Структура и технология изготовления транзистора кремний на изоляторе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени

Факультет Информатики и систем управления

Расчетно-пояснительная записка

по теме: Структура и технология изготовления транзистора кремний на изоляторе

Введение

В настоящее время существует целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы полупроводниковых приборов, и столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода на более тонкий технологический процесс. Одной из технологий, позволяющих достаточно безболезненно повысить скорость чипов является технология - кремний на изоляторе. Кремний на изоляторе -- это технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин. Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния или, гораздо реже, сапфир, в этом случае технология называется "кремний на сапфире". Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути практически ничем не отличается от классической технологии, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина.

Основные преимущества такой технологии состоят в том, что за счёт тонкости поверхностного слоя и изоляции транзистора от кремниевого основания, удаётся:

1. Многократно снизить паразитную ёмкость

2. Существенного повысить быстродействие микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности.

Так, например, максимальная частота переключения транзисторов, выполненных по технологическому процессу 130 нм, может достигать 200 ГГц. В перспективе, при переходе к технологическим процессам с меньшим размером активных элементов, возможно ещё большее повышение этого показателя. Эта технология находит всё большее применение в различных полупроводниковых устройствах, наиболее ярким примером, среди которых являются микропроцессоры.

1. Структура транзистора кремний на изоляторе

Кремний на изоляторе (КНИ) (англ. Silicon on insulator, SOI) -- технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин (рис. 1). При использовании такой технологии изготовления микросхем, транзисторы изолируются от подложки слоем диоксида кремния для повышения эффективности управления электронами. В результате повышается по сравнению с обычной КМОП-технологией скорость работы микросхемы и снижается расход электроэнергии.

Рис. 1 - Схема КНИ-подложки

Использование технологии КНИ позволяет изготавливать так называемые «трехзатворные транзисторы». (рис.2). «Трёхзатворный» транзистор на деле означает транзистор с каналом, окружённым затвором (через прослойку в виде тонкого изолятора, обозначенного жёлтым) с трёх сторон -- по сравнению с планарным, где поверхность сопряжения представляет собой одну плоскость.

Рис.2 - Трехзатворный КНИ-транзистор

При этом возможны варианты реализации технологии КНИ с частично обедненным и полностью обедненным подзатворным слоем. Уменьшить утечки можно частично обеднённой технологией КНИ -- (Partially Depleted, PD SOI, рис.3). Тут изолятор отсекает подложку, но остаточный слой под каналом («плавающее тело») всё ещё приводит к утечкам, хоть и не таким большим. Эта технология широко используется прежде всего из-за относительной дешевизны. Более продвинутая версия -- полностью обеднённый КНИ (Fully Depleted, FD SOI). Тут исток, сток и область канала истончаются так, что плавающему телу не остаётся места. Проблема утечки решается с 10-процентным увеличением цены чипа, поэтому её не используют широко.

Рис.3 - Структура транзистора, изготовленного с использованием частично обеденной КНИ-технологии

Другой вариант решения проблемы утечки - поставить канал вертикально и окружить его затвором с трёх сторон из четырёх. Плавающего тела нет, утечек нет, площадь обращённого слоя больше, а т.?к. дополнительные маски не требуются, цена -- всего на 2-3% выше (по версии Intel). 

Рис. 4 - КНИ-транзистор с вертикальным каналом (вид сбоку)

2. Конструктивное исполнение транзистора кремний на изоляторе

Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния (см. рис.5). В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO2 или, гораздо реже, сапфир (в этом случае технология называется «кремний на сапфире» или КНС). Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути практически ничем не отличается от классической технологии, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина.

