Преимущества структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния

Анализ развития полупроводниковых технологий показывает, что в перспективе на структурах кремний на изоляторе (КНИ) удастся получать приборы (микросхемы) с улучшенными характеристиками по сравнению с аналогичными приборами изготовленными на обычных кремниевых пластинах. Технологические процессы изготовления интегральных схем (ИС), адаптированные для таких структур, могут стать наиболее подходящей основой для производства аналоговых, смешанных (биполярные-КМОП-ДМОП ИС) и цифровых ИС с наивысшими техническими характеристиками [1-33].

Основные преимущества структур КНИ перед объемным кремнием заключены в уменьшении влияния паразитных эффектов по периметру границы прибора и надежной изоляции рабочего объема прибора от остальной схемы и подложки.

Приборы с изоляцией p-n переходом имеют более значительные паразитные элементы. Диэлектрическая изоляция позволяет существенно уменьшить паразитные емкости, что повышает быстродействие. Транзистор в ИС с изоляцией p-n переходом содержит паразитную тиристорную структуру, которая может привести к защелкиванию при воздействии переходных процессов и высоких уровнях напряжения. Полная диэлектрическая изоляция исключает подобные нежелательные эффекты, устраняет взаимовлияние между элементами схемы и обеспечивает повышенное пробивное напряжение. Поскольку все проблемы, связанные с паразитными элементами и генерацией зарядов в объеме полупроводника, обостряются с ростом температуры или при действии ионизирующего излучения, ИС с полной диэлектрической изоляцией компонентов в общем случае отличаются от обычных схем лучшими параметрами при высоких температурах или воздействии радиации. Диэлектрическая изоляция позволяет увеличить возможности снижения потребляемой мощности и повышения быстродействия при пониженном уровне напряжения питания ИС. Диэлектрическая изоляция компонентов на кристалле более компактна (по сравнению с изоляцией p-n переходом) и соответственно на всей площади кремниевой пластины занимает меньше места, что приводит к увеличению интегральной плотности элементов. Надежность диэлектрической изоляции компонентов существенно выше надежности изоляции p-n переходом. Поэтому использование кремниевых структур, позволяющих изготавливать ИС с полной диэлектрической изоляцией, является не только перспективным, экономически целесообразным, но и, возможно, единственным способом получением приборов с необходимыми рекордными параметрами.

Таким образом, реально существует ряд факторов (перечисленных выше), позволяющих не только производить продукт (ИС) улучшенного качества, но и получать экономическую выгоду от использования структур КНИ вместо кремниевых подложек.

Перспективы применения структур "кремний на изоляторе" (КНИ)

Структуры КНИ могут использоваться практически для любых типов микросхем. Наиболее широкое применение структуры КНИ нашли в процессах получения высоковольтных ИС, изготавливаемых по биполярной и смешанной технологиям, в процессах получения высокоскоростных КМОП схем, схем «разумной мощности», для изготовления оптоэлектронных микросхем, в технологии получения низкоэнергопотребляющих схем, для изготовления устройств для интегрально-оптических приборов и волноводов, для изготовления сенсоров и получения микро-электро-механических систем. В последнее время интерес специалистов к структурам с диэлектрической изоляцией компонентов постоянно возрастает в связи с увеличением выпуска многими компаниями структур типа "кремний на изоляторе" для широкого использования и значительным улучшением кристаллографического совершенства изолированного кремния, сравнимого с параметрами объемного кремния в подложке. Также значительное увеличение спроса на структуры КНИ связано с возможностью высокой плотности размещения элементов на кристалле и быстродействием ИС, изготовленных по этой технологии. структур КНИ.

Ниже построена схема процесса изготовления структур КНИ в рамках Smart-cvut технологиии и определены направления исследований. Установлены ключевые операции процессов: подготовка пластин, сращивание, режимы обработки поверхности и термообработки. Исследованы процессы химико-механической, химической, электрохимической, плазмохимической обработки кремниевых пластин и структур. Исследованы процессы ионной имплантации и перспективы использования эпитаксиального наращивания. Определены режимы обработок. Проведенные исследования подтвердили перспективность выбранного направления и позволили определить необходимые методы контроля параметров структур.

