eng
Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Глава 1. Гетероэпитаксиальные структуры «кремний на сапфире». 24
1.1.
Физико-химические характеристики гетероэпитаксиальных
структур «кремний на сапфире» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.
Основные параметры КНС-структур для радиационно
стойких КМОП-схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.
Методы исследования параметров глубоких уровней
в структурах КНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.4.
Результаты исследования глубоких уровней в структурах
КНС, подвергнутых различным видам внешних
воздействий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Глава 2. Технология создания радиационно стойких КМОП
БИС со структурой «кремний на сапфире» . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1.
Разработка и исследование технологических процессов
формирования радиационно стойких МОП-структур . . . . . 64
2.2.
Базовый технологический маршрут изготовления КМОП
БИС КНС SOS-2 (длина канала до 4 мкм) . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.
Технологический маршрут изготовления КМОП БИС
SOS-3 (длина канала 2 мкм). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Глава 3. Технология КМОПБИС КНС с коротким каналом . . . . 93
3.1.
Короткоканальные эффекты в КМОП КНС-транзисторах . 94
3.2.
Поиск путей совершенствования технологического
маршрута с помощью методов математического
моделирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.
Технологический маршрут изготовления КМОП БИС
КНС (SOS-4) с длиной канала до 1,5—1,25 мкм . . . . . . . . 110
3.4.
Двухкарманная технология с самосовмещенными
затворами на ультратонком кремнии с длиной канала
0
,5 мкм и менее (UTSi-технология компании Peregrine). . . 120
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Глава 4. Элементы радиационно стойких КМОПКНС БИС . . . 132
4.1.
МОП КНС-транзисторы, КМОП-ячейки . . . . . . . . . . . . . 133
4.2.
Стабилитрон, изготовленный по технологии КНС . . . . . . 145
4.3.
Пассивные RC-цепочки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.4.
Сенсоры на основе ионоселективных МОП
КНС-транзисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.5.
Индуктивность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.6.
Ячейка ПЗУ с электрически стираемой
перепрограммируемой информацией (EEPROM). . . . . . . . 162
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Глава 5. Подсистема моделирования элементной базы
радиационно стойких КМОПБИС КНС. . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.1.
Пятиуровневая методика моделирования радиационно
стойких КМОП КНС БИС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2.
Методика оценки чувствительности исходных
КНС-структур к высокотемпературным обработкам
и радиационным воздействиям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3.
Приборно-технологическое моделирование с помощью
пакета Synopsys TCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.4.
Схемотехнические модели МОП-транзисторов
на изолирующей подложке, учитывающие влияние
радиационных эффектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.5.
Моделирование КМОП КНС БИС с использованием
библиотек стандартных ячеек и функциональных
схемных блоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Глава 6. Отечественные радиационно стойкие интегральные
схемы со структурой «кремний на сапфире» . . . . . . . . . . 239
6.1.
Радиационно стойкие КМОП БИС предприятия
ПАО НПП «Сапфир» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.1.1.
Самосовмещенная технология SOS-2 на структурах
КНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.1.2.
Радиационно стойкий КМОП КНС базовый
матричный кристалл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.1.3.
Радиационно стойкие КМОП БИС, изготовленные
по самосовмещенной технологии со «спейсерами»
(SOS-3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.1.4.
Радиационно стойкие КМОП БИС КНС,
изготовленные по двухкарманной технологии
с использованием высокоомного кремния (SOS-4). . 261
6.2.
Радиационно стойкие КМОП КНС-микросхемы
предприятия ПАО «Ангстрем» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
6.3.
Радиационно стойкие КМОП КНС-микросхемы
предприятия ФГУП РФЯЦ — ВНИИЭФ
«НИИИС им. Ю.Е. Седакова» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.4.
Радиационно стойкие аналоговые КМОП
КНС-микросхемы предприятия АО «НПО
измерительной техники». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Глава 7. Зарубежные радиационно стойкие интегральные схемы
со структурой «кремний на сапфире» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.1.
КМОП КНС-микросхемы компании Peregrine
Semiconductor Corporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.1.1.
UltraCMOS-технология компании Peregrine . . . . . . . 283
7.1.2.
Серийные микросхемы компании Peregrine
Semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.2.
КМОП КНС-микросхемы компании Dynex Semiconductor . 291
7.3.
КМОП КНС-микросхемы компании Intersil Corporation . . . 293
7.4.
КМОП КНС-микросхемы компании GEC Pleassey (Mitel
Semiconductor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Глава 8. Оптоэлектронные БИС со структурой КНС . . . . . . . . . 302
8.1.
Элементы фоточувствительных ИС на КНС-структурах . . 304
8.1.1.
Фотодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.1.2.
Фототранзистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.2.
Схемотехнические модели фотодиода и фототранзистора . 317
8.2.1.
Обобщенная SPICE-модель фотодиода. . . . . . . . . . . 318
8.2.2.
Модель фототранзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.3.
Фоточувствительные ИС на активных пикселях . . . . . . . . 323
8.3.1.
Активный пиксельный сенсор . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
8.3.2.
Структура и принцип работы фоточувствительных
ИС на АПС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
8.3.3.
Активный пиксель на основе биполярного
транзистора с горизонтальной структурой . . . . . . . . 328
8.3.4.
Фоточувствительные ИС ультрафиолетового
диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
8.4.
Фотоприемные интегральные схемы со встроенным
фотовольтаическим питанием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
8.4.1.
Структура и принцип работы фотоприемных ИС
со встроенным фотовольтаическим питанием . . . . . 339
8.4.2.
Фотоэлектрический преобразователь . . . . . . . . . . . . 344
8.4.3.
Описание чипа оптоэлектронной микросхемы . . . . . 346
8.5.
Высоковольтные маломощные фотоэнергетические
модули. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
8.6.
Диодный оптрон на основе GaN/GaAs-излучателя
и КНС-фотоприемника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
8.7.
Оптоэлектронные модули на сапфировых подложках
для многоканальных оптических соединений . . . . . . . . . . 355
8.7.1.
FOCUTS-модули для параллельных оптических
межсоединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
8.7.2.