Рис.5 Схемы МОП-транзисторов, выполненных по технологиям:

а) Классической

б) КНИ

В первую очередь технология КНИ находит применение в цифровых интегральных схемах (в частности, в микропроцессорах), большая часть которых в настоящее время выполняется с использованием КМОП (комплементарной логики на МОП-транзисторах). При построении схемы по данной технологии большая часть потребляемой мощности затрачивается на заряд паразитной ёмкости изолирующего перехода в момент переключения транзистора из одного состояния в другое, а время, за которое происходит этот заряд, определяет общее быстродействие схемы. Основное преимущество технологии КНИ состоит в том, что за счёт тонкости поверхностного слоя и изоляции транзистора от кремниевого основания удаётся многократно снизить паразитную ёмкость, а значит и снизить время её зарядки вкупе с потребляемой мощностью.

3. Технология изготовления транзистора кремний на изоляторе

В настоящее время наиболее распространены КНИ-подложки, где в качестве изолятора выступает диоксид кремния. Такие подложки могут быть получены различными способами, основные из которых:

· ионное внедрение

· сращивание пластин,

· управляемый скол

· эпитаксия

3.1 Ионное внедрение

Технология ионного внедрения так же известна как ионная имплантация, имплантация кислорода, ионный синтез захороненных диэлектрических слоев и SIMOX (англ. Separation by IMplantation of OXygen). При использовании данной технологии монолитная кремниевая пластина подвергается интенсивному насыщению кислородом путём бомбардировки поверхности пластины его ионами с последующим отжигом при высокой температуре, в результате чего образуется тонкий поверхностный слой кремния на слое оксида. Глубина проникновения ионов примеси зависит от уровня их энергии, а поскольку технология КНИ подразумевает достаточно большую толщину изолирующего слоя, то при производстве подложек приходится использовать сложные сильноточные ускорители ионов кислорода. Это обусловливает высокую цену подложек, изготовленных по этой технологии, а большая плотность дефектов в рабочих слоях является серьёзным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов.

3.2 Сращивание пластин

При использовании технологии сращивания пластин (англ. wafer bonding) образование поверхностного слоя производится путём прямого сращивания второй кремниевой пластины со слоем диоксида. Для этого гладкие, очищенные и активированные за счёт химической или плазменной обработки пластины подвергают сжатию и отжигу, в результате чего на границе пластин происходят химические реакции, обеспечивающие их соединение. Данная технология практически идеальна для изготовления КНИ-подложек с толстым поверхностным слоем, но с его уменьшением начинает нарастать плотность дефектов в рабочем слое, а, кроме того, усложняется технологический процесс и, как следствие, растёт стоимость готовых изделий. В результате, подложки с толщиной поверхностного слоя менее одного микрометра, которые наиболее востребованы при производстве быстродействующих схем с высокой степенью интеграции, имеют тот же набор недостатков, что и подложки, изготовленные по технологии ионного внедрения.

3.3 Управляемый скол

Технология управляемого скола или Smart Cut™, разработанная французской компанией Soitec, объединяет в себе черты технологий ионного внедрения и сращивания пластин. В данном технологическом процессе используются две монолитные кремниевые пластины. Первая пластина подвергается термическому окислению, в результате чего на её поверхности образуется слой диоксида, затем верхняя лицевая поверхность подвергается насыщению ионами водорода с использованием технологии ионного внедрения. За счёт этого в пластине создаётся область скола, по границе которой пройдёт отделение оставшейся массы кремния. По завершении процедуры ионного внедрения пластина переворачивается и накладывается лицевой стороной на вторую пластину, после чего происходит их сращивание. На завершающей стадии проводится отделение первой пластины, в результате которого на поверхности второй остаётся слой диоксида и тонкий поверхностный слой кремния. Отделённая часть первой пластины используется в новом производственном цикле.

Производство КНИ-подложек по технологии управляемого скола требует большого количества операций, но в его процессе используется только стандартное оборудование. Кроме того, важным достоинством пластин, полученных по этой технологии, является низкая плотность дефектов в рабочем слое.