В ряде предыдущих работ (см. [1-33]) были рассмотрены особенности и дан анализ различных технологий производства структур кремний на диэлектрике (КНИ). Особая роль в настоящее время принадлежит технологиям Smart-cut (газового скалывания в процессе термообработки), основанных на контролируемых использованиях следующих основных процессов: создание с помощью ионной имплантации микроскопических об`емных дефектов, содержащих водород; трансформация этих созданных дефектов посредством термообработок; скалывание тонкого слоя материала подложки по системам таких дефектов по всей площади пластины [2,3]. В связи с этим в данной работе рассматриваются современные представления об этих процесса, используемых в технологии smart-cut (газового скалывания), посредством исследования сращивания пластин кремния во влажных условиях (включая использование химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания) по данным выделения паров воды [2,3, 9-18,28,31-33].

1.Технологическая схема производства структур кремний на диэлектрике, многослойных структур и тонких монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников и и структур германий на изоляторе, структур кремний на полупроводниках и и др. в рамках smart-cut технологии в прямом сращивании пластин кремния и пластин кремния и германия во влажных условиях (включая возможность химической сборки поверхности методом молекулярного

На рис.1 приведен предлагаемый в работе возможный технологическая схема изготовления структур КНИ и структур кремний на германии (или германий на кремнии) методом отслаивания с использованием процессов прямого соединения пластин и химической сборки поверхности во влажных условиях (включая и метод молекулярного наслаивания). Согласно этому маршруту в методе прямого сращивания вместо технологии шлифовки и травления для утончения одной из пластин предлагается использовать технологию отслаивания (отщепления) части рабочей пластины кремния (германия) по области пористого слоя, образованного посредством имплантации протонов на заданную глубину в пластину кремния.

Рис.1 Прямое связывание пластин кремния с использованием метода сращивания во влажных условиях и технологии отслаивания при получении КНИ структур.

Пористый слой включает в свой состав наполненные водородом нанопоры, созданные имплантацией протонов в слое кремния через тонкую пленку SiO₂ или пористого слоя кремния, полученного электрохимическим методом. В последнем случае на поверхности пористого кремния выращивается эпитаксиальный слой необходимой толщины, который после прямого соединения с опорной пластиной кремния или германия в последующем отслаивается (отщепляется) посредством термообработки или часть рабочей пластины после соединения с опорной пластиной удаляется до эпитаксиального слоя с использованием механических (химико-механических) методов. В работах [22-24] в качестве примера использован процесс отслаивания слоя кремния с помощью имплантации ионов водорода. В этом случае общая схема производства структур КНИ в прямом сращивании пластин кремния с использованием во влажных условиях (включая химическую сборку поверхности методом молекулярного наслаивания) соответствует технологической схеме, изображенной на рис.1. В специально окисленную рабочую пластину кремния (толщина оксида несколько сотен ангстрем) вначале производится имплантация протонов с дозой облучения порядка (1-8)·10¹⁶ см^-2 и энергией 100-150 кэВ. Пленка SiO₂ представляет собой защитный слой при имплантации, уменьшающий количество дефектов и примесей в приграничной области. В дальнейшем она удаляется. Опорная пластина кремния подвергается термическому окислению до толщины оксида (0,2-0,4 мкм), необходимого для производства конечной структуры КНИ. После специальной очистки и активации методом молекулярного наслаивания поверхности пластин соединяются лицевыми сторонами друг к другу и прижимаются. Термообработка этой пары приводит к связыванию пластин кремния с одновременным отслаиванием по слою, где находится в нанопорах имплантированный водород. В таком процессе тонкая пленка кремния переходит с рабочей пластины на окисленную поверхность опорной пластины. В дальнейшем структура КНИ подвергается кратковременному отжигу при 1100⁰ С, в результате чего удаляются созданные в процессе имплантации радиационные дефекты и водород. Полученный таким образом тонкий слой полируется. Для производства высококачественных структур КНИ особую роль играют технологические процессы протонирования, очистки, окисления и активирования (активации) поверхности. Такого же типа стадии технологии обработки пластин присущи и для процесса получения структур кремний на германии, а также германий и германий/кремний на кремнии и изолирущих подложках