ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยี ซิลิคอนบนฉนวน ( SOI ) คือการผลิต อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอนในพื้นผิว ซิลิคอน-ฉนวน-ซิลิคอนแบบหลายชั้น เพื่อลดความจุปรสิตภายในอุปกรณ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพ^{[ 1 ]} อุปกรณ์ที่ ใช้SOI แตกต่างจากอุปกรณ์ที่สร้างจากซิลิคอนแบบดั้งเดิมตรงที่รอยต่อซิลิคอนอยู่เหนือฉนวนไฟฟ้าซึ่งโดยทั่วไปคือซิลิคอนไดออกไซด์หรือแซฟไฟร์ (อุปกรณ์ประเภทนี้เรียกว่าซิลิคอนบนแซฟไฟร์หรือ SOS) การเลือกใช้ฉนวนขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการเป็นส่วนใหญ่ โดยแซฟไฟร์จะใช้สำหรับการใช้งานคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ประสิทธิภาพสูงและการใช้งานที่ไวต่อรังสี และซิลิคอนไดออกไซด์จะใช้เพื่อลดผลกระทบจากช่องสัญญาณสั้นในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ^{[ 2 ]}ชั้นฉนวนและชั้นซิลิคอนบนสุดก็แตกต่างกันไปอย่างมากตามการใช้งาน^{[ 3 ]}

เทคโนโลยี SOI เป็นหนึ่งในกลยุทธ์การผลิตหลายอย่างที่ช่วยให้สามารถย่อขนาด อุปกรณ์ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่า "การขยายกฎของมัวร์ " (หรือ "more moore" ซึ่งย่อว่า "MM") ประโยชน์ที่รายงานของ SOI เมื่อเทียบกับการประมวลผลซิลิคอนแบบดั้งเดิม ( CMOS แบบ bulk ) ได้แก่: ^{[ 4 ]}

• ลดค่าความจุปรสิตเนื่องจากการแยกออกจากเนื้อซิลิคอนทำให้ประหยัดพลังงานมากขึ้นในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพไว้ได้
• ความต้านทานต่อ การเกิด แลตช์อัพเนื่องจากการแยกโครงสร้างของ n-well และ p-well อย่างสมบูรณ์
• ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นที่VDD เทียบเท่า สามารถทำงานได้ที่ VDD ต่ำ^{[ 5 ]}
• ลดการพึ่งพาอุณหภูมิเนื่องจากไม่มีการเติมสารเจือปน
• ผลผลิตดีขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นสูง การใช้เวเฟอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น
• ปัญหาเกี่ยวกับเสาอากาศลดลง
• ไม่จำเป็นต้องเจาะร่างกายหรือเจาะบ่อน้ำ
• กระแสรั่วไหลลดลงเนื่องจากฉนวน จึงทำให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้น
• โดยธรรมชาติแล้วมีความทนทานต่อรังสี (ทนต่อข้อผิดพลาดเล็กน้อย) จึงลดความจำเป็นในการสำรองข้อมูล

จากมุมมองด้านการผลิต สารตั้งต้น SOI เข้ากันได้กับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการที่ใช้ SOI สามารถนำไปใช้ได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษหรือการปรับเปลี่ยนเครื่องมือโรงงานที่มีอยู่เดิมอย่างมีนัยสำคัญ ความท้าทายเฉพาะของ SOI ได้แก่ ข้อกำหนด ด้านการวัด แบบใหม่ เพื่อคำนึงถึงชั้นออกไซด์ที่ฝังอยู่ และความกังวลเกี่ยวกับความเครียดที่แตกต่างกันในชั้นซิลิคอนบนสุด แรงดันเกณฑ์ของทรานซิสเตอร์ขึ้นอยู่กับประวัติการทำงานและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ทำให้การสร้างแบบจำลองทำได้ยากขึ้น อุปสรรคสำคัญในการนำ SOI ไปใช้คือต้นทุนของสารตั้งต้นที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตโดยรวมเพิ่มขึ้น ประมาณ 10 – 15% ^{[ 6 ]} FD-SOI (ซิลิคอนที่ถูกทำให้หมดไปอย่างสมบูรณ์บนฉนวน) ได้รับการพิจารณาว่าเป็นทางเลือกต้นทุนต่ำที่มีศักยภาพแทน FinFET ^{[ 7 ]}