3.4 Эпитаксия

В случае использования эпитаксиальной технологии (англ. seed method) поверхностный слой образуется за счёт выращивания кремниевой плёнки на поверхности диэлектрика. Активные элементы, полученные на таких подложках, демонстрируют отличные рабочие характеристики, но большое число технологических проблем, связанных с эпитаксиальным процессом, пока ещё не дают возможностей для массового внедрения этой технологии.

4. Преимущества и недостатки КНИ транзисторов. Виды структур кремний на изоляторе

МОП-транзисторы, изготовленные по технологии "кремний на изоляторе" (КНИ), являются весьма перспективными для создания микромощных и высокоскоростных СБИС с напряжением питания до 1,2 В и менее, поскольку наличие толстого окисла вместо кремния под областями истока и стока существенно уменьшает величину ёмкости на подложку. Вторым преимуществом является простой процесс изоляции компонентов и высокая плотность интеграции благодаря отсутствию изолирующих карманов. КНИ-структуры отличаются высокой радиационной стойкостью и повышенной надёжностью при высоких температурах. Короткоканальные эффекты в КНИ-приборах могут быть подавлены простым уменьшением толщины кремниевого слоя. Наклон подпороговой характеристики у КНИ-транзисторов получается практически идеальным. Транзисторы высокого качества получаются на плёнках кремния толщиной 8 нм.

Однако перспективность КНИ-структур не является бесспорной. Основная проблема состоит в том, что КНИ-транзисторы имеют увеличенный подпороговый ток вследствие эффекта плавающей подложки, который устанавливает предел понижению потребляемой мощности в выключенном состоянии транзисторного ключа. Попытка понизить этот ток приводит к увеличению порогового напряжения, которое не позволяет уменьшить напряжение питания для уменьшения потребляемой мощности. Вторым принципиальным аргументом является то, что малая собственная ёмкость КНИ-транзистора перестаёт быть его преимуществом при дальнейшем сокращении размеров, поскольку уже в современных СБИС задержка в межсоединениях превышает задержку в вентилях.

Для КНИ-структур используют три способа изоляции:

· локальное окисление кремния (LOCOS)

· изоляция мелкими канавками (STI)

· меза-изоляция.

LOCOS-изоляцию трудно использовать при нормах проектирования менее 0,25 мкм из-за "птичьего клюва", который ограничивает возможности получения изолирующих областей малой площади. STI-изоляция является сравнительно дорогостоящим процессом.

Пример транзистора со структурой КНИ показан на рис. 9. Толщина слоя заглубленного окисла составляет 390 нм, толщина слоя кремния на окисле равна 190 нм. Подзатворный окисел имеет толщину 4,7 нм, ширина канала равна 9,1 мкм, толщина поликремниевого затвора ? 300 нм. Легирование канала выполняется таким образом, чтобы получить нужное пороговое напряжение. Кармашки, легированные бором для n-канальных транзисторов и фосфором ? для p-канальных, необходимы для предохранения от смыкания истока и стока и подавления эффекта снижения порогового напряжения с уменьшением длины канала. На области истока, стока и затвора осаждён слой силицида титана TiSi2 толщиной 50 нм для уменьшения сопротивления контактов. Контакты к областям транзистора выполнены вольфрамом, а разводка электрических цепей между транзисторами ? алюминием. Изоляция между транзисторами на кристалле выполняется разграничительной прослойкой (спейсером, рис. 6) из окисла кремния.

Рис.6 - Пример транзистора со структурой КНИ

Одной из проблем изготовления транзисторов на тонких плёнках кремния является высокое последовательное сопротивление областей истока и стока. Для его уменьшения используют самосовмещённый силицидный процесс, использующий силицид титана или кобальта. Однако, если толщина используемой плёнки кремния менее 20 нм, то такой тонкий слой может быть полностью поглощён формирующимся слоем силицида и тогда площадь контакта между кремнием и силицидом резко уменьшается, что приводит к возрастанию сопротивления контакта. Очень малое поглощение кремния происходит при выполнении контакта из вольфрама, однако при контакте к сильнолегированному кремнию р-типа проводимости вольфрам образует контакты с очень плохой стабильностью характеристик. Для решения проблемы контактов может потребоваться эпитаксиальное наращивание плёнки кремния сверху областей истока и стока или, наоборот, стравливание той области кремния, где должен быть сформирован канала транзистора.

