Кремний на изоляторе - Википедия - Silicon on insulator

Для оптических устройств с кремнием на изоляторе см. кремниевая фотоника.

В производство полупроводников, кремний на изоляторе (ТАК ЧТО Я) технология изготовления кремний полупроводниковые приборы в слоистом кремний – диэлектрик – кремний субстрат, уменьшить паразитная емкость внутри устройства, тем самым повышая производительность.[1] Устройства на основе SOI отличаются от обычных устройств на основе кремния тем, что кремниевый переход находится выше электрический изолятор обычно диоксид кремния или же сапфир (эти типы устройств называются кремний на сапфире, или SOS). Выбор изолятора во многом зависит от предполагаемого применения: сапфир используется для высокопроизводительных радиочастотных (RF) и чувствительных к излучению приложений, а диоксид кремния - для уменьшения короткоканальных эффектов в других устройствах микроэлектроники.[2] Изолирующий слой и самый верхний слой кремния также сильно различаются в зависимости от области применения.[3]

Потребность отрасли

Технология SOI - одна из нескольких производственных стратегий, позволяющих продолжить миниатюризацию микроэлектроника устройства, в просторечии называемые "расширяющими Закон Мура "(или" More Moore ", сокращенно" MM "). Сообщенные преимущества SOI по сравнению с обычным кремнием (объемная CMOS ) обработка включает:[4]

  • Меньшая паразитная емкость за счет изоляции от основного кремния, что улучшает энергопотребление при согласованной производительности
  • Устойчивость к отстранение за счет полной изоляции структур n- и p-скважин
  • Более высокая производительность при эквиваленте VDD. Может работать при низких значениях VDD[5]
  • Пониженная температурная зависимость из-за отсутствия допирования
  • Лучший выход за счет высокой плотности, лучшего использования пластин
  • Уменьшение проблем с антенной
  • Не требуются ни корпус, ни краны
  • Более низкие токи утечки за счет изоляции, следовательно, более высокий КПД
  • По сути радиационно стойкий (устойчивость к программным ошибкам), что снижает потребность в избыточности

С производственной точки зрения подложки SOI совместимы с большинством традиционных производственных процессов. В общем, процесс на основе SOI может быть реализован без специального оборудования или значительного переоснащения существующего завода. Среди уникальных проблем SOI - новые метрология требования для учета скрытого оксидного слоя и озабоченность по поводу дифференциального напряжения в самом верхнем слое кремния. Пороговое напряжение транзистора зависит от предыстории работы и приложенного к нему напряжения, что усложняет моделирование. Основным препятствием для реализации SOI является резкое увеличение стоимости подложки, что, по оценкам, приводит к увеличению общих производственных затрат на 10-15%. .[6][требуется дополнительная ссылка (и) ]

КНИ транзисторы

КНИ МОП-транзистор - это Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) устройство, в котором полупроводник слой, такой как кремний или германий формируется на слое изолятора, который может быть слоем скрытого оксида (BOX), сформированным в полупроводниковой подложке.[7][8][9] Устройства SOI MOSFET адаптированы для использования в компьютерной индустрии.[нужна цитата ] Скрытый оксидный слой можно использовать в SRAM конструкции.[10] Существует два типа устройств SOI: МОП-транзисторы PDSOI (частично истощенная SOI) и FDSOI (полностью истощенная SOI). Для полевого МОП-транзистора PDSOI n-типа зажатая пленка p-типа между оксидом затвора (GOX) и скрытым оксидом (BOX) велика, поэтому область обеднения не может покрыть всю p-область. Так что в некоторой степени PDSOI ведет себя как массивный полевой МОП-транзистор. Очевидно, есть некоторые преимущества перед массивными полевыми МОП-транзисторами. Пленка в устройствах FDSOI очень тонкая, поэтому область обеднения покрывает всю пленку. В FDSOI передний затвор (GOX) поддерживает меньше зарядов истощения, чем основная часть, поэтому происходит увеличение инверсионных зарядов, что приводит к более высоким скоростям переключения. Ограничение заряда истощения посредством BOX вызывает подавление истощающей емкости и, следовательно, существенное уменьшение допорогового размаха, позволяя полевым МОП-транзисторам FD SOI работать при более низком смещении затвора, что приводит к работе с меньшей мощностью. Допороговое колебание может достигать минимального теоретического значения для полевого МОП-транзистора при 300K, что составляет 60 мВ / декаду. Это идеальное значение было впервые продемонстрировано с помощью численного моделирования.[11][12] Другие недостатки полевых МОП-транзисторов, такие как спад порогового напряжения и т. Д., Уменьшены в FDSOI, поскольку электрические поля истока и стока не могут мешать из-за BOX. Основная проблема в PDSOI - это "эффект плавающего тела (FBE) ", поскольку пленка не подключена ни к одному из источников.[нужна цитата ]

