SOI

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従来のMOSFETの構造

SOIを用いたMOSFETの構造

SOI (Silicon on Insulator) は、CMOS LSIの高速性・低消費電力化を向上させる技術である。

従来の集積回路上のMOSFETは、素子間分離をPN接合の逆バイアスによって形成するが、寄生ダイオードやサブストレートとの間に浮遊容量が生じ、信号の遅延やサブストレートへのリーク電流が発生していた。この浮遊容量を低減するため、MOSFETのチャネルの下に絶縁膜を形成し、浮遊容量を減らしたものがSOIである。また、このような絶縁膜を内包したウエハをSOIウエハと呼び、従来のウエハはSOIウエハと区別するためにバルクシリコンと呼ばれる場面がある。

浮遊容量はCMOSのMOSFETに対して、スイッチング時の遅延/電流を増加させる要因であるため、浮遊容量の低減は高速度化/低消費電力化の両方の面で有利になる。

また2次元的な素子間分離にもpn接合の逆方向バイアスによるものではなく、素子下の絶縁膜と結合させた絶縁材を形成することで、完全に分離されたMOSFETを構成できるようにしている。この場合、寄生ダイオードによって意図せず生成されるバイポーラトランジスタを抑制することができ、素子間の浮遊容量/リーク電流を低減することができる。また素子間分離のためのウェルも小さくできるため、PMOS-NMOS間の距離を小さくでき、配置密度を高めることができる。

SOIウエハの製造法は、SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen)方式と張り合わせ方式の2種類がある。張り合わせ方式では均質な絶縁膜やシリコン結晶膜を形成することが難しいため、SIMOX方式がSOIウエハの主流となっている。 SIMOX方式はIBMが中心となって開発した技術で、酸素分子をイオン注入によりシリコン結晶表面から埋め込み、それを高熱で酸化させることでシリコン結晶中に酸化シリコンの絶縁膜を形成する。 SOIウエハの製造コストは、バルクシリコンのウエハに比べ工程が増えるためその分高価になる。