Оптоэлектронные модули для двумерных
оптических соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
ВВЕДЕНИЕ
Создание и освоение в производстве стратегически важной для
России радиоэлектронной аппаратуры для ядерной энергетики,
аэрокосмической техники, радиолокации, связи и телекоммуни-
каций, систем вооружения и военной техники, оборудования для
ликвидации последствий радиационных и других экологических
катастроф, утилизации ядерных и химически агрессивных от-
ходов, а также для специальной аппаратуры гражданского назна-
чения немыслимо без создания и промышленного освоения
высокоэффективной и высоконадежной микроэлектронной эле-
ментной базы. Основу этой элементной базы составляют специа-
лизированные большие интегральные схемы (БИС) и системы на
кристалле (СнК). При создании БИС и СнК гражданского и во-
енного назначения имеет место устойчивая тенденция возраста-
ния сложности устройств за счет интеграции на одном кристалле
функций приема и передачи сигналов радио- и СВЧ-диапазонов,
цифровой обработки, промежуточного хранения и накопления
информации, внутреннего контроля, диагностики, управления и
других функций. Причем эта тенденция особенно заметно усили-
лась в последние годы в связи с бурным развитием средств бес-
проводной мобильной связи и телекоммуникаций. Помимо вы-
сокой функциональной гибкости (т.е. способности одновременно
в одной конструкции реализовывать цифровые, аналоговые, сен-
сорные и др. функции) специализированные БИС и СнК должны
обладать высокой производительностью и быстродействием,
умеренным потреблением энергии, приемлемыми массогабаритными
показателями, а также высокой надежностью и устойчивостью
к воздействию внешних факторов, в первую очередь температуры
и радиации [1—3].
В настоящее время сформировались три основных направ-
ления в разработке и промышленном производстве таких схем:
на основе технологии арсенида галлия, кремний-германиевой
БиКМОП-технологии и КМОП-технологии «кремний на диэлектрике».
Арсенид-галлиевые (GaAs) интегральные схемы традиционно
используются в специальной радиоэлектронной аппаратуре СВЧ-
диапазона вследствие их высокого быстродействия и стойкости
к воздействию радиации и температуры [4, 5]. Однако по стоимо-
сти они в 3—7 раз дороже схем на основе кремния, потребляют
гораздо большую мощность и уступают кремниевым микросхемам
в части удобства и качества реализации на одном кристалле циф-
ровых функций и пассивных компонентов.
Технология кремний-германиевых БиКМОП БИС интегрирует
на одном кристалле аналоговые устройства на гетеропереходных
биполярных транзисторах (ГБТ), обладающих очень высоким бы-
стродействием, с цифровыми функциями КМОП-транзистров и
пассивными R-, L-, C-элементами. В плане быстродействия, реа-
лизации аналого-цифровых функций и отчасти радиационной
стойкости они являются в определенной степени альтернативой
схемам на основе GaAs, но при этом обладают гораздо меньшей
стоимостью из-за практически полной совместимости с традици-
онной кремниевой КМОП-технологией [6—8]. Однако ГБТ, хотя
и имеют очень высокое быстродействие, но потребляют достаточ-
но большую мощность по сравнению с КМОП-элементами. Кро-
ме того, ни одна из разновидностей SiGe БиКМОП-технологии не
может интегрировать на кристалле пассивные элементы так же
эффективно, как технология, использующая полностью изолирую-
щую (диэлектрическую) подложку.
Интерес к использованию тонких пленок кремния на изоли-
рующей подложке возник практически одновременно с развити-
ем МОП-технологии, поскольку появилась возможность реали-
зовать технологический маршрут создания КМОП БИС близкий
к «идеальному».
На рис. 1 приведены схематические изображения разрезов
КМОП-элементов, изготовленных на объемном кремнии (верхний
рисунок) и на изолирующей сапфировой подложке (нижний рисунок).
Диэлектрическая подложка обладает целым рядом важных
преимуществ перед подложкой на объемном кремнии. Она позволяет:
• увеличить плотность размещения элементов;
• практически исключить токи утечки;
• исключить тиристорный эффект;
• резко снизить паразитные емкости;
• повысить быстродействие;
• повысить радиационную и температурную стойкость микро-
схем;
• повысить помехоустойчивость и надежность.
Кроме того, важным преимуществом технологии изготовления
КМОП БИС на диэлектрической подложке является ее практиче-
ски полная совместимость с технологией КМОП БИС на объем-
ном кремнии и, как следствие, возможность использования одной
технологической линии для обоих процессов.
В настоящее время отработаны и промышленно освоены две
разновидности технологии КМОП на диэлектрике: КНИ — крем-
ний на изоляторе (оксиде кремния SiO2) и КНС — кремний на
сапфире (Al2O3).
Технология КМОП на КНИ-подложках является сегодня,
наряду с технологией КМОП на объемном кремнии, базовой про-
мышленной технологией изготовления сверхбольших интеграль-
ных схем (СБИС) с субмикронными и глубоко субмикронными
топологическими размерами КМОП-элементов. Этой технологией
владеют ведущие зарубежные компании — производители СБИС:
Intel, IBM, AMD, STMicroelectronics, TSMC, NEC и др., а также ве-
дущие отечественные предприятия, освоившие массовый выпуск
схем микропроцессоров, памяти, цифровой логики, для которых
основными параметрами являются высокая степень интеграции
элементов на кристалле, высокое быстродействие и производите-
льность, малое потребление мощности. Благодаря стремительному
прогрессу в области полупроводниковых субмикронных техноло-
гий сегодня промышленно изготавливаются КМОП КНИ СБИС с
минимальными размерами элементов 65—25 нм.
Важным преимуществом КМОП КНИ СБИС перед аналогич-
ными СБИС на объемном кремнии является их более высокая ра-
диационная стойкость к воздействию одиночных ядерных частиц
(ОЯЧ), что чрезвычайно важно при их использовании в аэрокос-
мической и другой специальной технике.
Физика, технология, характеристики элементов и микросхемо-
техника КМОП КНИ СБИС в достаточной степени исследованы;
им посвящено большое количество публикаций в специализиро-
ванных журналах и целый ряд серьезных монографий [9—13].
Технология структур «кремний на сапфире» (КНС) была впер-
вые предложена в 1960 году компанией Rockwell исключительно
в целях создания материала, обеспечивающего высокое быстро-
действие и малую мощность потребления ИС на основе компле-
ментарных структур металл — окисел — полупроводник (КМОП)
[14]. Практически одновременно эта технология начала создаваться
и у нас в стране [15].
Благодаря изолирующим свойствам КНС-подложки возможна
интеграция КМОП-транзисторов и высокодобротных пассивных
элементов (емкостей и индуктивностей). В частности, индуктив-
ности, сформированные с использованием металлических покры-
тий на КНС и имеющие добротность Q = 50, функционируют на
частоте до 5 ГГц, в то время как добротность индуктивностей,
сформированных по КМОП-технологии на объемном кремнии,
составляет 10. Это позволяет создавать с использованием КНС-
технологии высококачественные настраиваемые элементы и резо-
нансные контуры.