Производство пластин SOI

SIMOX процесс
Процесс Smart Cut

SiO2SOI-пластины могут быть изготовлены несколькими способами:

  • SIMOX - Sподготовка Яплантация OXygen - использует кислород ионно-лучевая имплантация процесс с последующим высокотемпературным отжигом для создания скрытого SiO2 слой.[13][14]
  • Склеивание пластин[15][16] - изолирующий слой образован прямым соединением окисленного кремния со второй подложкой. Большая часть второй подложки впоследствии удаляется, а остатки образуют самый верхний слой Si.
    • Одним из ярких примеров процесса склеивания пластин является Умная резка метод, разработанный французской фирмой Soitec который использует ионную имплантацию с последующим контролируемым отшелушиванием для определения толщины самого верхнего слоя кремния.
    • NanoCleave - это технология, разработанная Silicon Genesis Corporation, которая разделяет кремний за счет напряжения на границе раздела кремния и кремний-германий сплав.[17]
    • ELTRAN - это технология, разработанная Canon, в основе которой лежит пористый кремний и вода.[18]
  • Посевные методы[19] - в котором самый верхний слой Si выращивается непосредственно на изоляторе. Способы затравки требуют некоторого вида шаблона для гомоэпитаксии, что может быть достигнуто путем химической обработки изолятора, соответствующим образом ориентированного кристаллического изолятора или переходных отверстий через изолятор от нижележащей подложки.

Исчерпывающий обзор этих различных производственных процессов можно найти в ссылке.[1]

Микроэлектронная промышленность

Исследование

Концепция кремния на изоляторе восходит к 1964 году, когда она была предложена C.W. Miller и P.H. Робинсон.[20] В 1979 г. Инструменты Техаса исследовательская группа, в которую входят A.F. Tasch, T.C. Холлоуэй и Кай Фонг Ли сфабрикованный кремний на изоляторе МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).[21] В 1983 г. Fujitsu группа исследователей под руководством С. Кавамуры сфабриковала трехмерная интегральная схема с SOI CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник) структура.[22] В 1984 году та же исследовательская группа Fujitsu изготовила 3D-модель. массив ворот с вертикально расположенной двойной структурой КНИ / КМОП с использованием перекристаллизации пучка.[23] В том же году, Электротехническая лаборатория исследователи Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси сфабриковали МОП-транзистор с двойным затвором, демонстрируя, что короткоканальные эффекты может быть значительно уменьшен путем размещения полностью разряженного устройства SOI между двумя электродами затвора, соединенными вместе.[24][25] В 1986 году Жан-Пьер Колиндж в Лаборатория HP сфабрикованная SOI NMOS устройства, использующие 90 нм тонкий кремний фильмы.[26]

В 1989 г. Гавам Г. Шахиди инициировал программу исследований SOI в Исследовательский центр IBM Томаса Дж. Уотсона.[27] Он был главным архитектором технологии SOI в IBM Microelectronics, где он внес фундаментальный вклад, от исследования материалов до разработки первых коммерчески жизнеспособных устройств, при поддержке своего начальника Биджан Давари.[28] Шахиди был ключевой фигурой в превращении технологии SOI CMOS в производственную реальность. В начале 1990-х он продемонстрировал новую технику соединения кремния. эпитаксиальный разрастание и химико-механическое полирование для подготовки материала SOI аппаратного качества для изготовления устройств и простых схем, что привело к IBM расширяет свою исследовательскую программу за счет включения субстратов SOI. Он также был первым, кто продемонстрировал преимущество технологии SOI CMOS в задержке мощности по сравнению с традиционными объемными CMOS в микропроцессор Приложения. Он преодолел барьеры, препятствующие полупроводниковая промышленность Принятие SOI сыграло важную роль в доведении разработки субстратов SOI до уровня качества и стоимости, подходящего для массового производства.[29]

