Français
Menu

SOI vs silicium massif : les différences pour les fabricants de puces

La plupart des puces sont fabriquées directement dans un wafer de silicium ordinaire, appelé silicium massif (bulk). Un wafer silicium sur isolant (SOI) ajoute une fine couche d'oxyde enterrée sous la fine couche de silicium où se trouvent les transistors. Cette couche isolante sépare les transistors du substrat, ce qui réduit la capacité parasite et supprime le latch-up : les circuits peuvent ainsi être plus rapides ou consommer moins. La contrepartie est un wafer plus cher et une moins bonne évacuation de la chaleur.

CritèreSilicium massifSOI
StructureLes transistors sont fabriqués directement dans le wafer de siliciumUne fine couche de silicium repose sur un oxyde enterré (BOX) sur un substrat en silicium
IsolationCaissons et isolation par tranchées peu profondesIsolation complète du substrat par le BOX, plus une isolation latérale par tranchées
Capacité parasiteCapacité de jonction plus grandePlus faible, car les jonctions reposent sur l'oxyde
Latch-upPossible, en raison des structures de thyristor parasitesÉliminé
Erreurs logicielles (soft errors)Plus sensible aux charges générées par les rayonnementsMoins sensible, car le volume de collecte des charges est petit
Réglage du seuilPolarisation du substrat possible mais limitéeLe SOI totalement déserté (FD-SOI) permet une forte polarisation de grille arrière à travers le BOX
Auto-échauffementLa chaleur s'évacue dans le substratPlus marqué : la couche d'oxyde conduit mal la chaleur
Coût du waferFaibleNettement plus élevé
Usages typiquesLa plupart des puces CMOS : mémoires, processeurs et logique généraleCommutateurs RF des smartphones, puces FD-SOI basse consommation pour l'IoT et l'automobile, MEMS, circuits intégrés haute tension et résistants aux rayonnements

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Silicium massif
Le choix par défaut pour les puces courantes, car les wafers sont bon marché et l'écosystème est mature.
SOI
Lorsque la basse consommation, les performances RF, la tolérance aux rayonnements ou la polarisation du substrat justifient le surcoût du wafer.

Questions fréquentes

À quoi sert l'oxyde enterré ?

Il isole du substrat la fine couche de silicium où se trouvent les transistors, ce qui réduit la capacité parasite et élimine le latch-up.

Pourquoi le SOI est-il plus cher ?

Les wafers SOI nécessitent des étapes de fabrication supplémentaires pour créer la couche d'oxyde enterrée, ils coûtent donc nettement plus cher que les wafers massifs.

Qu'est-ce que le FD-SOI ?

Le SOI totalement déserté utilise une couche de silicium très mince, entièrement désertée de porteurs. Il offre un bon contrôle du canal et permet la polarisation de grille arrière à travers l'oxyde enterré.

Pourquoi l'auto-échauffement est-il plus marqué en SOI ?

L'oxyde enterré conduit mal la chaleur, si bien que la chaleur des transistors ne peut pas s'évacuer dans le substrat aussi facilement que dans le silicium massif.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la définition de la structure SOI (Silicon On Insulator) ?

  1. AUne structure de transistor sans diélectrique de grille
  2. BUne structure où les transistors sont fabriqués dans une fine couche de silicium située sur un oxyde enterré
  3. CUne structure empilant deux puces
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Une structure où les transistors sont fabriqués dans une fine couche de silicium située sur un oxyde enterré

Le SOI est une structure où les transistors sont fabriqués dans une fine couche de silicium située sur un oxyde enterré (couche BOX) dans le substrat de silicium. Les composants étant isolés du substrat, les capacités de jonction et les courants de fuite sont faibles et le latch-up ne se produit pas. Les plaquettes sont fabriquées notamment par le procédé Smart Cut, qui colle une plaquette oxydée puis amincit l'une des deux. Le SOI est largement utilisé pour les commutateurs haute fréquence (RF-SOI) et, en version FD-SOI, pour la basse consommation.

Quel est l'avantage du transistor SOI totalement déplété (FD-SOI) ?

  1. ALa couche de silicium peut être épaisse et fortement dopée
  2. BL'électrode de grille devient inutile
  3. CLe canal peut être peu dopé, ce qui limite la dispersion de la tension de seuil, et la polarisation du substrat permet d'ajuster facilement le seuil
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Le canal peut être peu dopé, ce qui limite la dispersion de la tension de seuil, et la polarisation du substrat permet d'ajuster facilement le seuil

En FD-SOI, toute la couche de silicium extrêmement mince, d'environ 5 à 7 nm, est déplétée ; les effets de canal court sont limités sans doper le canal et la dispersion due aux fluctuations aléatoires de dopants diminue. En outre, une tension appliquée côté substrat à travers le mince oxyde enterré (environ 20 nm) permet de modifier dynamiquement le seuil ; le FD-SOI est utilisé pour l'IoT basse tension et basse consommation, l'automobile et la RF.

Quelle est la cause de l'auto-échauffement, problématique dans les FinFET et les transistors SOI ?

  1. ALe transistor se refroidit trop
  2. BAucun courant ne circule
  3. CLe canal, de structure fine ou entouré d'isolants, évacue difficilement la chaleur produite vers le substrat
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Le canal, de structure fine ou entouré d'isolants, évacue difficilement la chaleur produite vers le substrat

Dans les structures fines comme les ailettes ou entourées d'oxyde à faible conductivité thermique (le SiO2 conduit environ 100 fois moins que le Si), la chaleur produite par le transistor s'évacue mal vers le substrat, et la température du canal peut dépasser celle de l'environnement de plusieurs dizaines de degrés. La hausse de température réduit la mobilité et le courant, et accélère l'électromigration des interconnexions voisines et la dégradation des composants ; elle doit donc être prise en compte dans l'évaluation de la fiabilité et la conception des circuits.

  1. Dans un FinFET sur substrat massif, quel est l'objectif de la couche fortement dopée placée au pied de l'ailette (zone difficile à contrôler par la grille) ?
  2. Pourquoi les plaquettes SOI sont-elles souvent utilisées dans la fabrication des MEMS ?

Questions d'entraînement sur Transistors avancés (FinFET et GAA)

Termes clés expliqués

Plaquette SOI
Plaquette comportant une fine couche de silicium au-dessus d'un substrat de silicium, séparée par un oxyde enterré (couche BOX). Fabriquée par exemple en collant une plaquette implantée d'ions hydrogène puis en la clivant. Faible capacité parasite ; utilisée pour le FD-SOI et les MEMS.
FD-SOI (SOI totalement déplété)
Technologie où les transistors sont formés dans une couche de silicium très mince au-dessus d'un oxyde enterré, le canal étant totalement déplété. Le canal peut être peu dopé, et la tension de seuil s'ajuste facilement par polarisation du substrat.

Comparatifs associés