SOI

SOI（Silicon on Insulator）とは

SOI（Silicon on Insulator）とは、CMOS LSIの性能向上、特に高速化と低消費電力化を目的とした半導体デバイス製造技術です。従来のMOSFETは、素子間の分離をPN接合の逆バイアスによって形成していましたが、これには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るという問題がありました。この浮遊容量は、信号の遅延やサブストレートへのリーク電流を引き起こす要因となっていました。

そこで、MOSFETのチャネルの下に絶縁膜を形成することで、この浮遊容量を大幅に低減する技術がSOIです。絶縁膜を内包したウエハはSOIウエハと呼ばれ、従来のウエハ（バルクシリコンウエハ）と区別されます。浮遊容量の低減は、CMOSのスイッチング速度の向上と消費電力の削減に直結するため、SOIは高性能な半導体デバイスに不可欠な技術となっています。

SOIの構造と利点

SOI構造の最大の利点は、MOSFETのチャネルと基板の間に絶縁膜を設けることで、従来の構造で問題となっていた浮遊容量を大幅に低減できる点です。これにより、以下のメリットが得られます。

高速化: スイッチング時の遅延を減らすことで、信号処理速度が向上します。
低消費電力化: 不要な電流の流れを抑制することで、消費電力を削減できます。
素子間分離の向上: 絶縁膜によって、素子間の電気的な干渉を減らし、安定した動作を実現します。
高集積化: 素子間距離を縮小できるため、高密度な集積回路を製造できます。

また、SOI構造では、寄生ダイオードによって発生するバイポーラトランジスタを抑制できるため、より効率的なデバイス設計が可能になります。さらに、素子分離のためのウェルの縮小も可能となるため、PMOSとNMOS間の距離を小さくでき、配置密度を高めることができます。

SOIウエハの製造方法

SOIウエハの主な製造方法は、以下の2種類です。

1. SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen) 方式: 酸素分子をイオン注入によってシリコン結晶表面に埋め込み、高温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します。
2. 張り合わせ方式: バルクウエハの表面に酸化膜を形成し、別のバルクウエハと貼り合わせます。その後、水素イオンを注入して剥離し、化学機械研磨（CMP）で表面仕上げを行います。現在では、表面特性に優れたSmartCut方式が主流となっています。

これらの製造方法により、高品質なSOIウエハを製造することができますが、バルクシリコンウエハに比べて製造工程が増えるため、コストが高くなる傾向にあります。

SOIウエハの種類と応用

SOIウエハには、主に以下の2つのタイプがあります。

1. FDSOI (Fully Depleted SOI): 縁膜上の単結晶シリコン部（ボディ）が非常に薄く、動作時に完全に空乏化するタイプです。
2. PDFSOI (Partially Depleted SOI): ボディ部が比較的厚いタイプです。

これらのSOIウエハは、用途に応じて使い分けられています。

当初、SOIウエハは低消費電力性を活かして時計などに利用されていましたが、その後、高速性が評価され、先端プロセッサにも採用されるようになりました。現在では、高性能プロセッサ、通信機器、自動車電子機器など、幅広い分野でSOI技術が活用されています。

SOIを採用したプロセッサ製品例

Athlon 64
POWER5／POWER6
[PowerPC G3]
[PowerPC G4]
PowerPC G5
Cell (プレイステーション3のCPU)
PX (Xbox 360のCPU)
BroadWay (WiiのCPU)

関連項目

イオン注入
歪みシリコン
リサ・スー

参考文献

(参考文献の情報は、必要に応じて追記してください)

外部リンク

SOITEC

（外部リンクの情報は、必要に応じて追記してください）

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