В 1994 году исследовательская группа IBM под руководством Шахиди, Биджан Давари и Роберт Х. Деннард сфабриковал первый менее 100 нанометров Устройства SOI CMOS.[30][31] В 1998 году команда Hitachi, TSMC и Калифорнийский университет в Беркли исследователи продемонстрировали FinFET (плавник полевой транзистор ),[32] который представляет собой неплоский полевой МОП-транзистор с двумя затворами, построенный на подложке КНИ.[33] В начале 2001 года Шахиди использовал SOI для разработки маломощного RF CMOS устройство, приводящее к увеличению радиочастоты, в IBM.[28]

Коммерциализация

Исследования Шахиди в IBM привели к первому коммерческому использованию SOI в основной технологии CMOS.[27] Впервые SOI была коммерциализирована в 1995 году, когда работа Шахиди над SOI убедила Джона Келли, который руководил серверным подразделением IBM, принять SOI в AS / 400 линейка серверных продуктов, в которой используются 220 нм КМОП с медной металлизацией КНИ устройства.[28] IBM начала использовать SOI в high-end RS64-IV "Истар" PowerPC-AS микропроцессор в 2000 году. Другие примеры микропроцессоров, построенных на технологии SOI, включают AMD с 2001 года выпускает одно-, двух-, четырех-, шести- и восьмиъядерные процессоры 130 нм, 90 нм, 65 нм, 45 нм и 32 нм.[34]

В конце 2001 года IBM собиралась представить 130 нм КМОП-устройства SOI с медью и диэлектрик с низким κ для бэкэнда, основанного на работе Шахиди.[28] Freescale приняли SOI в своих PowerPC 7455 CPU в конце 2001 года. В настоящее время[когда? ] Freescale поставляет продукты SOI в 180 нм, 130 нм, 90 нм и 45 нм линий.[35] 90 нм PowerPC - и Питание ISA -процессоры, используемые в Xbox 360, PlayStation 3, и Wii также использовать технологию SOI. Конкурентные предложения от Intel однако продолжить[когда? ] использовать обычные навалом CMOS технологии для каждого технологического узла, вместо этого сосредотачиваясь на других местах, таких как HKMG и транзисторы с тройным затвором для улучшения работы транзистора. В январе 2005 года исследователи Intel сообщили об экспериментальном рамановском лазере на кремниевом ребристом волноводе с одним кристаллом, созданном с использованием SOI.[36]

Что касается традиционных литейных производств, то в июле 2006 г. TSMC утверждал, что ни один клиент не хотел SOI,[37] но Сертифицированный полупроводник посвятил целую фабрику СОИ.[38]

Использование в высокопроизводительных радиочастотных (RF) приложениях

В 1990 г. Peregrine Semiconductor приступила к разработке технологического процесса SOI с использованием стандартного узла CMOS 0,5 мкм и усовершенствованной сапфировой подложки. Его запатентованный кремний на сапфире (SOS) процесс широко используется в высокопроизводительных радиочастотных приложениях. Основные преимущества изолирующей сапфировой подложки обеспечивают высокую изоляцию, высокую линейность и устойчивость к электростатическим разрядам (ESD). Многие другие компании также применили технологию SOI для успешных радиочастотных приложений в смартфонах и сотовых радиоприемниках.[39][требуется дополнительная ссылка (и) ]

