2020-04-12
207
Полупроводниковый кремний на протяжении 50 лет является основным материалом твердотельной электроники. По прогнозам экспертов, он сохранит свое лидирующее положение в ближайшие 40 лет в микроэлектронике, силовой электронике и таких новых быстроразвивающихся областях, как телекоммуникационная электроника, солнечная энергетика, микромеханика и др. Проблемы с теплоотводом в высокопроизводительных кремниевых интегральных схемах (ИС) с увеличением тактовой частоты в гигагерцовой области выдвинули технологию кремний - на - изоляторе (КНИ) в качестве главной альтернативы обычной кремниевой технологии. В последние годы в США, Японии, Франции и ряде других стран дальнего зарубежья проводится интенсивный целенаправленный научно-технический поиск в области разработки технологий изготовления высокопроизводительных многофункциональных систем на базе структур КНИ.
КНИ-технология рядом ведущих мировых фирм (IBM, AMD, Motorolla) выбрана генеральным направлением развития кремниевой микроэлектроники, обеспечивающей наибольшие преимущества при создании сверхбыстрых транзисторов (например, 3,3 ТГц в варианте IBM) и ультрабольших интегральных схем (УБИС). Результаты этих исследований практически закрыты, поскольку одновременно затрагиваются аспекты двойного применения, такие как обеспечение радиационной и термической стойкости. Ограничен экспорт как КНИ - ИС, так и КНИ - пластин. По коммерческим каналам в Россию поставляются намеренно непригодные для создания радиационностойких СБИС КНИ - структуры, скрываются существенные результаты, важные для разработки библиотечных элементов для КНИ - ИС.
Известно, что в этих выдвинувшихся на первые позиции странах ежегодно выделяется около миллиарда долларов на проведение поисковых исследований и разработку технологий изготовления однокристальных многофункциональных устройств на основе БиКМОП КНИ - процессов.
Целью настоящей статьи будет анализ причин перехода кремниевой микроэлектроники на КНИ - технологию на основе опыта, полученного в ходе реализации программ по разработке технологий создания КНИ - структур и приборов в Институте физики полупроводников Сибирского Отделения РАН.
Методы производства КНИ - структур
Известно, что переход от кремниевых пластин, в том числе с эпитаксиальным слоем, на КНИ - структуры при производстве большого класса полупроводниковых приборов и микросхем, дает заметные преимущества по сравнению с объемным материалом и, в частности, снижение потребляемой мощности, и увеличение быстродействия. Для производства СБИС используются два основных метода изготовления КНИ - пластин (зарубежное название Silicon On Insulator – SOI):
• имплантационный метод – внедрение в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by Oxygen – SIMOX) с последующим синтезом скрытого оксида при высокотемпературном (> 1300°С) отжиге;
• прямое сращивание (бондинг) облученной водородом донорной окисленной пластины кремния с опорной подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем ее скалывания имплантированным водородом (метод водородного переноса кремния с оксидом Smart-Cut® SOI).
В Институте физики полупроводников СО РАН в 1996 – 2001 гг. была разработана технология, обеспечившая возможность экономически эффективного производства в России высококачественных структур КНИ для микроэлектроники. Технология, названная «DeleCut» (hydrogen irradiated Deleted oxide Cutting),является вариантом метода Smart Cut®. На технологию DeleCut получен Российский патент, изучается также возможность ее патентования в США.
В технологии изготовления КНИ - гшастин DeleCut, объединяющей методы гидрофильного соединения и водородного отслоения, устранены недостатки прототипа. Главным достоинством запатентованного метода DeleCut является структурное и электрофизическое совершенство границы сращивания, находящейся между слоем перенесенного кремния и скрытым термическим оксидом Si/SiO2, что позволило получать слои монокристаллического кремния и оксида толщиной до 3 нм. Метод DeleCut опробован также при создании структур кремний - на - кремнии, перспективных для изготовления силовых приборов и упорядоченных массивов квантовых точек.
По технологии DeleCut изготовлены экспериментальные партии КНИ - пластин диаметром 76 – 150 мм с бездислокационными КНИ - слоями толщиной от 0,01 до 1,8 мкм со скрытым термическим оксидом SiO2 (0,05 – 1,9 мкм). Показано, что полученные КНИ - пластины обладают высокими электрофизическими характеристиками, пригодными для создания КМОП СБИС, СВЧ БИС, оптоэлектронных приборов и различных сенсоров (давления, температуры, излучения).
