eng
Выпуск #2/1999
Г. Красников, М. Лукасевич, А. Сулимин.
Отечественная полупроводниковая промышленность: перспективы БиКМОП-технологии
Отечественная полупроводниковая промышленность: перспективы БиКМОП-технологии
Просмотры: 3484
В 1999–2000 годах отечественная полупроводниковая промышленность освоит выпуск КМОП ИС с минимальными размерами элементов 0,8–0,5 мкм. Эти приборы, конечно, не смогут выдержать конкуренции с зарубежными схемами, изготавливаемыми по сверхсубмикронной технологии (размер элементов 0,35 мкм и менее). Но ситуация не безнадежна. Проблема создания конкурентоспособных ИС, по-видимому, может быть решена за счет изготовления быстродействующих БиКМОП-схем по новой КНИ-технологии (кремний-на-изоляторе) с металлидным слоем.
По мере продвижения размеров топологических элементов в субмикронную область возрастает роль пропорциональной вертикальной миниатюризации. Это объяснясняет возросший интерес к ультратонким КНИ-структурам, позволяющим увеличить производительность (до 25–35%) и уменьшить потребляемую мощность (на одну треть при сопоставимых уровнях быстродействия) современных микросхем. Освоение КНИ-технологии позволит на один-два года опередить на рынке конкурентов, выпускающих КМОП ИС. И хотя вопросами создания КНИ-схем полупроводниковая промышленность занимается уже два десятилетия, только недавно появились сообщения о возможности выпуска новых микропроцессоров и схем памяти, изготавливаемых по этой технологии. Больших успехов здесь добилась IBM, где завершается освоение опытного производства КНИ ИС с 0,22-мкм топологическими элементами для серверов фирмы моделей AS/400, S/390 и RS/6000. Начать весной 1999 года выпуск КНИ ВЧ-схем на частоты до 1,9 ГГц планировала и фирма Peregrine Semiconductor. Готовятся к производству КНИ ИС фирмы Sharp (схемы для связной аппаратуры) и Samsung Electronics (RISC-микропроцессоры). Таким образом, КНИ становится коммерчески жизнеспособной технологией цифровых логических и ВЧ-устройств.
На базе КНИ-структур традиционно изготавливают КМОП-схемы. Эти структуры, как правило, выполняются по технологии создания изоляции путем внедрения кислорода (SIMOX) либо на сапфировой подложке (КНС-технология). Первая технология, используемая IBM, предусматривает имплантацию очень больших доз ионов кислорода с последующим высокотемпературным отжигом с целью формирования тонкого слоя диоксида кремния. Схема изготавливается на ультратонком слое кремния n-типа поверх бездефектного плоского диэлектрического слоя. КНС-технология предпочтительна для создания ВЧ-устройств, поскольку сапфир– лучший изолятор, чем диоксид кремния. В последние годы появилось сообщение о новой КНИ-технологии Smart Cut (“хитроумный”срез) фирмы Soitec, созданной на базе LETI (Франция) [1] .
Вместе с тем на базе БиКМОП-структур можно реализовывать рентабельные и конкурентоспособные схемы, сопоставимые по характеристикам с КМОП ИС при больших размерах топологических элементов (0,8–0,5 мкм против 0,35 мкм) [2]. По-видимому, объединение БиКМОП и КНИ-технологий — один из перспективных путей создания современных быстродействующих ИС. И в этом направлении также ведутся интенсивные разработки [1,3]. Для формирования биполярных транзисторов в КНИ-структуре предлагается создавать имплантированные скрытые низкоомные слои в монокристаллической пленке, получаемой методом рекристаллизации осажденного на диэлектрик поликремния [3]. Однако высокая плотность дефектов этого материала, а следовательно, и создаваемого над ним приборного, эпитаксиального кремния, который “наследует” их, существенно ухудшает качество биполярных транзисторов. Из-за высокой плотности дефектов эпитаксиальных пленок КНИ- и SIMOX-технологии непригодны для реализации биполярных транзисторов.
Эта проблема может быть решена с помощью новой КНИ-структуры с металлидным слоем (соединение или сплав металлов), получившей название КНИМ. КНИМ-структура создается по технологии “связки” пластин с последующим утонением одной из них (BESOI — Bonding Etchback SOI) [4,5]. Полевые и биполярные транзисторы формируются в слое кремния, нанесенном поверх промежуточного скрытого низкоомного слоя металлида на диэлектрике. В ходе исследований предложены технические решения таких ключевых проблем, как сращивание кремниевых пластин металлидами, получение плоской границы раздела скрытый металлидный слой–кремний, утонения структуры, формирования npn/pnp- и КМОП-транзисторов, а также омического контакта между скрытым металлидным и кремниевым слоями.
