Базовые технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

Воротынцев В.М., Скупов В.Д.

Возрастное ограничение: 0+ Жанр: Наука Издательство: Проспект Дата размещения: 16.06.2017 ISBN: 9785392257942 Язык: Объем текста: 439 стр. Формат: epub

Оглавление

Глава 1. Физико-химические основы технологических процессов получения высокочистых веществ и материалов для электронной техники

Глава 2. Технология абразивной и химической обработки полупроводниковых подложек

Глава 3. Базовые технологии формирования приборных структур

Глава 4. Структуры «Кремний на диэлектрике» и технологические методы их изготовления

Глава 5. Физические и технологические основы наноэлектроники

Глава 6. Структурные дефекты в материалах — компонентах приборных композиций

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

Глава 4.
Структуры «кремний на диэлектрике» и технологические методы их изготовления

Одной из характерных особенностей развития кремниевой микроэлектроники является переход к разработкам и производству ультрасверхбольших интегральных схем (УСБИС), обеспечивающих высокую емкость запоминающих устройств и повышение тактовых частот микропроцессов. Это достигается уменьшением топологических размеров рабочих элементов (транзисторов) и повышением плотности их упаковки в УСБИС. Однако при этом возникают проблемы необходимости подавления паразитных связей между элементами схем и повышения надежности их функционирования, особенно в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов (температура, радиационные поля и т. п.). На сегодня реальное решение этих проблем связывается с использованием для производства СБИС и УСБИС структур «кремний на диэлектрике» (КНД).

Интерес разработчиков дискретных приборов и интегральных микросхем к структурам КНД продиктован, в первую очередь, такими преимуществами этих композиций, как возможность существенного снижения паразитных емкостей, обеспечение надежной диэлектрической изоляции элементов в схемах, сравнительная простота управления токовыми режимами, возможность снижения рабочих напряжений и мощностей, повышение стойкости схем к воздействиям внешних дестабилизирующих факторов. Эти структуры перспективны для создания низковольтных и маломощных высокоточных УСБИС, используемых в портативной электронной аппаратуре общего и специального назначения. Для производства таких УСБИС необходимы структуры, в которых как тонкий, субмикронный приборный слой монокристаллического кремния, так и диэлектрическая подложка не имели бы дефектов, а граница раздела между ними обладала низкой плотностью поверхностных состояний.

В настоящее время разработано несколько вариантов технологии изготовления структур КНД, основные из которых, освоенные в промышленных масштабах, описываются в данной главе.

4.1. Структуры «кремний на сапфире» (КНС)

Технологический процесс создания структур КНС заключается в эпитаксиальном наращивании на монокристаллической сапфировой подложке (α-Al2O3) монокристаллического слоя кремния n-типа проводимости. Для производства структур в промышленных масштабах обычно используется метод наращивания качественного слоя кремния силановый метод — пиролитическое разложение моносилана:

SiH4 (газ) Si (тв) + 2H2 (газ). (4.1)

Ориентация сапфировой подложки соответствует плоскости (1102), а кремниевой пленки — (001). Промышленно выпускаются структуры с толщиной кремниевого слоя 0,6 и 0,3 мкм.

Структуры КНС в основном используются для создания КМОП БИС специального назначения, поскольку из-за малого времени жизни неосновных носителей заряда в кремниевом слое они мало пригодны для создания схем с биполярными транзисторами. На рис. 4.1. показана схема формирования элементов БИС на структурах КНС, демонстрирующая возможность практически использовать стандартное оборудование, применяемое в технологических линиях производства БИС и СБИС на объемном кремнии.

Рис. 4.1. Этапы формирования БИС с торцевыми p-n-переходами на структурах КНС: а) эпитаксиальное наращивание пленки кремния; б) создание островков кремния методом литографии и глубокого травления; в) повторное окисление кремния; г) формирование элементов БИС и металлизация

Источник: «Базовые технологии микро- и наноэлектроники», В. М. Воротынцев, В. А. Перевощиков, В. Д. Скупов

Эффективность применения КМОП-технологии на структурах КНС дает следующие преимущества.

1. Хорошие изолирующие свойства сапфира позволяют формировать как p-, так и n-канальные транзисторы в одном и том же высокоомном слое кремния, тогда как для работы n-канальных приборов на обычной подложке необходима весьма критичная процедура ее легирования. Возможность создания n-канальных транзисторов с глубоким обеднением и p-канальных с обогащением на одной сапфировой подложке при незначительном усложнении технологического процесса позволяет добиться высокого быстродействия и малой величины рассеиваемой мощности, связанных с комплементарным режимом работы.

2. Благодаря отсутствию кремния в промежутках между элементами в КМОП/КНС БИС исключаются утечки через паразитные и инверсные каналы.

3. КМОП/КНС БИС имеет более высокую плотность упаковки элементов, чем КМОП БИС на монолитных подложках.

Важное достоинство БИС на структурах КНС — возможность полного исключения эффекта защелкивания (тиристорного эффекта), который является весьма критичным для КМОП-схем с высокой плотностью упаковки.

Следует также отметить технологичность структур КНС: материал подложки не травится в травителях, применяемых для вскрытия окон под диффузию в SiO2 или Si3N4. Это позволяет избежать серьезных трудностей при проведении процессов фотолитографии.

Вместе с тем существует и ряд проблем при создании БИС на структурах КНС и при последующей их работе в составе микроэлектронной аппаратуры. Основной причиной этих проблем является различие физических свойств кремния и сапфира, некоторые из которых приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Основные физические свойства кремния и сапфира

Наука Воротынцев В.М., Скупов В.Д. Базовые технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

Наука Воротынцев В.М., Скупов В.Д. Базовые технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

Учебное пособие разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника». Впервые технологии микро- и наноэлектроники рассмотрены неразрывно с технологиями высокочистых веществ и материалов в основополагающем ключе «высокая чистота материала — высокое качество продукции». Рассмотрены основные процессы получения высокочистых веществ и материалов на их основе, процессы и технологии получения эпитаксиальных структур кремния, арсенида галлия и др., технологии их обработки при переходе к компонентам электронной техники.<br /> Пособие может быть использовано студентами всех форм обучения, в том числе и по смежным специальностям, как для самостоятельной работы, так и выполнения курсовых проектов, а также в качестве конспекта лекций по курсу «Технология материалов электронной техники». Содержит перечень контрольных вопросов для оценки усвоения студентами материала.