В предыдущей публикации мы разобрались, что представляет собой технология «кремний на изоляторе» (КНИ) и в каких областях она находит применение. Теперь давайте подробнее рассмотрим ключевые промышленные методы создания самих КНИ-пластин, которые служат основой для производства микросхем.
Основные методы производства КНИ-подложек
Существует несколько технологических подходов к формированию тонкого слоя монокристаллического кремния на изолирующей подложке. Каждый из них имеет свои особенности, преимущества и ограничения.
1. Метод ионного внедрения (SIMOX)
Это один из классических способов. Берётся цельная кремниевая пластина, которую подвергают мощной бомбардировке ионами кислорода. После этого пластину нагревают до высоких температур. В результате ионы кислорода вступают в реакцию с кремнием, формируя внутри пластины сплошной изолирующий слой из диоксида кремния (SiO₂). Над этим слоем остаётся тонкий поверхностный слой кремния, пригодный для создания транзисторов.
Недостатки метода: процесс требует использования сложного и дорогого оборудования — сильноточных ускорителей ионов. Кроме того, бомбардировка может приводить к образованию дефектов кристаллической решётки в верхнем рабочем слое кремния, что негативно сказывается на характеристиках будущих приборов.
2. Технология сращивания пластин (Wafer Bonding)
В этом методе изолирующий слой и рабочий слой кремния формируются из двух разных пластин. На одну пластину наносят слой диоксида кремния. Затем её тщательно очищают и активируют поверхность с помощью химической или плазменной обработки. После этого её буквально «склеивают» со второй кремниевой пластиной под давлением и при высокой температуре (отжиг). На границе раздела происходят химические реакции, обеспечивающие прочное неразъёмное соединение.
Эта технология отлично подходит для создания подложек с относительно толстым рабочим слоем. Однако при попытке получить очень тонкий слой кремния процесс усложняется, растёт количество дефектов, а себестоимость производства увеличивается.
3. Метод управляемого скола (Smart Cut®)
Эта передовая технология, разработанная компанией Soitec, комбинирует принципы ионного внедрения и сращивания пластин, что позволяет минимизировать их недостатки.
Процесс начинается с двух пластин. На первой создают слой оксида, а затем имплантируют в неё ионы водорода, формируя ослабленную область на определённой глубине. Эту пластину переворачивают и сращивают со второй пластиной-основанием. После отжига первая пластина раскалывается точно по подготовленной области. В результате на второй пластине остаётся тонкий слой кремния на изолирующем оксиде. Отколотую часть первой пластины можно очистить и использовать повторно в следующем цикле.
Главные преимущества: очень низкая плотность дефектов в рабочем слое и возможность использования стандартного оборудования для ионной имплантации.
Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.
4. Эпитаксиальные методы
Здесь рабочий слой кремния не вырезается из цельной пластины, а выращивается непосредственно на поверхности диэлектрика. Это позволяет получать плёнки с исключительно высоким качеством кристаллической структуры и отличными электронными свойствами.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD): кремнийсодержащий газ (например, моносилан) в среде водорода подаётся в реактор, где при высокой температуре кремний осаждается на подложку, формируя монокристаллический слой.
Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE): ещё более точный метод, при котором кремний испаряется в сверхвысоком вакууме с помощью электронного пучка и осаждается на подложку с атомарной точностью. Это позволяет контролировать толщину слоя буквально до монослоя.
5. Фирменная технология UltraCMOS®
Особый подход от компании pSemi (ранее Peregrine Semiconductor). В качестве подложки используется не оксид кремния, а сапфир (Al₂O₃). На него эпитаксиально наращивают слой кремния. Из-за несовпадения кристаллических решёток сапфира и кремния в приграничном слое образуется много дефектов, но верхняя часть плёнки имеет хорошее качество.
Для улучшения структуры плёнку облучают ионами кремния, превращая дефектный нижний слой в аморфный. Последующий отжиг запускает процесс перекристаллизации (твёрдофазной эпитаксии), в результате чего дефектов становится значительно меньше. Верхний слой кремния затем окисляют и удаляют, оставляя высококачественный монокристаллический слой на сапфире.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Экстремальная электроника. Часть 3. Методы изготовления приборов по технологии кремний на изоляторе.