Silicon on insulator ( SOI , eng. Silicon on insulator , SOI ) on puolijohdelaitteiden valmistustekniikka , joka perustuu kolmikerroksisen substraatin käyttöön , jossa on pii - dielektrinen - pii -rakenne yleisten monoliittisten piikiekkojen sijaan . Tämän tekniikan avulla voidaan saavuttaa merkittävä lisäys mikroelektronisten piirien nopeudessa ja samalla vähentää virrankulutusta ja kokonaismittoja [1] . Joten esimerkiksi 130 nm:n teknologisen prosessin mukaisesti valmistettujen transistorien maksimikytkentätaajuus (Ft) voi saavuttaa 200 GHz[2] [3] . Tulevaisuudessa siirryttäessä teknologisiin prosesseihin, joissa aktiivisten elementtien koko on pienempi [4] (jo olemassa 22 nm tai vasta kehitteillä[ milloin? ] 10 nm), tämän indikaattorin vielä suurempi lisäys on mahdollista. Teknologian varsinaisen nimen lisäksi SOI-rakenteessa piipintakerroksen nimenä käytetään usein myös termiä "pii eristeellä".
Pii-eriste-substraatti on kolmikerroksinen pakkaus, joka koostuu monoliittisesta piikiekosta, eristeestä ja sen päälle sijoitetusta ohuesta piipintakerroksesta. Piidioksidi SiO 2 tai, paljon harvemmin, safiiri voi toimia dielektrisenä (tässä tapauksessa tekniikkaa kutsutaan " pii safiirilla " tai SOS ) . Puolijohdelaitteiden jatkovalmistus tuloksena olevaa substraattia käyttäen ei olennaisesti poikkea klassisesta tekniikasta, jossa substraattina käytetään monoliittista piikiekkoa.
Ensinnäkin SOI-tekniikkaa voidaan soveltaa digitaalisissa integroiduissa piireissä (erityisesti mikroprosessoreissa ), joista suurin osa on tällä hetkellä toteutettu CMOS -tekniikalla ( MOSFET :ien täydentävä logiikka ). Rakennettaessa tätä tekniikkaa käyttävää piiriä, suurin osa kulutetusta tehosta kuluu eristävän liitoksen loiskapasitanssin varaamiseen sillä hetkellä, kun transistori siirtyy tilasta toiseen, ja aika, jonka aikana tämä varaus tapahtuu, määrittää virran kokonaisnopeuden. piiri. SOI-tekniikan tärkein etu on, että pintakerroksen ohuuden ja transistorin piipohjasta eristyksen ansiosta loiskapasitanssia voidaan pienentää moninkertaisesti ja siten lyhentää sen latausaikaa yhdessä virrankulutuksen kanssa. .
Toinen SOI-teknologian etu on sen erinomainen säteilynkestävyys ionisoivaa säteilyä vastaan, joten tätä tekniikkaa käytetään laajasti ilmailu- ja sotilaselektroniikkalaitteissa.
SOI-tekniikan haittana on korkea hinta.
Tällä hetkellä yleisimmät SOI-substraatit, joissa piidioksidi toimii eristeenä. Tällaisia substraatteja voidaan saada useilla eri tavoilla, joista tärkeimmät ovat: ioni-istutus , kiekkojen silmukointi , kontrolloitu pilkkominen ja epitaksi [5] .
Ioni-istutustekniikka tunnetaan myös nimellä ioni-istutus, happi-istutus, haudattujen dielektristen kerrosten ionisynteesi ja SIMOX ( Separation by IM plantation of OX ygen ). Tätä tekniikkaa käytettäessä monoliittinen piikiekko altistetaan intensiiviselle hapella kyllästetylle pommittamalla kiekon pintaa sen ioneilla , minkä jälkeen suoritetaan hehkutus korkeassa lämpötilassa, jonka seurauksena oksidille muodostuu ohut pintakerros piitä. kerros. Epäpuhtausionien tunkeutumissyvyys riippuu niiden energiatasosta, ja koska SOI-teknologia edellyttää riittävän suurta eristekerroksen paksuutta, on substraattien valmistuksessa käytettävä monimutkaisia suurvirtahappi - ionikiihdyttimiä . Tämä aiheuttaa tällä tekniikalla valmistettujen substraattien korkean hinnan ja työkerrosten suuri virhetiheys on vakava este puolijohdelaitteiden massatuotannolle.
