Кремний на изоляторе ( КНИ , англ. Silicon on insulator, SOI ) — технология изготовления полупроводниковых приборов , основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний - диэлектрик - кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин . Кроме собственно наименования технологии, термин «кремний на изоляторе» также часто употребляется в качестве названия поверхностного слоя кремния в КНИ-структуре.

Конструктивное исполнение

Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO ₂ или, гораздо реже, сапфир (в этом случае технология называется « кремний на сапфире » или КНС ) . Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути практически ничем не отличается от классической технологии, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина.

В первую очередь технология КНИ находит применение в цифровых интегральных схемах (в частности, в микропроцессорах ), большая часть которых в настоящее время выполняется с использованием КМОП (комплементарной логики на МОП-транзисторах ). При построении схемы по данной технологии большая часть потребляемой мощности затрачивается на заряд паразитной ёмкости изолирующего перехода в момент переключения транзистора из одного состояния в другое, а время, за которое происходит этот заряд, определяет общее быстродействие схемы. Основное преимущество технологии КНИ состоит в том, что за счёт тонкости поверхностного слоя и изоляции транзистора от кремниевого основания удаётся многократно снизить паразитную ёмкость, а значит и снизить время её зарядки вкупе с потребляемой мощностью. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров . Так, например, максимальная частота переключения транзисторов (Ft), выполненных по технологическому процессу 130 нм , может достигать 200 ГГц ; в перспективе, при переходе к технологическим процессам с меньшим размером активных элементов (уже существующему 22 нм, или только разрабатываемому сейчас ^{[ когда? ]} 10 нм ), возможно ещё большее повышение этого показателя.

Другое преимущество технологии КНИ — превосходная стойкость к ионизирующим излучениям (радиационная стойкость), поэтому такая технология широко используется для аэрокосмического и военного электронного оборудования.

Недостаток технологии КНИ — большая стоимость.

Технология изготовления

В настоящее время наиболее распространены КНИ-подложки, где в качестве изолятора выступает диоксид кремния . Такие подложки могут быть получены различными способами, основные из которых: ионная имплантация , , и эпитаксия .

Ионная имплантация

Технология ионной имплантации также известна как ионное внедрение , имплантация кислорода, ионный синтез захороненных диэлектрических слоев и SIMOX ( англ. S eparation by IM plantation of OX ygen ). При использовании данной технологии монолитная кремниевая пластина подвергается интенсивному насыщению кислородом путём бомбардировки поверхности пластины его ионами с последующим отжигом при высокой температуре, в результате чего образуется тонкий поверхностный слой кремния на слое оксида. Глубина проникновения ионов примеси зависит от уровня их энергии, а поскольку технология КНИ подразумевает достаточно большую толщину изолирующего слоя, то при производстве подложек приходится использовать сложные сильноточные ускорители ионов кислорода. Это обусловливает высокую цену подложек, изготовленных по этой технологии, а большая плотность дефектов в рабочих слоях является серьёзным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов.

Сращивание пластин

При использовании технологии ( англ. wafer bonding ) образование поверхностного слоя производится путём прямого сращивания второй кремниевой пластины со слоем диоксида. Для этого гладкие, очищенные и активированные за счёт химической или плазменной обработки пластины подвергают сжатию и отжигу, в результате чего на границе пластин происходят химические реакции, обеспечивающие их соединение . Данная технология практически идеальна для изготовления КНИ-подложек с толстым поверхностным слоем, но с уменьшением его толщины начинает нарастать плотность дефектов в рабочем слое, а кроме того, усложняется технологический процесс и, как следствие, растёт стоимость готовых изделий. В результате, подложки с толщиной поверхностного слоя менее одного микрометра, которые наиболее востребованы при производстве быстродействующих схем с высокой степенью интеграции, имеют тот же набор недостатков, что и подложки, изготовленные по технологии ионной имплантации .

Управляемый скол

Технология ( англ. Smart Cut ), разработанная французской компанией , объединяет в себе черты технологий ионного внедрения и сращивания пластин . В данном технологическом процессе используются две монолитные кремниевые пластины. Первая пластина подвергается термическому окислению, в результате чего на её поверхности образуется слой диоксида, затем верхняя лицевая поверхность подвергается насыщению ионами водорода с использованием технологии ионного внедрения. За счёт этого в пластине создаётся область скола, по границе которой пройдёт отделение оставшейся массы кремния. По завершении процедуры ионного внедрения пластина переворачивается и накладывается лицевой стороной на вторую пластину, после чего происходит их сращивание. На завершающей стадии проводится отделение первой пластины, в результате которого на поверхности второй остаётся слой диоксида и тонкий поверхностный слой кремния. Отделённая часть первой пластины используется в новом производственном цикле.

Производство КНИ-подложек по технологии управляемого скола требует большого количества операций, но в его процессе используется только стандартное оборудование. Кроме того, важным достоинством пластин, полученных по этой технологии, является низкая плотность дефектов в рабочем слое.

Эпитаксия

В случае использования эпитаксиальной технологии ( англ. seed method ) поверхностный слой образуется за счёт выращивания кремниевой плёнки на поверхности диэлектрика . Активные элементы, полученные на таких подложках, демонстрируют отличные рабочие характеристики, но большое число технологических проблем, связанных с эпитаксиальным процессом, пока ещё ^{[ когда? ]} не дают возможностей для массового внедрения этой технологии.

Использование в технике

Перечень ряда устройств, произведённых с использованием КНИ-подложек, приведён ниже.

• Opteron (основанные на архитектуре k8) — семейство процессоров компании AMD , выпускаемых по технологическим процессам 130 нм (одноядерные) и 90 нм (одно- и двухъядерные)
• Cell — восьмиядерный процессор, совместно разработанный компаниями Sony , Toshiba и IBM (технологический процесс — 90 нм ), используется в игровой приставке Sony PlayStation 3
• Xenon — трёхъядерный процессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм , 65 нм ), используется в игровой приставке Microsoft Xbox 360
• Broadway — процессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм ), используется в игровой приставке Nintendo Wii

Девятое поколение процессоров Intel Core 2 , выполненных по технологическому процессу 65 нм , напротив, производится на основе обычных монолитных кремниевых пластин.

См. также

• Кремниевая пластина
• Планарная технология
• Пористый кремний
• Фотолитография
• Intel TeraHertz

Ссылки

• — обзорная статья о КНИ и общих принципах функционирования современных цифровых микросхем
• — большая подборка ссылок на публикации, посвященные КНИ /вебархив/

Примечания