Московский институт электронной техники
(ТУ)
Курсовая работа
по курсу
Технология материалов электроннойтехники
на тему
Технология структур кремния наизоляторе
Москва 2008 г.
Оглавление
Введение
1. Преимущества технологии КНИ
2. Конструктивное исполнение структурКНИ
3. Технологии создания структур КНИ
3.1 Ионное внедрение
3.2 Сращивание пластин
3.3 Управляемый скол
3.4 Эпитаксия
4. Технологический маршрут и операцииполучения структур КНИ методом управляемого скалывания
5. Использование технологии КНИ втехнике
6. Перспективы
Список литературы
Введение
Структура КНИпредставляет собой технологию изготовления полупроводниковых приборов,основанной на применении в качестве подложки трехслойной структурыкремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевыхпластин.
Развитие технологийпроизводства структур «кремний на изоляторе» (КНИ) в условиях чистыхпроизводственных помещений и лабораторий необходимо для:
1) создания новойэлементной базы микроэлектроники (предназначенной для производства интегральныхсхем с наилучшими эксплуатационными параметрами и радиационно стойких ИС);
2) научных исследований(отработка новых технологических маршрутов производства структур КНИ, изучениевлияния дефектов на механические, структурные и электрофизические свойстваструктур КНИ, изучение возможности создания макетов приборов и самих приборовна основе лабораторных структур КНИ, производство лабораторных структур КНИ дляпредприятий с целью их научного и практического использования в новыхизделиях);
3) фундаментальныхисследований процессов и явлений при имплантации, отжиге, сращивании, а такжедефектообразовании в тонких слоях монокристаллического кремния и изолирующихслоях диэлектрика;
4) созданияспециализированного оборудования и соответствующих технологических процессовпромышленного производства приборных структур КНИ.
1. Преимуществатехнологии КНИ
Структуры КНИ являютсяодним из наиболее удобных исходных материалов для развития нанотехнологии исоздания прототипов активных элементов на квантоворазмерных эффектах длясупербыстродействующих вычислительных средств.
Структуры КНИ обладаютсущественными преимуществами по сравнению с обычными пластинами кремния инеобходимы для разработки: радиационно стойких ИС (и аппаратуры на их основе);термостойких ИС; низкоэнергопотребляемых ИС; высоковольтных ИС; а также длясоздания различных микроэлектромеханических устройств.
Эксперты предсказывают,что к 2010 г. примерно половина всех ИС будет производиться на основе КНИ. Этиперспективы обусловлены рядом обстоятельств:
1. ИС на основе КНИ болеенадежны, чем ИС на основе монокристаллических полупроводниковых пластин,поскольку полная изоляция элементов ИС диэлектриком более совершенна, чемизоляция p-n переходами. Верхний предел диапазона рабочих температур ИС на основеКНИ существенно выше (300...400°С), чем аналогичный предел ИС на основемонокристаллического кремния (125… 150°С). Это объясняется тем, чтодиэлектрическая изоляция более термостойка, чем изоляция p-n переходами.Радиационная стойкость ИС на основе КНИ существенно выше стойкости ИС на основемонокристаллического кремния. Именно по этой причине СКНД являются в настоящеевремя основой радиационно стойких МОП ИС.
2. Плотность компоновкиэлементов ИС на основе СКНД в 1,5...3 раза выше, чем плотность компоновкиэлементов ИС на основе монокристаллического кремния, поскольку изоляциядиэлектриком более компактна, чем изоляция р-n переходами. В этом случае в МОПИС нет необходимости формировать изоляционные карманы, кроме того, приборныйслой СКНД можно изготовить сверхтонким (до 0,1 мкм) и, соответственно,уменьшить размеры элементов ИС. Уменьшение размеров элементов ИС даетвозможность уменьшить напряжение питания ИС до 1,5 В и менее, что позволяет, всвою очередь, понизить рассеиваемую мощность и уменьшить размеры и массуисточников питания.
3. Замена изоляции р-nпереходами на изоляцию диэлектриком уменьшает паразитные емкости исопротивления в ИС, в результате чего в 1,5...2 раза повышается быстродействиесхем. Уменьшение размеров элементов ИС также повышает быстродействие и упрощаетих конструкцию, что приводит к упрощению технологии ИС, в частности, кисключению около 30 технологических операций в технологии КМОП ИС и к повышениювыхода годных приборов.
4. СКНД могут служитьбазой для изготовления более сложных структур, например, SiGe/Si [2],обладающих оптоэлектронными свойствами, отсутствующими у кремния. Кроме того,на основе КНИ проще масштабировать элементы ИС вплоть до квантоворазмерных иодноэлектронных приборов (транзисторов), при этом подавляются многие паразитныеэффекты (например, короткоканальный эффект, паразитная инжекция носителейзаряда из подложки).