SOI MOSFET เป็น อุปกรณ์ ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) ซึ่งมี ชั้น เซมิคอนดักเตอร์เช่น ซิลิคอนหรือเจอร์มาเนียมก่อตัวขึ้นบนชั้นฉนวน ซึ่งอาจเป็นชั้นออกไซด์ฝังตัว (BOX) ที่ก่อตัวขึ้นในพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}อุปกรณ์ SOI MOSFET ได้รับการดัดแปลงเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ชั้นออกไซด์ฝังตัวสามารถใช้ในการออกแบบSRAM ได้ ^{[ 11 ]}อุปกรณ์ SOI มีสองประเภท ได้แก่ PDSOI (SOI ที่มีการพร่องบางส่วน) และ FDSOI (SOI ที่มีการพร่องอย่างสมบูรณ์) MOSFET สำหรับ PDSOI P-MOSFET ฟิล์มชนิด n ที่อยู่ระหว่างออกไซด์ของเกต (GOX) และออกไซด์ฝังตัว (BOX) มีขนาดใหญ่ ดังนั้นบริเวณการพร่องจึงไม่สามารถครอบคลุมบริเวณ n ทั้งหมดได้ ดังนั้นในระดับหนึ่ง PDSOI จึงมีพฤติกรรมคล้ายกับMOSFET แบบทั่วไป เห็นได้ชัดว่ามีข้อดีบางประการเหนือกว่า MOSFET แบบดั้งเดิม ฟิล์มในอุปกรณ์ FDSOI นั้นบางมาก ทำให้บริเวณการพร่องครอบคลุมพื้นที่ช่องสัญญาณทั้งหมด ใน FDSOI เกตด้านหน้า (GOX) รองรับประจุการพร่องน้อยกว่าแบบดั้งเดิม ดังนั้นจึงเกิดการเพิ่มขึ้นของประจุผกผัน ส่งผลให้ความเร็วในการสวิตช์สูงขึ้น การจำกัดประจุการพร่องโดย BOX ทำให้เกิดการยับยั้งความจุการพร่อง และด้วยเหตุนี้จึงลดค่า subthreshold swing ลงอย่างมาก ทำให้ MOSFET แบบ FDSOI สามารถทำงานได้ที่แรงดันไบแอสเกตที่ต่ำกว่า ส่งผลให้การทำงานใช้พลังงานต่ำลง ค่าsubthreshold swingสามารถเข้าถึงค่าต่ำสุดทางทฤษฎีสำหรับ MOSFET ที่ 300K ซึ่งคือ 60mV/decade ค่าในอุดมคตินี้ได้รับการสาธิตครั้งแรกโดยใช้การจำลองเชิงตัวเลข^{[ 12 ] [ 13 ]}ข้อเสียอื่นๆ ใน MOSFET แบบดั้งเดิม เช่น การลดลงของแรงดันเกณฑ์ ฯลฯ จะลดลงใน FDSOI เนื่องจากสนามไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดและระบายไม่สามารถรบกวนกันได้เนื่องจาก BOX ปัญหาหลักใน PDSOI คือ " ปรากฏการณ์วัตถุลอยตัว (Floating Body Effect : FBE)" เนื่องจากฟิล์มไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟใดๆ

ซิโอเป็นฐาน สามารถผลิตได้ด้วยหลายวิธี:

• SIMOX - การแยกโดยการฝังออกซิเจน -ใช้ กระบวนการ ฝัง ไอออนออกซิเจนด้วยลำแสง ตามด้วยการอบที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้าง SiO ที่ฝังอยู่ภายในชั้น ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• การเชื่อมแผ่นเวเฟอร์^{[ 16 ] [ 17 ]} –ชั้นฉนวนถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมซิลิคอนออกซิไดซ์เข้ากับพื้นผิวที่สองโดยตรง พื้นผิวที่สองส่วนใหญ่จะถูกกำจัดออกไปในภายหลัง ส่วนที่เหลือจะก่อตัวเป็นชั้น Si ด้านบนสุด
  • ตัวอย่างที่โดดเด่นอย่างหนึ่งของกระบวนการเชื่อมแผ่นเวเฟอร์คือ วิธี การตัดอัจฉริยะที่พัฒนาโดยบริษัทSoitec ของฝรั่งเศส ซึ่งใช้การปลูกถ่ายไอออนตามด้วยการลอกออกที่ควบคุมได้เพื่อกำหนดความหนาของชั้นซิลิคอนบนสุด อีกวิธีหนึ่งในยุคแรกคือ Bond and Etch-Back SOI (BESOI) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเชื่อมแผ่นเวเฟอร์ที่ถูกออกซิไดซ์เข้ากับแผ่นเวเฟอร์แผ่นที่สอง จากนั้นจึงกัดแผ่นเวเฟอร์แผ่นหนึ่งออกเพื่อสร้างฟิล์มซิลิคอนบางๆ เหนือออกไซด์^{[ 18 ]}
  • NanoCleaveเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาโดย Silicon Genesis Corporation ซึ่งแยกซิลิคอนโดยใช้ความเค้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างซิลิคอนและโลหะผสมซิลิคอน-เจอร์มาเนียม^{[ 19 ]}
  • ELTRANเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาโดย Canon ซึ่งมีพื้นฐานมาจากซิลิคอนพรุนและการตัดด้วยน้ำ^{[ 20 ]}
• วิธีการปลูกเมล็ดพันธุ์^{[ 21 ]} - โดยที่ชั้น Si ด้านบนสุดจะเติบโตโดยตรงบนฉนวน วิธีการปลูกเมล็ดพันธุ์ต้องใช้แม่แบบบางอย่างสำหรับโฮโมเอพิแทกซี ซึ่งอาจทำได้โดยการบำบัดทางเคมีของฉนวน ฉนวนผลึกที่มีทิศทางที่เหมาะสม หรือรูผ่านฉนวนจากพื้นผิวรองรับ