Один из вариантов реализации этой идеи представлен на рис. 7. Транзистор имеет длину канала 40 нм, изготовлен по технологии КНИ на экстремально тонком слое кремния (было изготовлено три варианта транзисторов с толщиной кремния 4, 11 и 18 нм).

Рис.7 - Структура КНИ с ультратонким слоем кремния (4v18 нм) и длиной канала 40 нм (слева) и фотография сверху. Справа внизу показан затвор транзистора в увеличенном масштабе

Слой исходного кремния на изоляторе имел удельное сопротивление 3 ОмTсм. Толщина слоя заглубленного окисла составляла 100 нм и он был выращен на подложке n-типа с удельным сопротивлением 0,02 Ом*см. Плёнка кремния для формирования областей истока и стока имела толщину 80 нм. В ней селективным травлением была получена область толщиной от 4 до 18 нм, в которой впоследствии был сформирован канал транзистора. Таким образом, при тонком слое кремния для области канала области истока и стока оказались достаточно толстыми (рис. 10), что обеспечило их низкое омическое сопротивление. Подзатворный окисел толщиной 4,7 нм был выращен в сухом кислороде.

Несколько поликремниевых затворов длиной от 40 до 135 нм были сформированы электронно-лучевой литографией со сверхвысокой разрешающей способностью. Для формирования областей истока и стока n-типа в сверхтонком слое кремния р-типа была использована диффузия фосфора из фосфоросиликатного стекла, нанесённого на сформированную ранее структуру (рис. 7).

Контакты к истоку, стоку и затвору были выполнены из алюминия. Фотография структуры, полученная сканирующим электронным микроскопом, показана на рис. 7. Транзистор c толщиной канала 4 нм имеет наклон подпороговой характеристики 75 мВ на декаду, что свидетельствует о сильном подавлении короткоканальных эффектов.

Рис. 8 - МОП-транзистор с длиной канала 0,18 мкм, выполненный на плёнке кремния толщиной 21 нм без наращивания толщины областей истока-стока

Проблема плохой стабильности вольфрамового контакта к областям р-типа может быть решена путём дезактивации атомов бора в кремнии атомами водорода при водородном плазменном травлении кремния. Подготовленная таким образом поверхность кремния позволяет получить более стабильный контакт с вольфрамом. На рис. 8 показана фотография МОП-транзистора с длиной канала 0,18 мкм, выполненного на кремниевой плёнке толщиной 21 нм, с толщиной подзатворного окисла 3,6 нм и толщиной поликремниевого затвора 150 нм. Слой вольфрама составил 48 нм, слой кремния под контактом ? 6 нм (рис. 9). Сопротивление полученного контакта равно 10 Ом/квадрат, что при том же поглощении кремния меньше, чем у силицида кобальта и титана. Наклон подпороговой характеристики составил 70 мВ/дек. для n-канального транзистора и 75 В/дек для р-канального.

Рис. 9 - Вольфрамовый контакт к стоку. Толщина слоя кремния уменьшилась на 15 нм для n-канального транзистора

Оригинальная КНИ-структура предложена представлена на рис. 10. В качестве изолятора в ней использован воздух, что позволило назвать эту технологию "кремний ни на чём" (Silicon-on-Nothing, SON). Эта технология объединяет положительный качества обычной структуры транзисторов на кремнии с достоинствами КНИ.

