Silicon on insulator ( SOI , ing. Silicon on insulator, SOI ) es una tecnología para la fabricación de dispositivos semiconductores basada en el uso de un sustrato de tres capas con una estructura de silicio - dieléctrico - silicio en lugar de las obleas de silicio monolíticas de uso común . Esta tecnología permite lograr un aumento significativo en la velocidad de los circuitos microelectrónicos al tiempo que reduce el consumo de energía y las dimensiones generales [1] . Así, por ejemplo, la frecuencia máxima de conmutación de los transistores (Ft), realizados según el proceso tecnológico de 130 nm, puede alcanzar los 200 GHz [2] [3] . En el futuro, durante la transición a procesos tecnológicos con menor tamaño de elementos activos [4] (ya existente 22 nm, o solo en desarrollo ahora[ ¿cuándo? ] 10 nm), es posible un aumento aún mayor en este indicador. Además del nombre real de la tecnología, el término "silicio en un aislador" también se usa a menudo como el nombre de la capa superficial de silicio en una estructura SOI.
El sustrato de silicio sobre aislante es un paquete de tres capas que consta de una oblea de silicio monolítica, un dieléctrico y una fina capa superficial de silicio colocada sobre él. El dióxido de silicio SiO 2 o, con mucha menos frecuencia, el zafiro pueden actuar como dieléctrico (en este caso, la tecnología se denomina " silicon on sapphire " o SOS ) . La producción adicional de dispositivos semiconductores utilizando el sustrato resultante no difiere esencialmente de la tecnología clásica, en la que se utiliza una oblea de silicio monolítica como sustrato.
En primer lugar, la tecnología SOI encuentra aplicación en circuitos integrados digitales (en particular, en microprocesadores ), la mayoría de los cuales se implementan actualmente utilizando CMOS (lógica complementaria en MOSFET ). Cuando se construye un circuito con esta tecnología, la mayor parte de la energía consumida se gasta en cargar la capacitancia parásita de la unión aislante en el momento en que el transistor cambia de un estado a otro, y el tiempo durante el cual ocurre esta carga determina la velocidad general del circuito. circuito. La principal ventaja de la tecnología SOI es que, debido a la delgadez de la capa superficial y al aislamiento del transistor de la base de silicio, es posible reducir muchas veces la capacitancia parásita y, por lo tanto, reducir su tiempo de carga, junto con el consumo de energía. .
Otra de las ventajas de la tecnología SOI es su excelente resistencia a la radiación frente a las radiaciones ionizantes, por lo que esta tecnología es muy utilizada para equipos electrónicos aeroespaciales y militares.
La desventaja de la tecnología SOI es el alto costo.
Actualmente, los sustratos SOI más comunes, donde el dióxido de silicio actúa como aislante. Dichos sustratos se pueden obtener de varias formas, siendo las principales: implantación de iones , empalme de obleas , clivaje controlado y epitaxia [5] .
La tecnología de implantación de iones también se conoce como implantación de iones, implantación de oxígeno, síntesis de iones de capas dieléctricas enterradas y SIMOX ( separación por plantación IM de OX ygen ). Cuando se utiliza esta tecnología, una oblea de silicio monolítica se somete a una saturación intensiva con oxígeno mediante el bombardeo de la superficie de la oblea con sus iones , seguido de un recocido a alta temperatura, como resultado de lo cual se forma una fina capa superficial de silicio sobre el óxido. capa. La profundidad de penetración de los iones de impurezas depende de su nivel de energía, y dado que la tecnología SOI implica un espesor suficientemente grande de la capa aislante, se deben utilizar aceleradores de iones de oxígeno de alta corriente complejos en la producción de sustratos. Esto provoca el alto precio de los sustratos fabricados con esta tecnología, y la alta densidad de defectos en las capas de trabajo es un serio obstáculo para la producción en masa de dispositivos semiconductores.
Cuando se utiliza la tecnología de unión de obleas , la formación de la capa superficial se lleva a cabo mediante el empalme directo de la segunda oblea de silicio con una capa de dióxido . Para ello, se someten a compresión y recocido placas lisas, limpias y activadas por tratamiento químico o plasma, como resultado de lo cual se producen reacciones químicas en el límite de las placas, asegurando su conexión [6] . Esta tecnología es prácticamente ideal para fabricar sustratos de SOI con una capa superficial gruesa, pero a medida que disminuye su espesor, la densidad de defectos en la capa de trabajo comienza a aumentar, y además, el proceso tecnológico se vuelve más complicado y, en consecuencia, la aumenta el costo de los productos terminados. Como resultado, los sustratos con un espesor de capa superficial de menos de un micrómetro, que son los más demandados en la producción de circuitos de alta velocidad con un alto grado de integración, tienen el mismo conjunto de desventajas que los sustratos fabricados con tecnología de implantación de iones . 5] .
La tecnología de escisión controlada ( ing. Smart Cut ), desarrollada por la empresa francesa Soitec , combina las características de las tecnologías de implantación de iones y empalme de obleas [7] . Este proceso utiliza dos obleas de silicio monolíticas. La primera placa se oxida térmicamente, lo que da como resultado una capa de dióxido en su superficie, luego la superficie frontal superior se satura con iones de hidrógeno utilizando tecnología de inserción de iones. Debido a esto, se crea un área de división en la oblea, a lo largo del borde del cual pasará la separación de la masa restante de silicio. Una vez finalizado el procedimiento de inserción de iones, se da la vuelta a la placa y se coloca boca abajo sobre la segunda placa, después de lo cual se empalman. En la etapa final, se lleva a cabo la separación de la primera placa, como resultado de lo cual queda una capa de dióxido y una capa superficial delgada de silicio en la superficie de la segunda. La parte separada de la primera placa se utiliza en una nueva producción.
La producción de sustratos de SOI utilizando tecnología de escisión controlada requiere una gran cantidad de operaciones, pero solo se usa equipo estándar en su proceso. Además, una ventaja importante de las placas obtenidas por esta tecnología es la baja densidad de defectos en la capa de trabajo.
En el caso de utilizar tecnología epitaxial ( método inglés seed ), la capa superficial se forma haciendo crecer una película de silicio sobre la superficie del dieléctrico. Los elementos activos producidos en dichos sustratos demuestran un excelente rendimiento, pero aún se encuentran pendientes una gran cantidad de problemas tecnológicos asociados con el proceso epitaxial.[ ¿cuándo? ] no brindan oportunidades para la introducción masiva de esta tecnología.
A continuación se proporciona una lista de una serie de dispositivos fabricados con sustratos SOI.
La novena generación de procesadores Intel Core 2 , realizada según la tecnología de proceso de 65 nm , por el contrario, se fabrica sobre la base de obleas de silicio monolíticas convencionales.