Кремний на сапфире ( SOS ) — это гетероэпитаксиальный процесс производства интегральных схем (ИС) на основе металл-оксид-полупроводника (МОП) , которые состоят из тонкого слоя (обычно тоньше 0,6 мкм ) кремния, выращенного на сапфире ( Al
2О
3) пластина . SOS является частью семейства технологий КМОП (комплементарных МОП) на основе кремния на изоляторе (SOI) .
Обычно используются кристаллы сапфира высокой чистоты, выращенные искусственным путем. Кремний обычно осаждается путем разложения силанового газа ( SiH
4) на нагретых сапфировых подложках. Преимущество сапфира в том, что он является отличным электрическим изолятором , предотвращая распространение блуждающих токов, вызванных излучением, на близлежащие элементы схемы. SOS столкнулись с ранними проблемами в коммерческом производстве из-за трудностей в изготовлении очень маленьких транзисторов, используемых в современных высокоплотных приложениях. Это связано с тем, что процесс SOS приводит к образованию дислокаций, двойникования и дефектов упаковки из -за различий в кристаллической решетке между сапфиром и кремнием. Кроме того, в кремнии, ближайшем к интерфейсу, присутствует некоторое количество алюминия , легирующей примеси p-типа , от подложки.
В 1963 году Гарольд М. Манасевит был первым, кто задокументировал эпитаксиальный рост кремния на сапфире, работая в подразделении Autonetics компании North American Aviation (теперь Boeing ). В 1964 году он опубликовал свои выводы с коллегой Уильямом Симпсоном в журнале Journal of Applied Physics . [1] В 1965 году CW Mueller и PH Robinson изготовили MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) с использованием процесса кремния на сапфире в RCA Laboratories . [2]
SOS впервые был использован в аэрокосмических и военных приложениях из-за его внутренней устойчивости к радиации . Совсем недавно, запатентованные достижения в обработке и проектировании SOS были сделаны Peregrine Semiconductor , что позволило коммерциализировать SOS в больших объемах для высокопроизводительных радиочастотных (РЧ) приложений.
Преимущества технологии SOS позволяют исследовательским группам создавать разнообразные схемы и системы SOS, которые используют преимущества этой технологии и продвигают вперед современный уровень техники в следующих областях:
Датчик давления «кремний на сапфире», датчик давления и мембраны датчика температуры изготавливаются с использованием запатентованного процесса Армена Сахагена с 1985 года. [11] Выдающиеся характеристики в условиях высоких температур помогли продвинуть эту технологию вперед. Эта технология SOS была лицензирована во всем мире. ESI Technology Ltd. в Великобритании разработала широкий спектр датчиков давления и преобразователей давления, которые извлекают выгоду из выдающихся особенностей кремния на сапфире. [12]
Peregrine Semiconductor использовала технологию SOS для разработки интегральных схем RF (RFIC), включая RF-переключатели , цифровые ступенчатые аттенюаторы (DSA), синтезаторы частоты с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), предделители , смесители/ преобразователи с повышением частоты и усилители с переменным коэффициентом усиления . Эти RFIC предназначены для коммерческих приложений RF, таких как мобильные телефоны и инфраструктура сотовой связи, широкополосное потребительское и DTV , тестирование и измерение, а также промышленная общественная безопасность, а также радиационно-стойкие рынки аэрокосмической и оборонной промышленности.
Компания Hewlett-Packard использовала SOS в некоторых своих конструкциях ЦП , в частности в компьютерах серии HP 3000. [13]
Чипы «кремний на сапфире», произведенные в 1970-х годах, оказались более производительными, чем их полностью кремниевые аналоги, но это достигалось ценой более низкого выхода годных — всего 9%. [14] [15]
Применение эпитаксиального роста кремния на сапфировых подложках для изготовления МОП-устройств включает процесс очистки кремния, который смягчает дефекты кристалла, возникающие из-за несоответствия решеток сапфира и кремния. Например, переключатель SP4T компании Peregrine Semiconductor сформирован на подложке SOS, где окончательная толщина кремния составляет приблизительно 95 нм. Кремний углубляется в областях за пределами стека поликремниевого затвора путем полиокисления и далее углубляется процессом формирования спейсера боковой стенки до толщины приблизительно 78 нм. [ необходима цитата ]