В большинстве КНИ-структур проблема сращивания пластин решается применением в качестве “связующего” материала оксида кремния, выполняющего затем роль изолятора. Это требует высокотемпературной обработки в течение достаточно длительного времени. Сращивание по всей поверхности пластины не гарантируется. Если же при сращивании двух пластин использовать в качестве связующего материала силицид металла, формируемый в результате взаимодействия предварительно нанесенных на пластины слоев металла и поликремния (рис. 1), температуру процесса можно снизить до 800–900оС [6]. Достоинства этого процесса — “мягкое” сращивание при одновременном создании скрытых низкоомных металлидных слоев.
Возможные загрязнения на поверхности пластины – прежде всего остатки естественного оксида кремния — влекут за собой проблему получения планарной границы раздела между металлидным слоем и кремнием. Из-за загрязнений взаимодействие силицидообразующего металла с кремнием неоднородно, что приводит к образованию непланарного фронта силицид/кремний. Чтобы избежать этого, на верхнюю пластину кремния наносят дополнительный барьерный слой металлида. Большинство силицидообразующих систем металл-кремний имеют набор различных силицидных фаз. В предлагаемой технологии источники кремния — слой поликремния, с одной стороны, и кремниевая пластина, с другой, — практически бесконечны по отношению к тонкой пленке металла, т.е. всегда имеется избыток кремния. Отсюда следует, что стабильность какой-либо силицидной фазы в системе металл–кремний условна. Она определяется некоторым температурно-концентрационным диапазоном, выход за который приводит к деградации данной силицидной фазы и, в конечном итоге, к потреблению кремния из слоя, предназначенного для изготовления элементов схемы (вследствие расходования всего поликремния). Таким образом, наличие барьерного слоя между объемным материалом и слоем силицидообразующего металла преследует также цель повышения стабильности структуры. Задавая толщину слоев поликремния и силицидообразующего металла, можно получать требуемый силицид из набора возможных фаз и тем самым управлять механическими напряжениями, возникающими в системе. Как известно, наиболее эффективные диффузионные барьеры — тугоплавкие металлы, их соединения и сплавы [7].
С точки зрения термодинамики материал диффузионного барьера, представляющий собой химическое соединение металла, должен иметь более отрицательную теплоту образования соединения, чем силицид, а сплав металлов диффузионного барьера – обеспечивать возможность управления механическими свойствами системы путем подбора концентрации его составляющих. Этим требованиям отвечают нитриды, бориды и карбиды тугоплавких металлов. Особенно хорошо изучены свойства нитрида титана [7]. Материалом второго слоя может быть любой силицидообразующий металл. Но предпочтительнее те, у которых имеются силицидные фазы с параметрами кристаллической решетки, близкими к кремниевой, такие как никель и кобальт.
Проблема утонения рабочей пластины может быть решена путем формирования нитридного стопора [8]. Для этого после предварительного (грубого) утонения без “перешлифовки”, т.е. без выхода плоскости шлифовки на поверхность диэлектрика, в областях нанесения бокового изолирующего элементы схемы диэлектрика вытравливаются отверстия до изолирующего слоя. Затем на рельефную поверхность осаждается слой нитрида кремния, по толщине равный рабочему слою кремния. Плоскость шлифовки устанавливается параллельно изолирующему слою диэлектрика, и пластина сошлифовывается до слоя нитрида кремния, осажденного поверх изолирующей пленки диоксида кремния на первой (нижней) пластине. “Встроенный” островок нитрида кремния обеспечивает боковую изоляцию окон.
Биполярные транзисторы формируются в изолированных диэлектриком областях кремния со скрытыми металлидными слоями с низким поверхностным сопротивлением. При толщине металлида 0,1–0,2 мкм величина сопротивления скрытого слоя в области коллектора составляет 2–10 Ом/кв. В этом безусловное достоинство металлидных слоев. При формировании биполярных транзисторов необходимо решить такие задачи, как обеспечение минимальной диффузии примесей базы в область коллектора и создание омического контакта к скрытому слою. Создание омического контакта к слою металлида — более сложная проблема. Для ее решения на границе кремния и барьерного слоя методом высокоэнергетической имплантации требуемой примеси создается локальная высоколегированная область (концентрация примеси не менее 1017 Ом-3 [9]) (рис.2).
Что касается КМОП-устройств, то для их изготовления применяется стандартная технология. При этом наличие скрытого слоя в областях изготовления КМОП-транзисторов позволяет дополнительно решить проблему защелкивания.