В случае ВЧ цифро-аналоговых применений приборы на основе
КНС обеспечивают большую величину максимальной часто-
ты fmax по сравнению с fT (предельная частота усиления по току).
В приборах на основе объемного кремния fmax примерно рав-
на fT, в то время как в ИС на основе КНС fmax примерно втрое
выше, чем fT. Это обеспечивает большую гибкость конструирования
ИС с учетом имеющихся технологических возможностей. Оценки
показывают, что технология КМОП КНС с разрешением 0,5 мкм
способна обеспечить достижение fmax = 50 ГГц, что превышает ана-
логичный параметр для приборов, получаемых по КМОП-техноло-
гии на объемном кремнии с разрешением 0,13 мкм.
И, наконец, следует отметить высокую устойчивость ИС на
основе КМОП КНС к воздействию дестабилизирующих факторов,
что делает возможным их использование в наиболее неблагопри-
ятных условиях.
Тем не менее большие потенциальные возможности, заложен-
ные в конструкции и технологии КМОП БИС на КНС, до недав-
него времени не были реализованы в массовом производстве из-за
трудностей с изготовлением высококачественных исходных КНС-
структур. Высокая стоимость исходных КНС-структур (на миро-
вом рынке — до 1,5 долл./см2) и, следовательно, более высокая
цена КМОП БИС КНС определили в дальнейшем преимущест-
венно специальные применения этой технологии в аэрокосмиче-
ской и военной технике.
О высокой надежности компонентов на основе структур КНС
свидетельствуют следующие факты. Самым далеко находящимся
в настоящее время от планеты Земля рукотворным объектом явля-
ется космический аппарат «Вояджер-1» (Voyager-1) [16], на кото-
ром работает бортовой компьютер на базе микропроцессора, вы-
полненного по КНС-технологии фирмы RCA. Космический
аппарат «Вояджер-1» стартовал 05.09.1977 года и покинул нашу
Солнечную систему в 2003 г. В 2006 г. он находился на расстоянии
в 14 миллиардов километров от Земли. Несмотря на более чем
40-летнее пребывание в космосе, спутник продолжает функциони-
ровать по настоящее время [17]. Сегодняшнее поколение микро-
электронных компонентов со структурой КНС используется
в бортовой электронной аппаратуре космических аппаратов, со-
здаваемых в рамках крупных международных космических про-
грамм, таких как Globalstar, ExoMars, Glonass, Gallileo и др.
В начале 2000-х годов компания Peregrine Semiconductor Corp.
(США) совместно с фирмой Asaki Kasei Microsystems Corp. (Япо-
ния) разработала усовершенствованную версию КНС технологии
на ультратонком кремнии — Ultra Thin Silicon — UTSi. В очень
тонком кремниевом эпитаксиальном слое (до 0,1 мкм) кристалли-
ческие дефекты сведены практически к минимуму, что позволило
создавать качественные КМОП КНС СБИС с высокими объемами
выпуска и низкой ценой [20, 21], по качеству практически не
уступающие объемному кремнию.
Достижения фирмы Peregrine резко изменили отношение
к КНС-технологии. За короткое время она стала технологией мас-
сового производства и вышла на передовые позиции на мировом
коммерческом рынке, сохранив при этом свои позиции в области
радиационно стойких схем для аэрокосмической и военной про-
мышленности.
Решить проблемы по разработке устойчиво воспроизводимых
параметров элементной базы БИС КМОП КНС под силу только
ведущим фирмам — изготовителям микроэлектронных изделий.
Поэтому в 2010 г. Peregrine совместно с компанией IBM —
мировым лидером в области микроэлектроники и вычислительной
техники приступила к созданию коммерческой UltraCMOS-тех-
нологии СБИС на 200-мм КНС-пластинах, которую запланиро-
вано последовательно реализовать в несколько этапов. На насто-
ящий момент реализованы СБИС с проектными топологически-
ми нормами 250 нм. В ближайшем будущем ожидается создание
микросхем с минимальными топологическими размерами 180,
130 и 90 нм [22, 23]. Процесс совершенствования технологиче-
ской платформы (STeP — Semiconductor Technology Platform)
фирмы Peregrine по годам представлен на рис. 2. Видно,
что ключевой параметр, характеризующий собственную задержку пере-
ключения МОП-транзисторов, — постоянная времени Ron Coff по
мере уменьшения топологических проектных норм в среднем
уменьшается на 23% в год [24]. Так, в 2017 г. с использованием
технологического процесса UltraCMOS-12 был достигнут рекорд-
но низкий по величине показатель Ron Coff , равный 80
фемтосекундам.
Результатом реализации этой программы является созда-
ние нового поколения аналого-цифровых СБИС и систем на
кристалле для применения не только в аэрокосмической и
военной технике [25], но и в других важных областях — беспровод-
ной связи и телекоммуникациях, мобильной телефонии, циф-
ровом телевидении, спутниковых системах, промышленной и
автомобильной электронике и целом ряде других примене-
ний [26—28].
В 2019 г. компания PSemi Corp. (ранее Peregrine Semiconductor)
объявила об освоении технологии UltraCMOS-13, использующей
300-мм КНС-пластины для изготовления радиочастотных ИС и БИС.
В вышеперечисленных устройствах в полной мере проявляется
ряд важных преимуществ полностью диэлектрической (сапфиро-
вой) подложки. Преимущества КНС-структур перед КНИ-струк-
турами вытекают из наличия так называемого эффекта полу-
проводниковой (Si) подложки, присущего КНИ-структурам.
В КНИ-структурах промежуточный слой изолятора SiO2 отделяет
верхний активный слой, в котором расположены МОП-транзисто-
ры, от кремниевой подложки, которая является основой конструк-
ции и располагается снизу. Такая конструкция, во-первых, замет-
но ограничивает уровень защиты от электростатического заряда
(ESD) и, как следствие, верхний предел рабочих напряжений.
Во-вторых, через кремниевую подложку возникают паразитные
электрические связи между элементами, токи утечки и т.д.,
что ограничивает верхний предел рабочих частот. В-третьих,
теплопроводность изоляционного слоя SiO2 в КНИ-структурах
( SiO2 = 0,2—1,4 Вт/(м·град)) на два порядка меньше, чем у крем-
ния ( Si = 84—126 Вт/(м·град)), что затрудняет отвод тепла из
внутренних областей активных приборов и способствует их нагреву.
Известно, что эффект «саморазогрева» ограничивает рабочие
мощности и частоты КМОП КНИ-приборов и негативно сказыва-
ется на их надежности. В КНС-структурах эта проблема ощущает-
ся гораздо слабее, поскольку разница в значениях коэффициента
теплопроводности сапфира ( λSph = 46 Вт/(м·град)) и кремния
(см. выше) не столь существенна.