สามารถดูรีวิวโดยละเอียดของกระบวนการผลิตต่างๆ เหล่านี้ได้ในเอกสารอ้างอิง^{[ 1 ]}

IBM เริ่มใช้ SOI ใน ไมโครโปรเซสเซอร์ PowerPC-AS ระดับไฮเอนด์RS64-IV "Istar" ในปี 2000 ตัวอย่างอื่นๆ ของไมโครโปรเซสเซอร์ที่สร้างขึ้นบนเทคโนโลยี SOI ได้แก่ โปรเซสเซอร์แบบแกนเดี่ยว แกนคู่ แกนสี่ แกนหก และแกนแปด ของAMD  ที่ผลิตด้วยกระบวนการ 130 นาโนเมตร 90  นาโนเมตร 65  นาโนเมตร 45  นาโนเมตร และ 32 นาโนเมตร  ตั้งแต่ปี 2001 ^{[ 22 ]} Freescaleนำ SOI มาใช้ใน CPU PowerPC 7455 ในช่วงปลายปี 2001 ปัจจุบันFreescale กำลังจัดส่งผลิตภัณฑ์ SOI ในสายการผลิต 180 นาโนเมตร 130 นาโนเมตร 90 นาโนเมตร และ 45 นาโนเมตร^{[ 23 ]} โปรเซสเซอร์ที่ใช้ PowerPCและPower ISAขนาด 90 นาโนเมตรที่ใช้ในXbox 360 , PlayStation 3และWiiก็ใช้เทคโนโลยี SOI เช่นกันอย่างไรก็ตามข้อเสนอการแข่งขันจากIntel ยังคง ใช้ เทคโนโลยี CMOS แบบ ดั้งเดิม สำหรับแต่ละโหนดกระบวนการ โดยมุ่งเน้นไปที่ช่องทางอื่น เช่นHKMGและทรานซิสเตอร์แบบไตรเกตเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2548 นักวิจัยของ Intel รายงานเกี่ยวกับเลเซอร์ Raman แบบท่อนำคลื่นซิลิคอนแบบชิปเดี่ยวที่สร้างขึ้นโดยใช้ SOI ^{[ 24 ]}     

สำหรับโรงหล่อแบบดั้งเดิม ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2549 TSMCอ้างว่าไม่มีลูกค้ารายใดต้องการ SOI ^{[ 25 ]}แต่Chartered Semiconductorได้ทุ่มเทโรงงานผลิตทั้งหมดให้กับ SOI ^{[ 26 ]}

ในปี พ.ศ. 2533 Peregrine Semiconductorเริ่มพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต SOI โดยใช้ โหนด CMOS มาตรฐาน 0.5 μm และพื้นผิวแซฟไฟร์ที่ได้รับการปรับปรุง กระบวนการ ซิลิคอนบนแซฟไฟร์ (SOS) ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของบริษัทนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชัน RF ประสิทธิภาพสูง ข้อดีโดยธรรมชาติของพื้นผิวแซฟไฟร์ที่เป็นฉนวนช่วยให้มีการแยกสูง ความเป็นเส้นตรงสูง และทนต่อการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) บริษัทอื่นๆ อีกหลายแห่งยังได้นำเทคโนโลยี SOI ไปประยุกต์ใช้ในแอปพลิเคชัน RF ที่ประสบความสำเร็จในสมาร์ทโฟนและวิทยุสื่อสาร^{[ 27 ]}

