] (már meglévő, vagy csak fejlesztés alatt álló) technológiai folyamatokra való átállás során[ mikor? ] 10 nm), ennek a mutatónak még nagyobb növekedése lehetséges. A technológia tényleges elnevezése mellett a "szilícium egy szigetelőn" kifejezést is gyakran használják a szilícium felületi rétegének elnevezése egy SOI-szerkezetben.
A szilícium-szigetelő hordozó egy háromrétegű csomag, amely egy monolit szilícium lapkából, egy dielektrikumból és egy erre helyezett vékony szilícium felületi rétegből áll. A szilícium-dioxid SiO 2 vagy ritkábban a zafír dielektrikumként működhet (ebben az esetben a technológiát " szilícium zafíron " vagy SOS néven hívják ) . A félvezető eszközök további gyártása a kapott hordozó felhasználásával lényegében nem különbözik a klasszikus technológiától, ahol monolit szilícium lapkát használnak szubsztrátumként.
Mindenekelőtt a SOI technológia a digitális integrált áramkörökben (különösen a mikroprocesszorokban ) talál alkalmazásra, amelyek többsége jelenleg CMOS (komplementer logika MOSFET -eken ) segítségével valósul meg. Ha ezzel a technológiával áramkört építünk, a felhasznált energia nagy részét a szigetelő csomópont parazita kapacitásának feltöltésére fordítjuk abban a pillanatban, amikor a tranzisztor egyik állapotból a másikba vált, és az az idő, ameddig ez a töltés fellép, meghatározza a szigetelő csomópont parazita kapacitásának feltöltését. áramkör. A SOI technológia fő előnye, hogy a felületi réteg vékonysága és a tranzisztornak a szilícium alaptól való leválasztása miatt többszörösére csökkenthető a parazita kapacitás, és ezáltal csökkenthető a töltési ideje, párosulva az energiafogyasztással. .
A SOI technológia másik előnye az ionizáló sugárzással szembeni kiváló sugárzásállósága, ezért ezt a technológiát széles körben alkalmazzák repülőgép- és katonai elektronikai berendezésekben.
A SOI technológia hátránya a magas költség.
Jelenleg a leggyakoribb SOI szubsztrátok, ahol a szilícium-dioxid szigetelőként működik. Az ilyen szubsztrátumok többféle módon állíthatók elő, a főbbek a következők: ionimplantáció , ostyaillesztés , szabályozott hasítás és epitaxia [5] .
Az ionimplantációs technológia ionimplantációnak, oxigénbeültetésnek, eltemetett dielektromos rétegek ionszintézisének és SIMOX-nak ( Separation by IM plantation of OX ygen ) is ismert. Ennek a technológiának a használatakor egy monolit szilícium ostyát intenzív oxigéntelítésnek vetnek alá úgy, hogy az ostya felületét ionjaival bombázzák , majd magas hőmérsékleten lágyítják, melynek eredményeként vékony felületi szilíciumréteg képződik az oxidon. réteg. A szennyező ionok behatolási mélysége függ energiaszintjüktől, és mivel a SOI technológia kellően nagy szigetelőréteg vastagságot feltételez, ezért a szubsztrátumok előállításához komplex nagyáramú oxigénion- gyorsítókat kell alkalmazni. Ez okozza az ezzel a technológiával előállított hordozók magas árát, a munkarétegek nagy hibasűrűsége pedig komoly akadálya a félvezető eszközök tömeggyártásának.
Az ostyaragasztásos technológia alkalmazásakor a felületi réteg kialakítása a második szilícium lapka dioxidréteggel való közvetlen összeillesztésével történik . Ennek érdekében a simított, tisztított és vegyszeres vagy plazmakezeléssel aktivált lemezeket préselésnek és hőkezelésnek vetik alá, melynek eredményeként a lemez határán kémiai reakciók mennek végbe, biztosítva azok összekapcsolását [6] . Ez a technológia gyakorlatilag ideális vastag felületi rétegű SOI szubsztrátumok készítésére, de a vastagságának csökkenésével a munkaréteg hibasűrűsége nőni kezd, ráadásul a technológiai folyamat bonyolultabbá válik, és ennek következtében a a késztermékek költsége nő. Ennek eredményeként az egy mikrométernél kisebb felületi rétegvastagságú szubsztrátumok, amelyekre a legnagyobb a kereslet a nagy sebességű, nagy integrálási fokú áramkörök gyártása során, ugyanolyan hátrányokkal rendelkeznek, mint az ionimplantációs technológiával gyártott hordozók [ 5] .
A francia Soitec cég által kifejlesztett irányított hasítás ( eng. Smart Cut ) technológiája ötvözi az ionimplantációs és ostyaillesztési technológiák jellemzőit [7] . Ez az eljárás két monolit szilícium lapkát használ. Az első lemez termikus oxidáción megy keresztül, aminek eredményeként a felületén egy dioxid réteg keletkezik, majd a felső elülső felületet ionbeillesztési technológiával hidrogénionokkal telítik. Emiatt az ostyában hasítási terület jön létre, amelynek határa mentén a maradék szilícium tömeg elválasztása megy végbe. Az ionbeillesztési eljárás befejezése után a lemezt megfordítják, és képpel lefelé a második lemezre helyezik, majd összeillesztik. A végső szakaszban az első lemez szétválasztása történik, amelynek eredményeként egy dioxid réteg és egy vékony felületi szilíciumréteg marad a második felületén. Az első lemez leválasztott részét egy új gyártási sorozatban használják fel.
A SOI szubsztrátok szabályozott hasítási technológiával történő előállítása nagyszámú műveletet igényel, de csak szabványos berendezéseket használnak az eljárás során. Ezenkívül az ezzel a technológiával előállított lemezek fontos előnye a munkaréteg hibáinak alacsony sűrűsége.
Az epitaxiális technológia alkalmazása esetén ( angol seed method ) a felületi réteget úgy alakítják ki, hogy a dielektrikum felületén szilíciumfilmet növesztünk. Az ilyen szubsztrátumokon előállított aktív elemek kiváló teljesítményt mutatnak, de az epitaxiális folyamathoz kapcsolódó számos technológiai probléma továbbra is fennáll.[ mikor? ] nem biztosítanak lehetőséget e technológia tömeges bevezetésére.
Az alábbiakban felsoroljuk a SOI szubsztrátokkal gyártott számos eszközt.
Az Intel Core 2 processzorok kilencedik generációja, amely a 65 nm -es technológiával készült, éppen ellenkezőleg, hagyományos monolit szilíciumlapkák alapján készül.