Назначение и общие характеристики КНИ структур

Известно, что переход от кремниевых пластин, в том числе с эпитаксиальным слоем, на структуры КНИ при производстве большого класса полупроводниковых приборов и микросхем дает заметные преимущества по сравнению с объемным материалом, в частности, снижение потребляемой мощности и увеличение быстродействия. С начала семидесятых годов развитие микроэлектронной техники строго следует закону Мура — производительность микропроцессоров удваивается каждые 18 месяцев. Минимальный размер элементов быстро приближается к 50 нм, а переключаемый заряд снижается до 1000 или менее электронов. Несмотря на успехи отдельных фирм (Intel, NEC, Lecent Technology) в уменьшении размеров элементов (менее 50 нм), физические пределы (квантовые эффекты и неопределенность поведения малых токов) и технологические пределы (ограниченная рассеиваемая мощность, сложность топологии и туннельные токи) могут существенно затормозить процесс микроэлектроники на основе масштабированного уменьшения размеров элементов в рамках стандартной технологии на объемном кремнии КМОП. Технологические проблемы вместе с непомерно растущими затратами на развитие обычной технологии КМОП резко понижают барьеры по внедрению альтернативных приборных концепций на базе новых материалов. Использование КНИ уменьшает длину канала МОП транзистора до 15 нм, а дизайн двойного затвора позволяет достичь длины канала 5−6 нм. В настоящее время в мире используются два основных метода создания пластин КНИ (зарубежное название Silicon On Isolation — SOI): имплантационный метод — внедрение в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by Oxygen — SIMOX) с последующим синтезом скрытого окисла при отжиге и метод водородного переноса кремния с окислом (Smart Cutr SOI), состоящий в прямом сращивании облученной водородом донорной окисленной пластины кремния с опорной подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем ее скола имплантированным водородом. Пластины КНИ, изготовленные с помощью этих двух методов, нашли коммерческое применение несмотря на то, что их стоимость в 5−8 раз выше стоимости пластин кремния того же диаметра. Дело в том, что только этими двумя методами удается обеспечивать требования глубоко субмикронной технологии при толщине отсеченного слоя КНИ менее 50 нм. Наиболее близким к рассматриваемому в работе способу создания КНИ является метод Smart Cutr, предложенный М. Брюэлем. Заключительными операциями в методе Брюэля после переноса слоя кремния с окислом на опорную подложку являются термообработка при 1100?1200?C, улучшающая параметры структуры КНИ за счет отжига радиационных дефектов в кремнии, захороненном SiO2, удаление остаточного водорода и укрепление связей на границе сращивания. Последняя операция состоит из прецизионной полировки структуры КНИ, удаляющей 0.1−0.2 мкм верхнего шероховатого и все еще дефектного слоя кремния. Недостатком метода являются трудоемкость и увеличенная неоднородность толщины отсеченного слоя кремния из-за последней операции и повышенная по сравнению с кремнием температурная стабильность дефектов в облученном ионами диэлектрике. Использование структур КНИ толщиной 30−50 нм для УБИС и одноэлектронных приборов выдвигает очень высокие требования к совершенству границы hотсеченный слой Sii-hскрытый SiO2i как с точки зрения структурных, так и с точки зрения электрофизических свойств. Известно, что переходный слой на границе Si-hтермический SiO2i может достигать нескольких нанометров. Улучшение свойств границы Si/SiO2 и уменьшение толщины переходного слоя также представляются исключительно важными для структур КНИ.

Несмотря на то, что экспериментально продемонстрировано, как обычная планарная объемная КМОП-технология может быть использована вплоть до длины канала ~15 нм, совсем не очевидно, что такое сокращение размеров будет сопровождаться соответствующим улучшением характеристик приборов. Проблема состоит в ухудшающемся электростатическом контроле заряда в кремнии затвором и, соответственно, плохой воспроизводимости характеристик транзисторов ультрамалых размеров. Технология «кремний-на-изоляторе» (КНИ) рассматривается как естественная преемница объемной технологии (рис. 1.4). Считается, что последовательное развитие технологии КНИ должно привести к достижению предельных характеристик кремниевых КМОП-схем. Исторически МОП-транзисторы, изготовленные по технологии «кремний-на-изоляторе», появились достаточно давно как элементы схем специального применения. Первые КНИ-транзисторы имели структуру «кремний-на-сапфире», и их главным достоинством считалось отсутствие радиационно-индуцированных токов в p-n-переходах стока и истока. До начала 90-х гг. XX в. КНИ-технологии не рассматривались как серьезная альтернатива коммерческой объемной технологии главным образом из-за своей дороговизны. Со временем выяснилось, что КНИ МОПТ имеют существенные функциональные преимущества над транзисторами обычных объемных технологий с неизолированной подложкой.

В настоящее время КНИ-структуры активно проникают в коммерческие технологии (рис. 1.5). Предполагается, что этот процесс будет идти еще быстрее по мере повышения степени интеграции и, в конце концов, КНИ станет доминирующей коммерческой технологией. Активная область КНИ МОП-транзистора, именуемая базой или «телом» (международный термин бобу), представляет собой тонкую кремниевую пленку между контактами стока и истока, изолированную со всех сторон слоями окислов. Скрытый окисел, или захороненный окисел (международный термин Ъипеб ох1бе, ВОХ), в КНИ-структурах изолирует активную область прибора от подложки, а вертикальная изоляция (как правило, 8Т1) делает невозможными токи утечки и тиристорный эффект между двумя соседними приборами.

Рис. 1.5 Фотография сечения частично обедненной КНИ-структуры