2.6.4. Гетероэпитаксия. Технология "Кремний на изоляторе"

Монолитные кремниевые слои имеют такие недостатки, как паразитные электрические цепи, возникающие вследствие большой емкости изолирующего перехода, причем с уменьшением размеров приборов трудности, возникающие при решении этой проблемы, возрастают.

Один из способов решения - формирование отдельных активных элементов на небольших островках кремния на изолирующей подложке. С целью дальнейшего совершенствования методов производства СБИС для получения быстродействующих приборов была предложена новая технология - кремний на изоляторе (КНИ). Ее идея состояла в том, что в случае синтезирования монокристаллического кремния на диэлектрической подложке исчезает необходимость в создании изолирующих p-n переходов между элементами ИС, замедляющих работу приборов. Как разновидность метода КНИ используется технология кремний на сапфире (КНС). В КНС технологии в качестве подложки используется сапфир - Al₂O₃. На него эпитаксиальным способом наносят слои полупроводников, например, кремния или арсенида галлия. Процесс является гетероэпитаксиальным, так как материал слоя и подложки отличаются. В качестве кремнийсодержащего соединения наиболее часто выбирают силан, газом-носителем служит водород. При нагревании происходит пиролиз силана:

SiH₄  Si+2H_2.

При этом температура роста составляет от 1000 до 1050 °С, скорость роста до 0.5 мкм/мин, толщина слоя не превышает 1 мкм, уровень легирования находится в диапазоне 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

Поскольку материалы подложки и полупроводника имеют значительное рассогласование решеток и автолегирование Al из подложки играет значительную роль, то эпитаксиальный слой кремния обладает высокой плотностью дефектов. Эти дефекты обуславливают значительные токи утечки p-n переходов, малое время жизни и низкую подвижность носителей. Поэтому КНС технологии можно использовать только при производстве приборов, работающих на основных носителях, например, КМОП схем. Для уменьшения автолегирования Al из подложки полупроводники наносят молекулярно-лучевым способом, имеющим более низкие температуры процесса.

В КНИ технологии в качестве диэлектрической подложки используется слой SiO₂. Он может быть сформирован во внутренних частях монокристалла кремния путем его ионного легирования кислородом с большой дозой на определенную глубину с последующим отжигом в инертной атмосфере.

Рис.2.20. Схема процесса рекристаллизации поликристаллического кремния для формирования КНИ структур.

Используется и другой вариант. В технологическом цикле осуществляют процесс рекристаллизации аморфного кремния, осажденного на двуокись кремния (рис. 2.20). Рекристаллизация производится за счет локального нагрева участка поверхности сканирующим лучом лазера или электронным пучком до температуры плавления. Слой монокристаллического кремния, граничащий поликристаллом или аморфным слоем Si, играет роль затравки, а нитрид кремния используется для уменьшения загрязнений. Отметим, что кремний, полученный по КНИ технологии, имеет меньшую плотность дефектов, чем КНС кремний. Развитие КНИ технологии может послужить толчком в создании ИС нового поколения – трехмерных.