Перспективностьиспользования КНИ обусловлена также тем, что многообразие их возможныхконструкций удовлетворяет подавляющему большинству требований разработчиков ИС:
— толщина приборного слояможет быть выдержана в диапазоне от 0,1 до 200 мкм;
— удельное сопротивлениеприборного слоя может быть любым в диапазоне от 0,003 Ом·см до 10000 Ом·см;
— изолирующий диэлектрикможет быть любого типа: монокристаллическим, аморфным, поликристаллическим;
— опорная пластина можетбыть изготовлена из материала с предельно высокой теплопроводностью.
2. Конструктивноеисполнение структур КНИ
Подложка, выполненная потехнологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, которыйсостоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нёмтонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступатьдиоксид кремния SiO2 или, гораздо реже, сапфир (в этом случае технологияназывается «кремний на сапфире» или КНС).
/>
Рис.1 Структура КНИ
Первым направлением былагетероэпитаксия кремния на сапфире (КНС). Самым труднопреодолимым препятствиемв КНС оказалось напряженное и содержащее огромную плотность дефектов и примесейсостояние интерфейса. По мере роста толщины слоя структура улучшалась, однако,для КМОП ИС толщина слоя должна быть около 0,6 мкм; при такой толщине слои КНСзанимали среднее положение между монокристаллическими и аморфными слоями.Однако кремний на сапфире является состоявшейся технологией с долгой историейуспешного применения в космических программах, что объясняется его высокойстойкость к излучению, в том числе и к радиации.
Значительно болеекачественным диэлектриком является аморфный SiO2, особенно полученный термическим осаждением.
Первым примером структуркремния на изоляторе на основе высококачественного исходного материала явилиськремниевые структуры с диэлектрической изоляцией (КСДИ).
/>
Рис.2 КСДИ в разрезе:1-монокремний; 2-пленка SiO2; 3-опорныйполикремний
Дляизготовления КСДИ используются обычные технологические установки: оборудованиедля изготовления кремниевых пластин и их химобработки, высокотемпературные печидля окисления кремния и диффузии в него примесей, установки для выращиваниямелкозернистого поликристаллического кремния и для выращивания крупноблочногополикристаллического кремния.
В настоящеевремя эти структуры применяются крайне редко по целому ряду причин:
1) большая толщина слоев монокремния,заключенных в изолированные карманы (~ 20 мкм), и неоднородность ее в партии ипо площади пластины (не менее ±15% согласно ТУ).
2) загрязнение кремния в карманах придлительном высокотемпературном наращивании опорного поликремния и уходпараметров материала от номинальных;
3) невысокое качество поверхности кабразивному воздействию кремния и стенок SiO2, выходящих за поверхность. Кроме того, из-за разницыТКЛР моно- и поликремния трудно избежать прогиба пластин
полупроводниковыйподложка кремний диэлектрик
3. Технологии созданияструктур КНИ
В настоящее времянаиболее распространены КНИ-подложки, где в качестве изолятора выступаетдиоксид кремния. Наиболее популярными являются технологические маршрутыизготовления структур КНИ, использующие: рекристаллизацию слоя кремния;формирование изолирующего слоя с помощью прокисления пористого кремния;имплантацию ионов водорода; молекулярно-лучевую эпитаксию на пористом кремнии;латеральное эпитаксиальное заращивание; имплантацию ионов кислорода (азота) вкремниевую подложку; сращивание (связывание) кремниевых пластин с последующимформированием изолированного слоя кремния. Существует множество других методовизготовления структур КНИ, которые, не получив широкого распостранения, тем неменее являются интересными и используются для разработки специализированныхсхем, микромеханических устройств и датчиков.
/>3.1 Ионное внедрение
Технология ионноговнедрения так же известна как ионная имплантация, имплантация кислорода, ионныйсинтез захороненных диэлектрических слоев и SIMOX (англ. Separation byIMplantation of OXygen). При использовании данной технологии монолитнаякремниевая пластина подвергается интенсивному насыщению кислородом путёмбомбардировки поверхности пластины его ионами с последующим отжигом при высокойтемпературе, в результате чего образуется тонкий поверхностный слой кремния наслое оксида. Глубина проникновения ионов примеси зависит от уровня их энергии,а поскольку технология КНИ подразумевает достаточно большую толщинуизолирующего слоя, то при производстве подложек приходится использовать сложныесильноточные ускорители ионов кислорода. Это обусловливает высокую ценуподложек, изготовленных по этой технологии, а большая плотность дефектов врабочих слоях является серьёзным препятствием при массовом производстве п./п.приборов.