Таким образом, КНИМ-технология перспективна для организации рентабельного отечественного производства конкурентоспособных микросхем с проектными нормами 0,8–0,5 мкм. Это обусловлено сочетанием высоких параметров БиКМОП ИС и достоинствами структур кремний-на-изоляторе, позволяющими получать сопоставимые с кремниевыми устройствами параметры при больших топологических нормах.
Литература
1. Зарубежная электронная техника. М., ЦНИИ “Электроника”, 1997, №4, с.24.
2. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1997, № 3-4, с.57.
3. Патент Японии № 6 069 086 В4.
4. Заявка на изобретение, N 98—123895 от 30.12.98 г.
5. Заявка на изобретение, N 98—123896 от 30.12.98 г.
6. Патент США № 5 387 555.
7. Сейдман Л.А. Реактивное травление в вакууме слоев нитрида титана и применение их в системах контактной металлизации полупроводниковых приборов. – Обзоры электронной техники. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Вып.6, 1988, с.58.
8. Патент США N5 585 661.
9. Стриха В.И. и др. Полупроводниковые приборы с барьером Шотки. – М.: Советское радио, 1974.
На базе КНИ-структур традиционно изготавливают КМОП-схемы. Эти структуры, как правило, выполняются по технологии создания изоляции путем внедрения кислорода (SIMOX) либо на сапфировой подложке (КНС-технология). Первая технология, используемая IBM, предусматривает имплантацию очень больших доз ионов кислорода с последующим высокотемпературным отжигом с целью формирования тонкого слоя диоксида кремния. Схема изготавливается на ультратонком слое кремния n-типа поверх бездефектного плоского диэлектрического слоя. КНС-технология предпочтительна для создания ВЧ-устройств, поскольку сапфир– лучший изолятор, чем диоксид кремния. В последние годы появилось сообщение о новой КНИ-технологии Smart Cut (“хитроумный”срез) фирмы Soitec, созданной на базе LETI (Франция) [1] .
Вместе с тем на базе БиКМОП-структур можно реализовывать рентабельные и конкурентоспособные схемы, сопоставимые по характеристикам с КМОП ИС при больших размерах топологических элементов (0,8–0,5 мкм против 0,35 мкм) [2]. По-видимому, объединение БиКМОП и КНИ-технологий — один из перспективных путей создания современных быстродействующих ИС. И в этом направлении также ведутся интенсивные разработки [1,3]. Для формирования биполярных транзисторов в КНИ-структуре предлагается создавать имплантированные скрытые низкоомные слои в монокристаллической пленке, получаемой методом рекристаллизации осажденного на диэлектрик поликремния [3]. Однако высокая плотность дефектов этого материала, а следовательно, и создаваемого над ним приборного, эпитаксиального кремния, который “наследует” их, существенно ухудшает качество биполярных транзисторов. Из-за высокой плотности дефектов эпитаксиальных пленок КНИ- и SIMOX-технологии непригодны для реализации биполярных транзисторов.
Эта проблема может быть решена с помощью новой КНИ-структуры с металлидным слоем (соединение или сплав металлов), получившей название КНИМ. КНИМ-структура создается по технологии “связки” пластин с последующим утонением одной из них (BESOI — Bonding Etchback SOI) [4,5]. Полевые и биполярные транзисторы формируются в слое кремния, нанесенном поверх промежуточного скрытого низкоомного слоя металлида на диэлектрике. В ходе исследований предложены технические решения таких ключевых проблем, как сращивание кремниевых пластин металлидами, получение плоской границы раздела скрытый металлидный слой–кремний, утонения структуры, формирования npn/pnp- и КМОП-транзисторов, а также омического контакта между скрытым металлидным и кремниевым слоями.
В большинстве КНИ-структур проблема сращивания пластин решается применением в качестве “связующего” материала оксида кремния, выполняющего затем роль изолятора. Это требует высокотемпературной обработки в течение достаточно длительного времени. Сращивание по всей поверхности пластины не гарантируется. Если же при сращивании двух пластин использовать в качестве связующего материала силицид металла, формируемый в результате взаимодействия предварительно нанесенных на пластины слоев металла и поликремния (рис. 1), температуру процесса можно снизить до 800–900оС [6]. Достоинства этого процесса — “мягкое” сращивание при одновременном создании скрытых низкоомных металлидных слоев.
