Silicon on insulator

Схема КНИ-подложки

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. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров^[1]. Так, например, максимальная рабочая частота схем, выполненных по технологическому процессу 130 нм, может достигать 200 ГГц ^[2]. В перспективе, при переходе к технологическим процессам с меньшим размером активных элементов^[3] (уже существующему 90 нм, или только разрабатываемому сейчас 10 нм), возможно ещё большее повышение этого показателя. Кроме собственно наименования технологии, термин «кремний на изоляторе» также часто употребляется в качестве названия поверхностного слоя кремния в КНИ-структуре.

Конструктивное исполнение

Схемы МОП-транзисторов, выполненных по технологиям:
а) Классической
б) КНИ

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 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.

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.

Технология изготовления

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 и эпитаксия^[4].

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.

Сращиваение 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^[5]. 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^[4].

Управляемый скол

Технология управляемого скола или Smart Cut™, разработанная французской компанией Soitec, объединяет в себе черты технологий ионного внедрения и сращивания пластин^[6]. 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.

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.

Использование в технике

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.

• AMD, выпускаемых по технологическим процессам 130 нм (одноядерные) и 90 нм (одно и двухъядерные)
• Sony, IBM (технологический процесс — 90 нм), используется в игровой приставке PlayStation 3
• Xenos — трехъядерный процессор компании Microsoft Xbox 360
• Broadway — процессор компании Nintendo Intel Core 2, 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.

  Примечания

  1. ↑ SOI technology for the GHz era
  2. ↑ Foundry productbrief03.pdf IBM 130-nm foundry technology platform
  3. ↑ Хотя технология КНИ может быть использована для построения любых полупроводниковых приборов, чаще всего речь идёт о МОП-транзисторах, характерным размером которых является длина канала, и именно эта величина указывается в наименовании технологического процесса
  4. ↑ ^{1 2} Исследование структур типа «кремний на пористом кремнии» и создание технологического процесса для производства приборов на их основе
  5. ↑ Инфракрасная спектроскопия кремниевых сращённых пластин
  6. ↑ Smart Cut™ A guide to the technology, the process, the products

  См. также

  • Кремниевая пластина
  • Напряжённый кремний
  • Планарная технология
  • Пористый кремний
  • Фотолитография

  Ссылки

  • SOI Technology: IBM’s Next Advance In Chip Design — Обзорная статья о КНИ и общих принципах функционирования современных цифровых микросхем
  • AMDboard — Большая подборка ссылок на публикации, посвященные КНИ
  • Soitec — Официальный сайт компании Soitec