Кроме того, на структурах КНС, по сравнению со структурами
КНИ, удается изготавливать активные элементы с более высокой
линейностью характеристик и усилением, а также пассивные эле-
менты (резисторы, емкости, индуктивности) с очень высокой доб-
ротностью, что чрезвычайно важно при создании высококачест-
венных радиочастотных и СВЧ-микросхем. Испытания и практика
эксплуатации аппаратуры показывают, что приборы на КНИ усту-
пают приборам на КНС не только по предельным частотам усиле-
ния fT и fmax, но и по показателям температурной
и радиационной стойкости и надежности.
Для любых технологий, и в первую очередь для технологий
массового производства, очень важное значение имеют факторы,
обеспечивающие снижение стоимости. Большим преимуществом
UltraCMOS перед другими технологиями является то, что микро-
схемы изготавливаются на тех же самых фабриках, на которых ис-
пользуются обычные кремниевые пластины. Однако благодаря
преимуществам полностью диэлектрической (сапфировой) под-
ложки один и тот же уровень функциональных параметров микро-
схем достигается на менее продвинутом, а следовательно, и менее
дорогом оборудовании и технологическом процессе. Например,
0,25-мкм технология КНС обеспечивает такой же уровень элект-
рических параметров КМОП-микросхем, как 0,13-мкм технология
объемного кремния. Снижение издержек от использования техно-
логии не самого последнего и передового уровня огромно. Эконо-
мия складывается не только за счет того, что удается избежать ис-
пользования более дорогого технологического оборудования и
амортизационных затрат, связанных с более поздней и совершен-
ной, но менее освоенной технологией производства, но и за счет
существенно более низких затрат на проведение самих технологи-
ческих процессов.
Благодаря тому, что в рамках UTSi-технологии достигается
почти идеальная интеграция на сапфировой подложке пассивных
(резисторов, конденсаторов, индуктивностей) и активных эле-
ментов, открываются отличные перспективы для создания
суперсовременных БИС на КНС для сбора и обработки данных,
а также схем радиочастотного и СВЧ-диапазона. За разработку
UTSi-технологии в 2011 г. Марк Бургенер (Mark Burgener) и Ро-
нальд Риди (Ronald Reedy), основатели компании Peregrine Semiconductor,
получили премию международной некоммерческой ассоциации
IEEE, которая присуждается за вклад в развитие техно-
логий. Основатели компании считают, что КНС — наиболее
успешная разновидность технологии КНИ, предназначенная для
совершенствования рабочих характеристик и интеграции в ра-
диочастотных устройствах. Спрос на эту технологию возрастает
с 1990-х гг., когда появились коммерческие беспроводные сети.
О скорости роста можно судить по следующим показателям:
в 2016 г. совокупный объем коммерческих изделий, изготовлен-
ных по технологии UltraCMOS, составил более 700 млн шт.,
а в конце 2019 г. количество поставленных на рынок радиочас-
тотных ИС превысило 5 млрд шт. Стоимость сапфировых под-
ложек также быстро снижается благодаря огромному спросу на
светодиоды белого свечения, где потребление этих подложек со-
ставляет десятки миллионов штук, и это дает дополнительные
преимущества КНС-технологии. UltraCMOS-технология оказа-
лась более мощной, чем поначалу казалось. По мере появления в
сотовых телефонах цифровых устройств беспроводной связи па-
раметр «линейность» стал весьма востребованным. Благодаря
этому UTSi-технология вышла на передовые позиции на рын-
ке сотовой телефонии (на рынке самой жесткой конкурентной
борьбы).
Благодаря оптической прозрачности сапфировой подложки
оптоэлектронные чипы на основе КНС также являются перспек-
тивной элементной базой для создания оптоэлектронных модулей.
Таким образом, решение научно-технических задач создания и
внедрения КНС-технологии и организации производства высоко-
надежных БИС на ее основе являетcя актуальной проблемой.
Принципиально, что элементная база важнейших радиоэлект-
ронных систем, имеющих оборонное значение, может создаваться
отечественной промышленностью.
Поэтому российскими учеными и специалистами поставлена
и решена задача создания отечественной КНС-технологии, кото-
рая позволяет реализовать отмеченные выше возможности и обес-
печить потребности страны в БИС КНС военного и специального
назначения, не прибегая к услугам зарубежных производителей.
У нас в стране технология КМОП КНС интегральных схем
была разработана и промышленно освоена в 70-х годах прошлого
столетия [15]. Исследования шли практически параллельно с раз-
работками зарубежных компаний RCA, Harris, GEC-Plessey.
В течение более чем 40 лет КНС-технология обеспечивала и се-
годня продолжает обеспечивать потребности страны в радиационно
стойких микросхемах аэрокосмического и военного назначения,
что позволяет не прибегать к услугам зарубежных производителей
и решать задачи импортозамещения в таких важных областях, как
безопасность и обороноспособность страны. В частности, функцио-
нальнополный микропроцессорный комплект микросхем, изготав-
ливаемых по отечественной КМОП КНС-технологии, многие годы
используется в бортовых вычислительных системах управления бал-
листических ракет стратегического назначения, составляющих
основу оборонительного щита Российской Федерации [18, 19].
Что касается гражданских применений, то БИС и СнК на
КНС-подложках, изготовленные по UltraCMOS-технологии, явля-
ются перспективной элементной базой для отечественных систем
мобильной связи и телекоммуникаций, поскольку обеспечивают
высокое быстродействие, высокую добротность и линейность
характеристик, малый уровень собственных шумов в сочетании
с высокой надежностью и помехоустойчивостью при эксплуатации
в реальных условиях космического пространства.
Значительный вклад в развитие и становление отечественной
КМОП КНС-технологии внесли работы Адонина А.С., Александ-
рова П.А., Кабальнова Ю.А., Романова А.А., Чумака В.Д., Яром-
ского Я.П., Яшанина И.Б. и др.
Элементная база и схемотехника КМОП КНС развивались
благодаря работам Деревянкина В.М., Машевича П.Р., Новожило-
ва Е.А., Поварницыной З.М., Полякова И.В., Сенникова И.А.,
Черного А.И., Яненко А.В. и др.
Большой вклад в область системотехники и аппаратурного
использования КМОП КНС ИС и БИС внесли Антимиров В.М.,
Синегубко Л.А., Сметанов А.Ю., Трапезников М.Б., Усов Н.Н.
и др.