Возможные загрязнения на поверхности пластины – прежде всего остатки естественного оксида кремния — влекут за собой проблему получения планарной границы раздела между металлидным слоем и кремнием. Из-за загрязнений взаимодействие силицидообразующего металла с кремнием неоднородно, что приводит к образованию непланарного фронта силицид/кремний. Чтобы избежать этого, на верхнюю пластину кремния наносят дополнительный барьерный слой металлида. Большинство силицидообразующих систем металл-кремний имеют набор различных силицидных фаз. В предлагаемой технологии источники кремния — слой поликремния, с одной стороны, и кремниевая пластина, с другой, — практически бесконечны по отношению к тонкой пленке металла, т.е. всегда имеется избыток кремния. Отсюда следует, что стабильность какой-либо силицидной фазы в системе металл–кремний условна. Она определяется некоторым температурно-концентрационным диапазоном, выход за который приводит к деградации данной силицидной фазы и, в конечном итоге, к потреблению кремния из слоя, предназначенного для изготовления элементов схемы (вследствие расходования всего поликремния). Таким образом, наличие барьерного слоя между объемным материалом и слоем силицидообразующего металла преследует также цель повышения стабильности структуры. Задавая толщину слоев поликремния и силицидообразующего металла, можно получать требуемый силицид из набора возможных фаз и тем самым управлять механическими напряжениями, возникающими в системе. Как известно, наиболее эффективные диффузионные барьеры — тугоплавкие металлы, их соединения и сплавы [7].
С точки зрения термодинамики материал диффузионного барьера, представляющий собой химическое соединение металла, должен иметь более отрицательную теплоту образования соединения, чем силицид, а сплав металлов диффузионного барьера – обеспечивать возможность управления механическими свойствами системы путем подбора концентрации его составляющих. Этим требованиям отвечают нитриды, бориды и карбиды тугоплавких металлов. Особенно хорошо изучены свойства нитрида титана [7]. Материалом второго слоя может быть любой силицидообразующий металл. Но предпочтительнее те, у которых имеются силицидные фазы с параметрами кристаллической решетки, близкими к кремниевой, такие как никель и кобальт.
Проблема утонения рабочей пластины может быть решена путем формирования нитридного стопора [8]. Для этого после предварительного (грубого) утонения без “перешлифовки”, т.е. без выхода плоскости шлифовки на поверхность диэлектрика, в областях нанесения бокового изолирующего элементы схемы диэлектрика вытравливаются отверстия до изолирующего слоя. Затем на рельефную поверхность осаждается слой нитрида кремния, по толщине равный рабочему слою кремния. Плоскость шлифовки устанавливается параллельно изолирующему слою диэлектрика, и пластина сошлифовывается до слоя нитрида кремния, осажденного поверх изолирующей пленки диоксида кремния на первой (нижней) пластине. “Встроенный” островок нитрида кремния обеспечивает боковую изоляцию окон.
Биполярные транзисторы формируются в изолированных диэлектриком областях кремния со скрытыми металлидными слоями с низким поверхностным сопротивлением. При толщине металлида 0,1–0,2 мкм величина сопротивления скрытого слоя в области коллектора составляет 2–10 Ом/кв. В этом безусловное достоинство металлидных слоев. При формировании биполярных транзисторов необходимо решить такие задачи, как обеспечение минимальной диффузии примесей базы в область коллектора и создание омического контакта к скрытому слою. Создание омического контакта к слою металлида — более сложная проблема. Для ее решения на границе кремния и барьерного слоя методом высокоэнергетической имплантации требуемой примеси создается локальная высоколегированная область (концентрация примеси не менее 1017 Ом-3 [9]) (рис.2).
Что касается КМОП-устройств, то для их изготовления применяется стандартная технология. При этом наличие скрытого слоя в областях изготовления КМОП-транзисторов позволяет дополнительно решить проблему защелкивания.
Таким образом, КНИМ-технология перспективна для организации рентабельного отечественного производства конкурентоспособных микросхем с проектными нормами 0,8–0,5 мкм. Это обусловлено сочетанием высоких параметров БиКМОП ИС и достоинствами структур кремний-на-изоляторе, позволяющими получать сопоставимые с кремниевыми устройствами параметры при больших топологических нормах.
Литература
1. Зарубежная электронная техника. М., ЦНИИ “Электроника”, 1997, №4, с.24.
2. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1997, № 3-4, с.57.
3. Патент Японии № 6 069 086 В4.
4. Заявка на изобретение, N 98—123895 от 30.12.98 г.
5. Заявка на изобретение, N 98—123896 от 30.12.98 г.
6. Патент США № 5 387 555.
7. Сейдман Л.А. Реактивное травление в вакууме слоев нитрида титана и применение их в системах контактной металлизации полупроводниковых приборов. – Обзоры электронной техники. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Вып.6, 1988, с.58.
8. Патент США N5 585 661.
9. Стриха В.И. и др. Полупроводниковые приборы с барьером Шотки. – М.: Советское радио, 1974.
Отзывы читателей