Использование в фотонике

Пластины SOI широко используются в кремниевая фотоника.[40] Слой кристаллического кремния на изоляторе можно использовать для изготовления оптических волноводов и других оптических устройств, пассивных или активных (например, посредством подходящей имплантации). Скрытый изолятор обеспечивает распространение инфракрасного света в слое кремния на основе полного внутреннего отражения. Верхнюю поверхность волноводов можно либо оставить открытой и подвергать воздействию воздуха (например, для датчиков), либо покрыть оболочкой, обычно из диоксида кремния.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Celler, G.K .; Кристоловяну, С. (2003). «Границы кремний-на-изоляторе». Журнал прикладной физики. 93 (9): 4955. Bibcode:2003JAP .... 93.4955C. Дои:10.1063/1.1558223.
  2. ^ Маршалл, Эндрю; Натараджан, Сридхар (2002). Дизайн SOI: аналоговые, запоминающие и цифровые методы. Бостон: Клувер. ISBN  0792376404.
  3. ^ Колиндж, Жан-Пьер (1991). Технология кремний-на-изоляторе: материалы для СБИС. Берлин: Springer Verlag. ISBN  978-0-7923-9150-0.
  4. ^ Кремний на изоляторе - Технология и экосистема SOI - Новые приложения SOI Горацио Мендес, исполнительный директор Промышленного консорциума SOI, 9 апреля 2009 г.
  5. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-04-18. Получено 2014-04-12.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  6. ^ «IBM рекламирует технологию производства микросхем». cnet.com. 29 марта 2001 г.. Получено 22 апреля 2018.
  7. ^ Патент США 6,835,633 SOI пластины с 30-100 угл. Погребенный OX создан склеиванием пластин с использованием 30-100 угл. тонкий оксид в качестве связующего слоя
  8. ^ Патент США 7,002,214 Устройства на полевых транзисторах с ультратонким корпусом и сверхкрутым ретроградным колодцем (SSRW)
  9. ^ Ультратонкий КНИ МОП-транзистор для эпохи глубиной менее десятых микрон; Ян-Гю Чой; Асано, К .; Lindert, N .; Subramanian, V .; Цу-Джэ Кинг; Bokor, J .; Ченмин Ху; Письма об электронных устройствах, IEEE; Том 21, выпуск 5, май 2000 г. Страниц: 254 - 255
  10. ^ Патент США 7138685 «Ячейка SRAM с вертикальным полевым МОП-транзистором» описывает структуры со скрытым оксидом (BOX) SOI и способы реализации улучшенных структур SOI BOX.
  11. ^ Ф. Балестра, Характеристики и моделирование полевых МОП-транзисторов с КНИ с управлением обратным потенциалом, докторская диссертация, ИЯФ-Гренобль, 1985 г.
  12. ^ Ф. Балестра, Проблемы эксплуатации сверхмалых полупроводниковых устройств, в «Будущие тенденции в микроэлектронике - путешествие в неизведанное», С. Лури, Дж. Сюй, А. Заславский, ред., J. Wiley & Sons, 2016
  13. ^ Патент США 5,888,297 Способ изготовления подложки SOI Ацуши Огура, дата выпуска: 30 марта 1999 г.
  14. ^ Патент США 5,061,642 Способ изготовления полупроводника на изоляторе Хироши Фудзиока, дата выпуска: 29 октября 1991 г.
  15. ^ «Склеивание полупроводниковых пластин: наука и технология», автор: Q.-Y. Тонг и У. Гезеле, Wiley-Interscience, 1998 г., ISBN  978-0-471-57481-1
  16. ^ Патент США 4771016 Джордж Баджор и др., Используя быстрый термический процесс для изготовления полупроводниковых полупроводников со склеенными пластинами, дата выпуска: 13 сентября 1988 г.
  17. ^ "SIGEN.COM". www.sigen.com. Получено 22 апреля 2018.
  18. ^ ELTRAN - новая технология SOI Wafer В архиве 2007-09-27 на Wayback Machine, JSAPI том 4
  19. ^ Патент США 5417180
  20. ^ Колиндж, Жан-Пьер (2003). "Кремний-на-изоляторе МОП-транзисторы с многопластинчатым затвором". Микроэлектронные технологии и устройства, SBMICRO 2003: Материалы восемнадцатого международного симпозиума. Электрохимическое общество. С. 2–17. ISBN  9781566773898.
  21. ^ Tasch, A. F .; Holloway, T. C .; Ли, К. Ф .; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). "Кремний-на-изоляторе m.o.s.f.e.t.s, изготовленный на отожженном лазером поликремнии на SiO2". Письма об электронике. 15 (14): 435–437. Дои:10.1049 / el: 19790312.
  22. ^ Kawamura, S .; Sasaki, N .; Я жду.; Mukai, R .; Nakano, M .; Такаги, М. (декабрь 1983 г.). «Трехмерные ИС КНИ / КМОП, изготовленные методом лучевой перекристаллизации». 1983 Международное собрание электронных устройств: 364–367. Дои:10.1109 / IEDM.1983.190517. S2CID  11689645.