Очевидно, что успешная реализация возможностей технологии
КМОП КНС немыслима без широкого применения методов и
средств моделирования и автоматизации проектирования, учиты-
вающих специфику этого вида микросхем как на элементном, так
и на схемо- и системотехническом уровнях. В этой части необхо-
димо отметить работы Петросянца К.О., Сухоносенко В.Г., Ула-
новой А.В., Харитонова И.А., Кокина С.А. и др.
К сожалению, у нас в стране и за рубежом КНС-технология по
количеству научно-технических публикаций и по степени освеще-
ния в других информационных источниках значительно уступает
КНИ-технологии. Материал по текущим разработкам приборов и
схем на основе КНС представлен в немногочисленных журналь-
ных статьях и трудах профильных конференций. Из имеющихся
крупных работ, посвященных КНС-технологии, следует в первую
очередь отметить обзоры [29, 30], монографии [15, 19, 31, 32] и
диссертацию Адонина А.С. [33].
Работа [29] представляет собой обзор методов создания ультра-
тонких слоев КНС без детального их рассмотрения. Монография
[31] посвящена физическим, химическим, механическим и элект-
рическим свойствам сапфира как материала электронной техники.
В монографии [15] описаны первые отечественные результаты,
полученные в середине 1970-х годов, по созданию эпитаксиальных
КНС-структур и МОП-транзисторов на их основе. В более позд-
ней монографии 2006 года [19] приведена архитектура, электриче-
ские и др. характеристики отечественных цифровых и аналого-
цифровых БИС, изготовленных по КМОП КНС-технологии. Со-
временные КМОП КНС-приборы и интегральные схемы, изготов-
ленные на базе UTSi-технологии, наиболее полно на сегодняшний
день представлены в зарубежной монографии [32], изданной
в 2010 году.
Приходится, к сожалению, констатировать, что российские
книги и публикации не освещают в должной степени современное
состояние работ в области технологии, элементной базы и схемо-
техники КМОП КНС. Зарубежные монографии и обзоры трудно-
доступны российским специалистам и не отражают ряд важных
вопросов. Журнальные публикации и труды конференций носят,
как правило, узконаправленный характер.
Очевидно, что область применения КМОП КНС интегральных
схем будет неуклонно расширяться. Кроме того, возможно появ-
ление новых типов БИС и СнК со структурой КНС.
В связи с вышеизложенным возникла потребность обобщить
имеющиеся в этой области научно-технические сведения и разра-
ботки. В этом состоит главная задача настоящей книги.
Книга базируется на опыте отечественных и зарубежных спе-
циалистов в области создания технологии и элементной базы
КНС КМОП ИС/БИС.
Она написана на основании материалов, опубликованных в оте-
чественной и зарубежной печати, кроме того, она в значительной
степени базируется на теоретических и практических результатах
авторов, в течении многих лет работающих в этой области.
В книге рассмотрены следующие вопросы: специфика интег-
ральных схем со структурой КМОП КНС; требования к исходным
материалам и КНС-структурам; базовые технологические процессы
изготовления приборов и схем; типовые конструкции элементов
КМОП КНС интегральных схем различных поколений, их электри-
ческие характеристики и параметры; методы приборно-технологи-
ческого и схемотехнического моделирования приборных структур
и типовых цифровых и аналоговых схемных фрагментов; основные
характеристики и параметры радиационно стойких КМОП
КНС-микросхем и БИС отечественных и зарубежных производите-
лей; элементная база и особенности оптоэлектронных ИС.
На всех уровнях изложения — от выбора исходного материала
до контроля и тестирования выходных параметров и характери-
стик изготовленных микросхем, особое внимание в книге уделяет-
ся такому важному для этого класса микросхем показателю, как
радиационная стойкость.
В главе 1 рассмотрены особенности создания гетероэпитакси-
альных структур кремния на сапфире, приведены параметры,
характеризующие качество границы раздела сапфир — полупро-
водник, описаны результаты исследования глубоких уровней
в структурах КНС методом термостимулированного разряда кон-
денсатора (ТРК).
В главе 2 описана промышленная технология создания радиа-
ционно стойких КМОП КНС интегральных схем первых поколе-
ний, маршрут SOS-2 с длиной канала МОП-транзисторов
4—3 мкм и маршрут SOS-3 с длиной канала 2 мкм. Подробно рас-
смотрены основные технологические операции эпитаксии крем-
ниевых слоев n- и p-типа, термического окисления, микроциклы
формирования активной МОП- или МНОП-структуры, облас-
тей стока и истока. Приведены экспериментальные результаты для
зарядов в оксиде и на границе раздела Si—SiO2, результаты изме-
рения ВАХ МОП-транзисторов, токов утечки, пороговых напря-
жений и напряжений пробоя МОП-структуры и p-n-переходов.
В главе 3 описана промышленная технология изготовления ра-
диационно стойких КМОП КНС ИС с коротким каналом. Рас-
смотрены короткоканальные эффекты в МОП КНС-транзисторах
и особенности их влияния на основные параметры: пороговое на-
пряжение, ток утечки, подвижность, кинк-эффект и др. Приведен
технологический маршрут изготовления КМОП КНС ИС (SOS-4)
с раздельным легированием карманов n- и p-канальных транзи-
сторов с длиной канала 1,5—1,25 мкм. Показано, что ограничения
технологии SOS-4 связаны с большой толщиной гетероэпитакси-
ального слоя кремния.
В рамках технологии SOS-4 при уменьшении толщины поли-
кремниевых слоев рассмотрены приемы шунтирования поликрем-
ниевых затворов тугоплавкими металлами (вольфрамом) или их
силицидами (силицидом титана).
Рассмотрена наиболее совершенная в настоящее время техно-
логия создания КМОП КНС БИС на ультратонких слоях кремния
(~0,1 мкм) с длиной канала 0,5 мкм и менее — UTSi-технология
фирмы Peregrine. Показаны основные отличия UTSi-технологии от
двухкарманной технологии SOS-4.
Глава 4 посвящена элементам ИС и БИС, которые реализуют-
ся в рамках промышленной КНС-технологии. Рассмотрены струк-
туры и электрические характеристики (ВАХ и ВФХ), а также
параметры следующих элементов: n- и p-канальных МОП-транзи-
сторов и КМОП-ячеек; стабилитронов; пассивных RC-цепочек
и сенсоров со структурой МОП, изготовленных по различным ва-
риантам отечественной КНС-технологии SOS-2, SOS-3, SOS-4,
а также индуктивностей и ячеек EEPROM, изготовленных в рам-
ках UTSi-технологии.