Käytettäessä kiekkojen sidontatekniikkaa muodostus suoritetaan liittämällä toinen piikiekko suoraan dioksidikerroksella . Tätä varten sileät, puhdistetut ja kemiallisella tai plasmakäsittelyllä aktivoidut levyt puristetaan ja hehkutetaan, minkä seurauksena levyn rajalla tapahtuu kemiallisia reaktioita varmistaen niiden liitoksen [6] . Tämä tekniikka on käytännössä ihanteellinen paksun pintakerroksen omaavien SOI-substraattien valmistukseen, mutta sen paksuuden pienentyessä työkerroksen virhetiheys alkaa kasvaa ja lisäksi tekninen prosessi monimutkaistuu ja sen seurauksena valmiiden tuotteiden kustannukset nousevat. Tämän seurauksena substraateilla, joiden pintakerrospaksuus on alle mikrometri ja jotka ovat eniten kysyttyjä nopeiden korkean integrointiasteen piirien tuotannossa, on samat haitat kuin ioni-implantaatiotekniikalla valmistetuilla substraateilla [ 5] .
Ranskalaisen Soitecin kehittämä hallitun pilkkomisen teknologia ( eng. Smart Cut ), jossa yhdistyvät ioni-implantaatio- ja kiekkojen liitosteknologian ominaisuudet [7] . Tässä prosessissa käytetään kahta monoliittista piikiekkoa. Ensimmäinen levy käy läpi termisen hapetuksen, jolloin sen pinnalle muodostuu dioksidikerros, jonka jälkeen ylempi etupinta kyllästetään vetyioneilla käyttämällä ionin lisäystekniikkaa. Tästä johtuen kiekkoon muodostuu halkeamisalue, jonka reunaa pitkin jäljelle jääneen piimassan erottuminen kulkee. Ionin lisäystoimenpiteen päätyttyä levy käännetään ympäri ja asetetaan kuvapuoli alaspäin toiselle levylle, minkä jälkeen ne silmukoidaan. Viimeisessä vaiheessa suoritetaan ensimmäisen levyn erotus, jonka seurauksena toisen pinnalle jää dioksidikerros ja ohut pintakerros piitä. Ensimmäisen levyn erotettu osa käytetään uudessa tuotantoajossa.
SOI-substraattien tuotanto kontrolloidulla pilkkoutumistekniikalla vaatii suuren määrän operaatioita, mutta sen prosessissa käytetään vain vakiolaitteita. Lisäksi tällä tekniikalla saatujen levyjen tärkeä etu on pieni virhetiheys työkerroksessa.
Käytettäessä epitaksiaalitekniikkaa ( englanninkielinen seed method ) pintakerros muodostetaan kasvattamalla dielektrisen pinnan päälle piikalvo. Tällaisille substraateille valmistetut aktiiviset elementit osoittavat erinomaista suorituskykyä, mutta suuri joukko epitaksiaaliseen prosessiin liittyviä teknisiä ongelmia on edelleen olemassa.[ milloin? ] eivät tarjoa mahdollisuuksia tämän tekniikan massakäyttöön.
Alla on luettelo useista SOI-substraateilla valmistetuista laitteista.
Yhdeksännen sukupolven Intel Core 2 -prosessorit , jotka on valmistettu 65 nm :n prosessitekniikalla , päinvastoin, on valmistettu tavanomaisten monoliittisten piikiekkojen pohjalta.