Рис. 10 - МОП-структура "кремний ни на чём" (слева) и её фотография на стадии получения воздушного канала (справа). Использована стандартная подложка

транзистор кремний изолятор топологический

Принцип изготовления такого прибора состоит в следующем. На кремниевую пластину наносят эпитаксиальный слой SiGe толщиной 10..30 нм, сверху которого наносят слой кремния толщиной 5..20 мм. Слой SiGe впоследствии будет стравлен и таким образом под слоем кремния получится пустота (воздух), которую можно заполнить окислом кремния, но можно и не заполнять ничем. После формирования слоя подзатворного окисла, поликремниевого затвора и спейсера на том месте, где должны быть области истока и стока (рис. 11), с помощью анизотропного плазменного травления делают канавки. Таким образом получается доступ к ранее нанесённому слою SiGe, который теперь вытравливается полностью с помощью селективного плазменного травления. Таким способом под слоем кремния получается воздушный тоннель высотой около 20 нм. После получения воздушного тоннеля его стенки пассивируют тонким слоем окисла. Фотография структуры на этом этапе техпроцесса показана на рис. 13, справа.

На рис. 11 показана фотография поперечного разреза структуры с высотой канала 30 нм. Глубокие области истока и стока изготавливают селективным эпитаксиальным наращиванием кремния.

Рис. 11 -Поперечный разрез структуры "кремний ни на чём"

Технология "кремний ни на чём" позволяет изготавливать МОП-транзисторы с глубиной p-n-переходов и толщиной канала 5 нм. Эффект модуляции длины канала и DIBL эффект в таких структурах становятся существенными только при длине канала менее 30 нм. При их изготовлении не требуется применение специального оборудования или материалов, все технологические операции являются типовыми.

5. Топология КНИ-транзисторов

5.1 КНИ транзисторы с контактом к телу

Существует 2 основных варианта топологической реализации контактов к телу: с жёсткой привязкой тела (A-тип) к истоку и с возможностью произвольной коммутации тела (H-тип)

Рис 12 - Топология и поперечное сечение КНИ-транзистора А-типа

Рис 13 - Топология поперечное сечение КНИ-транзистора Н-типа

5.2 Сравнение с другими топологическими вариантами

а.) б.) в.)

Рис. 14 - а.) «Собачья кость», б.) «Окруженный исток» в.) «Кольцевая топология»

· В транзисторах нестандартной топологии возникают проблемы определения эффективной ширины и длины канала

· Наиболее эффективными методами борьбы с радиационно-индуцированной утечкой являются кольцевая топология и топология транзистора с окружённым истоком/стоком.

· Топологические варианты, используемые в объёмной КМОП технологии, не имеют преимущества перед топологическими вариантами, используемыми в КНИ КМОП технологии.

· Кольцевая топология занимает большую площадь при малых соотношениях W/L

· В КНИ КМОП ИМС от этих топологических вариантов можно полностью отказаться в пользу A- и H-транзисторов

6. Сравнение транзисторов кремний на изоляторе и КМОП

Микросхемы типа кремний на изоляторе изготавливаются со слоем диоксида кремния, который отделяет каждый транзистор от находящейся под ним кремниевой подложки.

В обычных КМОП-микросхемах транзисторы находятся в непосредственном контакте с подложкой. Тончайший слой двуокиси кремния помогает электронам эффективнее перемещаться от одного затвора к другому, не позволяя «заблудившимся» электронам утекать в подложку. В результате получается микропроцессор, в котором электроны попадают на место своего назначения быстрее. Эти микросхемы обеспечивают большую скорость обработки, а основанные на SOI компьютеры используют меньше электроэнергии, потому что из-за утечки электронов она не перерасходуется.

На рис.12 на поперечном сечении SOI-микросхемы показан тонкий слой диоксида кремния, помещаемый между транзисторами и подложкой, за счет чего уменьшается емкость области между измененными участками кремния, и она разряжается и заряжается быстрее.

Рис.12 - Протекание тока через SOI-транзистор

В обычных КМОП-микросхемах без изолирующего слоя диоксида кремния на компенсацию неэффективности электронов затрачивается больше времени и электроэнергии (рис.13).