В главе 5 рассмотрена подсистема моделирования элементов
радиационно стойких КМОП КНС ИС и БИС. Описана 5-уровне-
вая методика моделирования, которая включает в себя следующие
этапы:
1) выбор исходных КНС-структур в наименьшей степени чув-
ствительных к высокотемпературным обработкам и радиа-
ционным воздействиям;
2) приборно-технологическое моделирование физической
структуры прибора с помощью пакета Synopsys TCAD;
3) разработка схемотехнических SPICE-моделей МОП КНС-
транзисторов, учитывающих радиационное воздействие;
4) разработка макромоделей типовых аналоговых и цифровых
ячеек и фрагментов ИС с учетом радиационных воздейст-
вий, анализ их радиационной стойкости;
5) SPICE-моделирование функционально законченных ИС
и БИС с учетом радиационных воздействий, анализ их ра-
диационной стойкости.
В главе 6 приведены описания и основные параметры радиаци-
онно стойких КМОП КНС ИС и БИС, выпускаемых отечественны-
ми производителями: АО НПП «Сапфир», ПАО «Ангстрем», ФГУП
ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова, АО «НПО ИТ».
В главе 7 приведены основные параметры КМОП КНС
и БИС, выпускаемых зарубежными фирмами: Peregrine Semiconductor
Corp. (США), Dynex Semiconductor (США), Intersil Corp.
(бывшая HARRIS) (США), GEC PLESSY Semiconductor (Великоб-
ритания) и др. для гражданских, военных и космических приме-
нений.
Глава 8 посвящена оптоэлектронным ИС и БИС, а также мик-
ромощным высоковольтным фотоэнергетическим модулям для ав-
тономного питания электронных устройств и FOCUTS-модулям
для параллельных оптических межсоединений. Описана структура
и основные характеристики базового элемента — фотодиода с уве-
личенной i-базой и управляющим затвором. Приведен ряд схемо-
технических решений для отдельных фрагментов оптоэлектрон-
ных ИС и фотовольтаических преобразователей. В отличие от
материалов, приведенных для фоточувствительных ИС со структу-
рой КНС в известной зарубежной монографии E. Culurciello [32],
в главе рассмотрено новое направление развития оптоэлектрон-
ных ИС на КНС-структурах со встроенным фотовольтаическим
источником питания, базирующееся исключительно на ориги-
нальных отечественных разработках.
Авторы благодарны И.И. Романовой за большую работу по
подготовке рукописи книги.
Монография подготовлена в результате проведения исследова+
ния (№ проекта 15+01+0165) в рамках программы «Научный фонд
Национального исследовательского университета «Высшая школа
экономики» (НИУ ВШЭ) и с использованием субсидии на государ+
ственную поддержку ведущих университетов Российской Федерации
в целях повышения их конкурентоспособности среди ведущих миро+
вых научно+образовательных центров, выделенной НИУ ВШЭ.
Литература
1. Яненко А.В., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Эк-
стремальная электроника. — М.: НИЯУ МИФИ, 2014, 244 с.
2. Белоус А.И. Космическая электроника. — М.: ТЕХНОСФЕРА, 2014,
900 с.
3. Extreme Invironment Electronics / Edited by J.D. Cressler, H.A. Mantooth
CRC Press. Taylor and Francis, 2013.
4. Айнспрук Н., Уиссмен У. Арсенид галлия в микроэлектронике. —
М.: Мир, 1998, 560 с.
5. Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В., Ломако В.М. Радиационные эффек-
ты в приборах и интегральных схемах на арсениде галлия. — Минск:
изд. Университетское, 1992, 219 с.
6. Cressler J.D. Silicon Heterostructure Hand-book: Materials, Fabrication,
Devices, Circuits, and Applications of SiGe and Si-Strained Layer Epitaxy.
Taylor and Francis Group, 2006.
7. Тимошенков В.П. Кремниевые гетероструктуры и проектирование
СВЧ интегральных схем на их основе // В кн.: Нанотехнологии в
электронике. Вып. 2. — М.: Техносфера, 2013, с. 601—686. — (Сер.
Мир электроники).
8. Петросянц К.О., Самбурский Л.М., Харитонов И.А. Влияние различ-
ных видов радиации на характеристики кремний-германиевых гетеро-
переходных транзисторов // Электронная техника. Сер. 2. «Полупро-
водниковые приборы», 2014, вып. 1, с. 3—18.
9. Суворов А.Л., Богданович Б.Ю., Залужный А.Г. и др. Технологии
структур КНИ. — М.: МИЭТ / МИФИ / ФГУП ГНЦ ИТЭФ, 2004.
10. Coulinge J.-P. Silicon-on-Insulator. Kluwer Academia Publishers, London,
2004.
11. Marshall A., Natarjan S. SOI Design: Analog, Memory and Digital Techniques.
Kluwer Academia Publishers, London, 2002.
12. Bernstein K., Rohrer N.J. SOI Circuit Design Concepts. Springer, 2002.
13. Белоус А.И., Солодуха В.А., Шведов С.В. Космическая электроника.
Книга 2. — М.: Техносфера, 2015, с. 707—768.
14. Rapp U.K., Ross E.C. Silicon on Sapphire Substrates Overcome MOS Limitations
// Electronics, Sept., 1972, № 25, pp. 113.
15. Папков В.С., Цыбульников М.Б. Эпитаксиальные кремниевые слои
на диэлектрических подложках и приборы на их основе. — М.: Энер-
гия, 1979.
16. Smith B.A. et al. The Jupiter system through the eyes of Voyager 1 // Science.
1979, vol. 204, № 4396, pp. 951—972.
17. Bisschoff D., Potgieter M. New local interstellar spectra for protons, helium
and carbon derived from PAMELA and Voyager 1 observations // Astrophysics
and Space Science. 2016, vol. 301, № 2, pp. 1—8.
18. Новожилов Е.А., Самров И.А., Сенников И.А. и др. Функциональ-
но полный микропроцессорный комплект радиационно-стойких
БИС КМОП КНС серии Б1825 // Научно-технические достижения.
Сер. «Приборостроение и радиоэлектроника». 1994, № 5, с. 19—23.
19. Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов / Под ред.
А.Ю. Сметанова. — М.: Логос, 2006. — 190 с.
20. Ultra CMOS Process compared to Bulk Silicon CMOS, http://www.psemi.
com/content/ utracmos/ultracmos_SOS_VS_bulk.html.
21. Адонин А.С Новые возможности технологии БИС со структурой «крем-
ний на сапфире» // Электронные компоненты, 2000, № 3, с. 45—49.
22. Peregrine and IBM co-develop 180 nm RF CMOS, http://www.semiconductor-
today.com/news_items/2010/MAY/PEREGRINE_130510.htm.
23. Peregrine Semiconductor and IBM see the future of RF in sapphire,
http://www.edn.com/blog/Prаctical_Chip_Design/35782.