/>3.2 Сращивание пластин
Технология сращиваниякремниевых пластин и последующего утончения рабочего слоя кремния обладаетпрактически неограниченными возможностями реализации получаемых структур и ихпараметров (например, по качеству изолированного кремния, его толщине, толщинеизолирующего оксида, диаметру используемых подложек и т.д.). В структурах,полученных этим методом, кристаллографическое совершенство изолированногомонокристаллического кремния сравнимо с качеством объемного кремния и зависит восновном от параметров исходных подложек и технологии утончения.
Температурный режимсращивания – от комнатной температуры до 1300ºС. Объектами сращиванияявляются подложки кремния (основной материал), кварцевого стекла, ситалла,карбида кремния, алюмонитридной керамики, алундовой керамики, сапфира, металлы,композиционные материалы и т.д.
Метод сращиванияреализуем на основе следующих процессов:
1) формирование стоп-слояметодами ионной имплантации, диффузии, эпитаксии или формирование механическогостопора SiO2 и/или Si3N4(в некоторыхслучаях, например, при прецизионном травлении или при получении толстых слоевизолированного кремния может не использоваться);
2) соединенияповерхностей;
3) сращивания подложек;
4) получения необходимойтолщины изолированного слоя кремния в структуре КНИ.
При использованиитехнологии сращивания пластин (англ. wafer bonding) образование поверхностногослоя производится путём прямого сращивания второй кремниевой пластины со слоемдиоксида. Для этого гладкие, очищенные и активированные за счёт химической илиплазменной обработки пластины подвергают сжатию и отжигу, в результате чего награнице пластин происходят химические реакции, обеспечивающие их соединение.Данная технология практически идеальна для изготовления КНИ — подложек столстым поверхностным слоем, но с его уменьшением начинает нарастать плотностьдефектов в рабочем слое, а, кроме того, усложняется технологический процесс и,как следствие, растёт стоимость готовых изделий. В результате, подложки столщиной поверхностного слоя менее одного микрометра, которые наиболеевостребованы при производстве быстродействующих схем с высокой степеньюинтеграции, имеют тот же набор недостатков, что и подложки, изготовленные потехнологии ионного внедрения.
/>3.3 Управляемый скол
Технология управляемогоскола или Smart Cut™, разработанная французской компанией Soitec, объединяет всебе черты технологий ионного внедрения и сращивания пластин. В данномтехнологическом процессе используются две монолитные кремниевые пластины.Первая пластина подвергается термическому окислению, в результате чего на еёповерхности образуется слой диоксида. Затем верхняя лицевая поверхностьподвергается насыщению ионами водорода с использованием технологии ионноговнедрения. Не вступаю в реакцию с кремнием, кислород ослабляет связь Si – Si настолько, что она становится меньшей, чем связь Si-O, полученная при сварке. Поэтому скалывание по плоскости Si- Si:H осуществимо дажебез нагрева. Такое скалывание позволяет получить слои толщиной в сотнинанометров на несущей пассивированной опорной пластине, что является идеальнымполуфабрикатом для самых массовых современных ИС.
По завершении процедурыионного внедрения пластина переворачивается и накладывается лицевой стороной навторую пластину, после чего происходит их сращивание. На завершающей стадиипроводится отделение первой пластины, в результате которого на поверхности второйостаётся слой диоксида и тонкий поверхностный слой кремния. Отделённая частьпервой пластины используется в новом производственном цикле, так как за одинпроцесс с нее удаляется ничтожное количество материала.
Производство КНИ-подложекпо технологии управляемого скола требует большого количества операций, но в егопроцессе используется только стандартное оборудование. Кроме того, важнымдостоинством пластин, полученных по этой технологии, является низкая плотностьдефектов в рабочем слое.
/>
/>Рис.3 Технология управляемогоскалывания: а — имплантация водорода; б — прецизионное соединение; в – сваривание;г- разделение
3.4 Эпитаксия
В случае использованияэпитаксиальной технологии (англ. seed method) поверхностный слой образуется засчёт выращивания кремниевой плёнки на поверхности диэлектрика. Активныеэлементы, полученные на таких подложках, демонстрируют отличные рабочиехарактеристики, но большое число технологических проблем, связанных сэпитаксиальным процессом, пока ещё не дают возможностей для массового внедренияэтой технологии.
4. Технологическиймаршрут и операции получения структур КНИ методом управляемого скалывания
1. Подготовка поверхности опорных иприборных пластин перед их стыковкой и контроль состояния стыкуемыхповерхностей.
Реальные поверхностикремниевых пластин не бывают атомарно-гладкими и атомарно-чистыми, как этонеобходимо для их идеального сращивания. Максимальная прочность прихвата пристыковке кремниевых пластин, достигнутая на практике ~ 2·107 Па, чтона порядок меньше идеальной — это объясняется трудностью удаления зазора междупластинами, появляющимся в результате шероховатости поверхности, загрязненияповерхности и д.р.