  23. ^ Kawamura, S .; Сасаки, Нобуо; Я жду.; Mukai, R .; Nakano, M .; Такаги, М. (1984). «Трехмерная вентильная матрица с вертикально установленной двойной структурой SOI / CMOS, изготовленной путем перекристаллизации луча». 1984 Симпозиум по технологии СБИС. Сборник технических статей: 44–45.
  24. ^ Колиндж, Жан-Пьер (2008). FinFET и другие транзисторы с несколькими затворами. Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN  9780387717517.
  25. ^ Секигава, Тосихиро; Хаяси, Ютака (1 августа 1984 г.). «Расчетные пороговые характеристики XMOS-транзистора с дополнительным нижним затвором». Твердотельная электроника. 27 (8): 827–828. Bibcode:1984ССЭле..27..827С. Дои:10.1016/0038-1101(84)90036-4. ISSN  0038-1101.
  26. ^ Колиндж, Жан-Пьер (1986). "Подпороговая крутизна тонкопленочных КНИ МОП-транзисторов". Письма об электронных устройствах IEEE. 7 (4): 244–246. Bibcode:1986IEDL .... 7..244C. Дои:10.1109 / EDL.1986.26359. S2CID  19576481.
  27. ^ а б "Гавам Г. Шахиди". IEEE Xplore. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 16 сентября 2019.
  28. ^ а б c d «Ученый SOI считается одним из последних сотрудников IBM». EE Times. 30 мая 2001 г.
  29. ^ "Гавам Шахиди". История инженерии и технологий. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 16 сентября 2019.
  30. ^ Шахиди, Гавам Г.; Давари, Биджан; Деннард, Роберт Х.; Anderson, C.A .; Chappell, B.A .; и другие. (Декабрь 1994 г.). «КМОП 0,1 мкм комнатной температуры на КНИ». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 41 (12): 2405–2412. Дои:10.1109/16.337456.
  31. ^ Кричлоу, Д. Л. (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society. 12 (1): 19–22. Дои:10.1109 / N-SSC.2007.4785536.
  32. ^ Цу ‐ Джэ Кинг, Лю (11 июня 2012 г.). «FinFET: история, основы и будущее». Калифорнийский университет в Беркли. Симпозиум по технологии СБИС Краткий курс. Получено 9 июля 2019.
  33. ^ Хисамото, Диг; Ху, Ченмин; Хуанг, Сюэцзюэ; Ли, Вен-Чин; Kuo, C .; и другие. (Май 2001 г.). "Sub-50 нм P-канал FinFET" (PDF). Транзакции IEEE на электронных устройствах. 48 (5): 880–886. Bibcode:2001ITED ... 48..880H. Дои:10.1109/16.918235.
  34. ^ Фрис, Ганс де. «Chip Architect: будут раскрыты процессы Intel и Motorola / AMD 130 нм». chip-architect.com. Получено 22 апреля 2018.
  35. ^ "NXP Semiconductors - автомобилестроение, безопасность, Интернет вещей". www.freescale.com. Получено 22 апреля 2018.
  36. ^ Ронг, Хайшэн; Лю, Аньшэн; Джонс, Ричард; Коэн, Одед; Хак, Дани, Николаеску, Ремус; Фанг, Александр; Паничча, Марио (январь 2005 г.). «Полностью кремниевый рамановский лазер» (PDF). Природа. 433 (7042): 292–294. Дои:10.1038 / природа03723. PMID  15931210. S2CID  4423069.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  37. ^ «TSMC не имеет спроса на технологию SOI - Fabtech - онлайн-источник информации для профессионалов в области полупроводников». fabtech.org. Архивировано из оригинал 28 сентября 2007 г.. Получено 22 апреля 2018.
  38. ^ Chartered расширяет доступ на литейный рынок к 90-нм технологии IBM SOI
  39. ^ Мэдден, Джо. "Телефонные RFFE: MMPA, отслеживание конверта, настройка антенны, FEM и MIMO" (PDF). Мобильные эксперты. Архивировано из оригинал (PDF) 4 марта 2016 г.. Получено 2 мая 2012.
  40. ^ Рид, Грэм Т .; Knights, Эндрю П. (5 марта 2004 г.). Кремниевая фотоника: введение. Вайли. ISBN  9780470870341. Получено 22 апреля 2018 - через Google Книги.

внешняя ссылка

  • Промышленный консорциум SOI - сайт с обширной информацией и обучением по технологии SOI
  • SOI IP портал - Поисковая система для SOI IP
  • AMDboard - сайт с обширной информацией о технологии SOI
  • Advanced Substrate News - информационный бюллетень об индустрии SOI, выпускаемый Soitec
  • МИГАЗ '04 - 7-я сессия Международной летней школы МИГАЗ по перспективной микроэлектронике, посвященная технологиям и устройствам SOI
  • МИГАЗ '09 - 12-я сессия Международной летней школы по перспективной микроэлектронике: «Кремний на изоляторе (КНИ) наноустройства»