24. Peregrine Takes Another “STeP” Forward in Silicon-on-Sapphire Technology,
http://electronicdesign.com/communications/peregrine-takes-аnother-
step-forward-silicon-sаpphire-technology.
25. Robinette D. Ultra CMOS RFICs Ease the Complexity of Satellite Designs
// Microwave Journal, Aug. 2009, pp. 86—98.
26. CMOS on sapphire Technology Delivers News Level of multi-GHz RF Integration,
http://www.psemi.com.
27. McCarthy J. Silicon on Sapphire has a unique ability to integrate the elements
of a wireless system on a chip Solution. Peregrine Semicon. Corp.,
2010, Advantage Business Media, http://www.psemi.com.
28. Kelly D. Cover Story Integrating CMOS Designs in GSM Front Ends. Peregrine
Semicon. Corp., 2011 Advantage Business Media, http://www.psemi.
com.
29. Кривулин Н.О. Ультратонкие слои кремния на сапфире. —Нижего-
родский ГУ, 2011.
30. Кернс Ш.Э., Шейфер Б.Д. Разработка радиационно-стойких ИС кос-
мического назначения: обзор подходов // ТИИЭР, 1988, т. 76, № 11,
с. 75—146.
31. Dobrovinskaya E., Lytvinov L., Pishchik V. Sapphire: Material, Manufacturing,
Applications. Springer, 2009.
32. Culurciello E. Silicon-on-Sapphire Circuits and Systems. McCrawHill,
2010.
33. Адонин А.С. Технология и элементная база радиационно-стойких
КМОП БИС со структурой «кремний на сапфире» / Докторская дис-
сертация. — МИЭМ, 2003, 287 с.
ГЛАВА 1
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ
СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ»
1.1. Физико-химические характеристики
гетероэпитаксиальных структур
«кремний на сапфире»
Расширение областей применения КМОП БИС КНС, используе-
мых в настоящее время для создания аэрокосмической и специ-
альной аппаратуры, связано прежде всего с совершенствованием и
развитием базового процесса изготовления КМОП БИС КНС, ко-
торый включает большой объем работ по созданию исходных
структур кремния на сапфире, а также выращиванию монокрис-
таллов сапфира и изготовлению подложек, удовлетворяющих тре-
бованиям гетероэпитаксии кремния.
Помимо кремниевой технологии, сапфировые подложки при-
меняются также в качестве основы при эпитаксиальном наращи-
вании полупроводниковых пленок широкозонных проводников
GaN, AlGaN и др.
На сегодняшний день имеется широкий спектр информации о
сапфире и областях его применения. Технологические особенно-
сти выращивания монокристаллов сапфира и исследования его ха-
рактеристик достаточно подробно отражены в работах [1—3]. При
разработке структур КНС и электронных компонентов по техно-
логии КМОП БИС КНС разработчикам и технологам важна и ин-
тересна информация о состоянии границы раздела Al2O3—Si, кри-
териях оценки ее качества, а также путях уменьшения влияния
переходного слоя на границе раздела Al2O3—Si на качество элект-
рически активного слоя кремния. Основные характеристики и
свойства сапфира указаны на сайте производителя подложек [4].
При изготовлении и подготовке сапфировых подложек для ге-
тероэпитаксии кремния можно выделить два этапа.
На первом этапе обеспечиваются кристаллографические, гео-
метрические параметры, а также требования по чистоте обработки
и другие (табл. 1.1, 1.2).
Фирмы — изготовители сапфировых подложек часто владеют и
технологией изготовления гетероэпитаксиальных структур крем-
ния, т.к. экономически выгодно предлагать на рынке готовые ге-
тероструктуры кремния на сапфире (КНС) или нитрида галлия на
сапфире (GaN/Al2O3).
Второй этап — подготовка сапфировой подложки перед эпи-
таксией полупроводникового материала выходит за рамки требо-
ваний технических условий на продукцию (сапфировую подлож-
ку), поэтому этот этап практически всегда остается «за кадром»,
является ноу-хау фирмы — изготовителя гетероструктур. Техноло-
гия позволяет управлять качеством границы раздела сапфир — по-
лупроводник, которая определяет стабильность поведения пе-
реходного слоя при последующих температурных воздействиях
в технологическом цикле изготовления КМОП БИС, а также при
специальных внешних воздействиях на готовую продукцию и др.
испытаниях.
В процессе изготовления БИС КНС используются исходные
гетероэпитаксиальные структуры кремния на сапфире с различной
толщиной слоя кремния (0,6; 0,3; 0,1 мкм). Улучшение функцио-
нальных возможностей БИС, а также их отдельных характеристик
для эксплуатации микросхем с повышенными требованиями по
радиационной стойкости в открытом космосе предусматривает
применение структур КНС с меньшей толщиной слоя кремния и
высокой однородностью свойств.
Минимальная толщина эпитаксиального слоя кремния во
многом определяется величиной переходного слоя на границе
раздела Al2O3—Si. Считается, что переходный слой — слой повы-
шенной дефектности, состоящий из сложных соединений крем-
ния, алюминия и кислорода, возникает из-за несоответствия па-
раметров решеток подложки Al2O3 и пленки Si, различия их тер-
мических коэффициентов расширения, а также вследствие авто-
легирования кремниевой пленки алюминием. Плотность
дефектов уменьшается при увеличении расстояния от границы
раздела. На первых этапах роста кремния с ориентацией (100) на
сапфире (1012) образуются островки кремния с ориентацией
(110). В работе [5] при помощи «просвечивающей» электронной
микроскопии удалось показать, что плотность зародышей крем-
ния с ориентациями (100) и (110) в начальный период времени
резко изменяется. Плотность зародышей (100) уменьшается от
величины 1,8·1011 см-2 до 1·1010 см-2 через 0,5 секунды от начала
роста эпитаксиального слоя.
Столь резкое уменьшение количества зародышей является,
возможно, результатом коалесценции зародышей. В то же время
плотность зародышей с ориентацией (110) на протяжении первых
2,5 секунд роста остается постоянной (4·1010 см-2), а в течение
следующей секунды уменьшается вдвое. Такая зависимость свиде-
тельствует о том, что зародыши с ориентацией (110) стабильны по
крайней мере, когда их размеры малы. В то же время изменение
площади, занятой зародышами кремния с ориентацией (100) и
(110) через одну секунду роста, отличается практически на два по-
рядка (рис. 1.1).
Нарушение порядка расположения атомов, следующих за бли-
жайшими соседями, приводит к образованию двойниковой кон-
фигурации. Энергия двойников относительно мала, т. к. имеет
место лишь незначительное изменение в диагональном располо-
жении атомов.
