InfoMat: 斯坦福大学崔屹教授-基于超薄硅晶圆的高性能双面晶体管

晶体硅因制造工艺成熟,机械强度高,热稳定性好,电学性能优异,是应用最广泛、性能最优良的半导体材料。近年来,超薄硅晶圆因具有好的光透明性,优异的机械柔性等优点受到广泛关注,并应用于制备高性能的三维集成电路,晶体硅光伏领域,柔性电子等领域。然而,超薄硅的加工工艺极大的限制了其在电子领域的应用。当晶体硅厚度降低至150 um以下,其刚度和强度无法满足现有的高科技制造设备和处理机制设定的标准。

美国斯坦福大学材料科学与工程系崔屹教授团队首次利用无载体碱性刻蚀法,得到厚度为6-20 um的超薄硅晶圆,并作为衬底制备出双面高性能晶体管。

该工作选用双面抛光,厚度350 um,直径100 mm的硅晶圆。首先用两块直径75 mm的玻璃掩盖硅晶圆的两面,然后在晶圆外围沉积直径25 mm的SiN环,最后将晶圆放入氢氧化四甲铵溶液中刻蚀一定时间,得到的硅晶圆两面均为中间薄(厚度为6-20 um,直径75 mm),边缘厚(厚度> 350 um,直径25 mm)的独特结构。

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硅晶圆边缘的厚支撑环使内部的超薄硅具有良好的柔性和刚性,并且与其他加工加工方法得到的超薄硅晶圆相比,因不需要粘合剂材料,极大的减少了化学不兼容性,并适用于各种传统半导体加工设备。除此之外,中间超薄的硅晶圆在红光下具有良好的光透明性,并耐高温,极大的利于后续集成电路的制备。

研究者通过传统的CMOS光刻技术和工艺在超薄硅晶圆的两面制备晶体管器件。经测试,所有器件的性能均符合设计标准,在表面曲率半径为70 mm下测量的器件Iv-Ig曲线与在未弯折情况下一致。在厚度为6 um的硅晶圆上制备的器件展示了优异的性能,其阈值电压VT = -0.70 V,电子迁移率~1500 cm2 V-1 second-1,与在标准块体硅晶圆上制备的器件相同。

该工作制备了具有厚支撑环的超薄硅晶圆,保证其在加工过程中硬度和可加工型,首次在薄而易碎的衬底上实现了双侧晶体管器件,期望推动未来小型化的高性能集成器件的发展。(DOI: 10.1002/inf2.12087)