2. Имплантация ионов водорода вприборную пластину.
Качество расщепленияприборной пластины определяется оптимальным выбором технологического режимаимплантации и сращивания подложек. В мировой практике для создания слоя, покоторому происходит расщепление, используют имплантацию либо ионов H2+, либо H+. Обычно энергия протонов заключена винтервале 3-100 кэВ, температура имплантации – от 50ºС до 450ºС.Нижняя граница –самопроизвольный нагрев при имплантации, верхняя – определяетсятем, что при температуре выше 450ºС начинается интенсивное образованиемикрополостей и возможно отщепление приборного слоя в процессе имплантации.Доза имплантации ионов водорода – 1016…1017 ион/см2.
3. Стыковка пластин и первый контрольполостей и прочности прихвата.
В мировой практикесуществуют различные способы стыковки приборной и опорной пластин в воде, навоздухе, в форвакууме, глубоком и сверхглубоком (10-8 Па) вакууме.
Стыковка в вакуумеобеспечивает минимальное количество молекул газов и воды на стыкуемыхповерхностях и в микрополостях, образующихся вследствие неплоскостностипластин. Полости четко обнаруживаются рентгеновским дифрактометром.
4. Отщепление приборной пластины отструктур КНИ, второй контроль полостей, шероховатости поверхности приборногослоя.
Наибольшеераспространение в технологии составных структур КНИ получили методы, в которыхприборный слой скалывается по слою пористого кремния. Это используется как втехнологии smart-cut, так и в технологии ELTRAN фирмы Canon.Технология управляемого скалывания позволяет получить шероховатость внешнейповерхности приборного слоя порядка 30 нм.
5. Окончательное сращивание приборногослоя с опорной пластиной
Чаще всего производитсянепосредственной термокомпрессионной сваркой (НТСК). При этой технологиитщательно очищенные, отполированные и активированные соприкасаются друг сдругом в обеспыленной атмосфере и благодаря возникающей сильной адгезии как бы«слипаются». Далее пластины отжигают в инертной среде или кислороде притемпературе 1000÷1100ºC в течение ~ 30 минут. Прочность полученного соединения практически неотличается от прочности монокристалла кремния, хотя на границе НТСК наблюдаютсядислокации.
6. Окончательный контроль параметровструктуры КНИ
Заключается в получениизаданной толщины монокристаллического кремния методами химико-механическогополирования (ХМП), электрохимического, плазменного и селективного химическоготравления. Необходимая толщина достигается при использовании установокпрецизионного локального утончения и оборудования контроля толщины. ХМП методостается одним из основных методов утончения; позволяет получить структуры столщиной изолированного монокристаллического кремния от менее 1 до более чем 70мкм. Благодаря установкам локальной плазменной обработки удается получатьструктуры с толщиной 0,1÷0,3 мм, полученных с точностью ± 50 Å напластинах диаметром 150 и 200 мм.
5. Использованиетехнологии КНИ в технике
В настоящее времятехнология КНИ находит всё большее применение в различных полупроводниковыхустройствах, наиболее ярким примером среди которых являются микропроцессоры.Перечень ряда устройств, произведённых с использованием КНИ — подложек,приведён ниже.
Opteron — семейство процессоров компанииAMD, выпускаемых по технологическим процессам 130 нм (одноядерные) и 90 нм(одно- и двухъядерные).
Cell — восьмиядерный процессор, совместно разработанныйкомпаниями Sony, Toshiba и IBM (технологический процесс — 90 нм), используетсяв игровой приставке Sony PlayStation 3.
Xenon — трехъядерныйпроцессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм, 65 нм), используется вигровой приставке Microsoft Xbox 360
Broadway — процессоркомпании IBM (технологический процесс — 90 нм).
6. Перспективы
Обладая несомненнымидостоинствами, структуры КНИ остаются значительно более дорогими, чемстандартные пластины с внутренним геттером. Рассчитывать на расширениепроизводства КНИ можно лишь в том случае, если будет существенно повышен выходИС с одной пластины и освоен выпуск принципиально новой продукции, например,систем на кристалле.
Также структуры КНИявляются лучшим полуфабрикатом для изучения кремниевых мембран и различныхизделий из кремниевой фольги.
Таким образом, структурыКНИ способны показать эффект в микроэлектронике как немедленно, так и вотдаленной перспективе.
Список литературы
1. Б.Ю. Богданович – Технологии иметоды исследования структур КНИ. МИЭТ, 2003.
2. В.М. Андреев, Д.В. Зиновьев –Кремниевые структуры для приборов микроэлектроники. МИЭТ, 2006.
3. Ю.Ф. Козлов, В.В. Зотов –Структура кремния на сапфире: технология, свойства, методы контроля,применение. МИЭТ, 2004.
4. Электронные ресуры