Рис. 13 - Токи утечки в КМОП-транзисторе

7. Применение транзисторов кремний на изоляторе

В настоящее время технология КНИ находит всё большее применение в различных полупроводниковых устройствах, наиболее ярким примером среди которых являются микропроцессоры. Перечень ряда устройств, произведённых с использованием КНИ-подложек, приведён ниже.

§ Opteron -- семейство процессоров компании AMD, выпускаемых по технологическим процессам 130 нм (одноядерные) и 90 нм (одно и двухъядерные)

§ Cell --восьмиядерный процессор, совместно разработанный компаниями Sony, Toshiba и IBM (технологический процесс -- 90 нм), используется в игровой приставке SonyPlayStation 3

§ Xenon -- трехъядерный процессор компании IBM (технологический процесс -- 90 нм, 65 нм), используется в игровой приставке Microsoft Xbox 360

§ Broadway -- процессор компании IBM (технологический процесс -- 90 нм), используется в игровой приставке Nintendo Wii

IBM начала поставлять первые коммерческие серверы на базе SOI-микропроцессоров летом, выведя на рынок технологию экономии электроэнергии, которая многие годы испытывалась в исследовательских лабораториях, но до недавнего времени не имела коммерческого спроса. Дополнительные производственные этапы, необходимые для производства SOI-микросхем, до недавнего времени делали технологию слишком дорогой для крайне конкурентного рынка. Но благодаря требованиям приложений старшего класса, типа вычислений для электронного бизнеса, некоторые фанаты производительности согласны платить прибавки стоимости примерно в 25% за микросхемы, которые обгоняют обычные КМОП-процессоры.

По данным самой IBM, лобовые сравнения эквивалентных SOI и КМОП-процессоров показывают, что первые имеют 20-30% преимущество и потребляют половину или треть энергии, нужной КМОП. Хотя процесс производства SOI-процессоров состоит из большего числа этапов, чем производство КМОП-процессоров, существующие заводы по выпуску процессоров не требуют серьезного переоборудования для реализации SOI. После нанесения пленки двуокиси на поверхность подложки процесс формирования транзисторов поверх изолирующего слоя происходит при помощи обычной литографии и инструментов, применяемых в изготовлении КМОП-микросхемы.

В 2000 году IBM начала поставлять серверы старшего класса p680 с новыми процессорами и планирует в ближайшее время представить модель AS/400, основанную на технологии SOI. Эти первые системы на базе SOI поддерживают приложения класса предприятия, такие как серверы электронного бизнеса и Web-серверы, системы оперативной обработки транзакций и добычи данных. В 2001 году IBM планирует представить системы с новыми процессорами Power4, а позже использовать SOI-процессоры в портативных устройствах, требующих экономного расхода энергии.

Девятое поколение процессоров Intel Core2, выполненных по технологическому процессу 65 нм, напротив, производится на основе обычных монолитных кремниевых пластин. Тот факт, что аналогичные процессоры от AMD, выпускаемые с использованием КНИ-подложек, не показывают сколько-нибудь заметных преимуществ, часто служит причиной скепсиса по отношению к технологии КНИ в целом. Однако следует учитывать, что производительность такого сложного устройства, каким является центральный процессор, зависит от очень многих факторов, среди которых особенности используемой технологии занимают далеко не первое место, а потому подобное сравнение лишено всякого смысла.

Список литературы

1. Парфенов О.Д. Технология Микросхем: Учебное пособие для вузов по специальности «Конструирование и производство ЭВА». - М.: Высшая школа, 1986. - 320 с., ил.

2. Коледов Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок. Учебник для вузов - М.: Радио и связь, 1989. - 400 с., ил

3. Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем: в 2-х кн. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1985.

4. СБИС: в 2-х кн. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986.

5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1986. - 312 с.

6. Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. - М.: ФГУП «ЦНИИХМ», 2008. -428 с., ил.

Размещено на Allbest.ru