การแยกทางไฟฟ้าที่เหนือกว่าของพื้นผิว SOI ทำให้เทคโนโลยีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบ RF สมัยใหม่หลากหลายประเภท ซึ่งช่วยให้สามารถพัฒนาวงจรแบบบูรณาการ ประสิทธิภาพสูง และเป็นเชิงเส้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบการสื่อสารขั้นสูง แอปพลิเคชันหลักที่ใช้ประโยชน์จากข้อดีเหล่านี้ ได้แก่ ท่อนำคลื่น RF สำหรับเครือข่าย 5Gและการสื่อสารผ่านดาวเทียมเครื่องขยายสัญญาณ RF และตัวรับส่งสัญญาณที่มีความเป็นเชิงเส้นสูงสำหรับยานยนต์และแอปพลิเคชันเสมือนจริง และตัวกรอง RF ขนาดกะทัดรัดที่ปรับได้สำหรับอุปกรณ์ไร้สาย รุ่นต่อ ไป^{[ 28 ]}ความสามารถของเทคโนโลยีในการรวมส่วนประกอบ RF หลายตัวเข้าไว้ในชิปเดียวสนับสนุนแนวโน้มที่กำลังดำเนินไปสู่ระบบการสื่อสารไร้สายที่มีขนาดกะทัดรัดและใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น

แผ่นเวเฟอร์ SOI ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในซิลิคอนโฟโตนิกส์ [ ^{29 ] ชั้น}ซิลิคอนผลึกบนฉนวนสามารถใช้ในการผลิตท่อนำแสงและอุปกรณ์แสงอื่นๆ ทั้งแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟ (เช่น ผ่านการฝังตัวที่เหมาะสม) ฉนวนที่ฝังอยู่ช่วยให้แสงอินฟราเรดสามารถแพร่กระจายในชั้นซิลิคอนโดยอาศัยการสะท้อนภายในทั้งหมด พื้นผิวด้านบนของท่อนำแสงสามารถปล่อยไว้โดยไม่ปิดคลุมและสัมผัสกับอากาศ (เช่น สำหรับการใช้งานด้านการตรวจจับ) หรือปิดคลุมด้วยวัสดุหุ้ม ซึ่งโดยทั่วไปทำจากซิลิกา^{[ 30 ]}

ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยี SOI เมื่อเปรียบเทียบกับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมคือต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้น^{[ 31 ]}ณ ปี 2012 มีเพียง IBM และ AMD เท่านั้นที่ใช้ SOI เป็นพื้นฐานสำหรับโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูง ส่วนผู้ผลิตรายอื่น ๆ (Intel, TSMC, Global Foundries เป็นต้น) ใช้เวเฟอร์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมในการสร้างชิปCMOS ของตน ^{[ 31 ]}

จากข้อมูล ณ ปี 2020 ตลาดที่ใช้กระบวนการ SOI คาดว่าจะเติบโตขึ้นประมาณ 15% ในอีก 5 ปีข้างหน้า ตามข้อมูลจาก Market Research Future group ^{[ 32 ]}

• Intel TeraHertz - เทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกันจาก Intel
• วิศวกรรมความเครียด
• แผ่นเวเฟอร์ (อิเล็กทรอนิกส์)
• การเชื่อมแผ่นเวเฟอร์

• กลุ่มอุตสาหกรรม SOI - เว็บไซต์ที่มีข้อมูลและความรู้มากมายเกี่ยวกับเทคโนโลยี SOI
• พอร์ทัล SOI IP - เครื่องมือค้นหาสำหรับ SOI IP
• AMDboard - เว็บไซต์ที่มีข้อมูลมากมายเกี่ยวกับเทคโนโลยี SOI
• Advanced Substrate News - จดหมายข่าวเกี่ยวกับอุตสาหกรรม SOI จัดทำโดย Soitec
• MIGAS '04 - การอบรมภาคฤดูร้อนนานาชาติ MIGAS ครั้งที่ 7 ด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง ซึ่งมุ่งเน้นเทคโนโลยีและอุปกรณ์ SOI
• MIGAS '09 - การอบรมภาคฤดูร้อนนานาชาติครั้งที่ 12 ด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง: "อุปกรณ์นาโนซิลิคอนบนฉนวน (SOI)"