Движение атомных слоев, в результате которых образуется
двойник, похоже на движение при скольжении. Поскольку накоп-
ленная энергия деформации при образовании двойников мала, не
следует ожидать значительных изменений электронной зонной
структуры.
Действительно, в случае ненарушенных двойников не было об-
наружено значительных электрических эффектов даже при измере-
нии времени жизни неосновных носителей. Этот наиболее чувстви-
тельный к стуктурным нарушениям электронный параметр почти
не зависит от двойников, находящихся на пути движения носите-
лей, если отсутствует градиент концентрации примесей. Это проис-
ходит потому, что процесс двойникования является естественным
путем поглощения избытка энергии, выделяющегося при росте
эпитаксиального кремния. Однако если кристалл содержит много
двойников, то им всегда сопутствуют дефекты упаковки, заканчива-
ющиеся на частичных дислокациях. Кроме того, скольжение двой-
никовых осей во многих случаях может создавать ненасыщенные
связи (свободная валентность решетки), которые притягивают сво-
бодные электроны и образуют области пространственного заряда.
При рассмотрении более сложных двойниковых конфигураций с их
повышенной концентрацией с учетом боковых двойниковых гра-
ниц показано [6], что боковые двойниковые границы оказывают
влияние на структурно-чувствительные параметры, такие как по-
движность и время жизни носителей заряда. Однако большие обла-
сти пространственного заряда, обусловленные p-n-переходами, ме-
нее подвержены влиянию двойников. Гетероструктура КНС с за-
метным числом двойниковых границ может, тем не менее, рассмат-
риваться как электрически «хороший» материал. Наличие большого
количества двойников в структурах КНС не препятствовало изго-
товлению воспроизводимых диодов и диодных матриц. Однако при
изготовлении воспроизводимых МОП-структур такой материал ис-
пользовать не следует, т.к. при приложении электрического напря-
жения смещения возможны необратимые изменения p-n-перехода
и неоднородное распределение объемного заряда при формирова-
нии инверсионного канала проводимости.
Разориентация или целенаправленное отклонение от ориента-
ции подложки сапфира (1012) может приводить к перераспределе-
нию соотношения между зародышами кремния ориентации (100)
и (110) и образованию зародышей с другими ориентациями, что
возможно при блочном сапфире. Это может приводить к образо-
ванию участков с повышенной дефектностью и разбросу электро-
физических параметров. Исходя из вышеизложенного, при выра-
ботке требований к подложке сапфира отклонение от заданной
ориентации должно быть не более 1 2°.
Изучение морфологии гетероэпитаксиальных слоев кремния
показало, что финишная полировка сапфировых подложек является
одним из ключевых моментов при получении качественных струк-
тур КНС. Прямые методы контроля чистоты поверхности сапфиро-
вой подложки затруднены. Последующее же гетероэпитаксиальное
наращивание кремния позволяет декорировать нарушенные участ-
ки, которые хорошо заметны при боковом освещении.
Гетероэпитаксиальное наращивание кремния проводят при
температуре ~1000 °С разложением моносилана в атмосфере водо-
рода по реакции
SiH4 = Si + 2H2. (1.1)
Известно, что атомы кремния осаждаются преимущественно
на узлах, занятых алюминием. Имеет место также реакция взаи-
модействия сапфира с газообразным водородом. Присутствие так-
же SiO и SiO2 может приводить к реакциям:
Al2O3 + 3H2 = 2Al + 3H2O, (1.2)
SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2, (1.3)
SiO2 + H2 = SiO + H2O. (1.4)
В начальной стадии роста по реакции (1.1) может идти и авто-
легирование алюминием растущего кремниевого слоя. Автолеги-
рование может также идти от взаимодействия островков кремния
с сапфировой подложкой:
2Si + Al2O3 = Al2O + 2SiO. (1.5)
Обратная сторона сапфировой подложки также может взаимо-
действовать с карбидизированным нагревателем по реакции (1.5),
поэтому к подготовке и качеству нагревателя предъявляются по-
вышенные требования.
Одним из путей снижения эффекта автолегирования растуще-
го эпитаксиального слоя кремния алюминием является уменьше-
ние или связывание кислорода на поверхности сапфира. В работе
[7] по гетероэпитаксии GaAs и GaN были найдены такие решения
путем наращивания на поверхности Al2O3 буферных слоев AlN.
При гетероэпитаксии кремния возможно также проведение
прямого азотирования сапфировой подложки. Обычно в техноло-
гии эпитаксиального наращивания кремния используются карби-
дизированные графитовые нагреватели. Работы по прямому азо-
тированию и модернизации установки эпитаксии заключались
в использовании нагревателя из молибдена. Перед процессом эпи-
таксии сапфировую подложку обрабатывали при температурах
1100 1500 °С аммиаком в атмосфере инертного газа или водорода.
По реакции
Al2O3 + 2NH3 = 2AlN + 3H2O, (1.6)
частично замещая атомы кислорода на азот, наблюдали образова-
ние твердых растворов AlN—Al2O3, что заметно снижало эффект
автолегирования и улучшало структурное совершенство наращива-
емого слоя. Оценка структурного совершенства проводилась по
полуширине кривой дифракционного отражения. Наличие под-
слоя нитрида алюминия позволяло уменьшить различие темпера-
турных коэффициентов линейного расширения подложки сапфи-
ра с кремнием.
Величина механических напряжений в структурах КНС может
быть определена по формуле
σ = ESi( аC — аSi) T, (1.7)
где ESi — модуль упругости кремния; C — коэффициент теплово-
го расширения сапфира; аSi — коэффициент теплового расшире-
ния кремния; ΔT — изменение температуры.
При аC = 5,3·10-6 град-1 и аSi = 4,24·10-6 град-1 и значительной толщине пленки кремния напряжения в пленке могут достигать до 108 Н/м2. Значение аAlN = 4,8·10-6 град-1 позволяет уменьшить различие в коэффициентах теплового расширения, поэтому примене-
ние буферного слоя из нитрида алюминия оправданно.
Обеспечение качества растущего эпитаксиального слоя пред-
ставляет комплексную задачу. Наряду с подготовкой подложки
(некоторые приемы изложены выше) очень важно также выбрать
параметры процесса эпитаксии, которые обеспечивают требуемые
структурные и электрофизические параметры гетероэпитаксиаль-
ного слоя. На рис. 1.2—1.4 приведены качественные зависимости
свойств эпитаксиального слоя от параметров процесса эпитаксии.
Введение на первой стадии эпитаксии в состав газовой среды на-
ряду с основным носителем кремния — моносиланом (SiH4), до-
бавок тетрахлорида кремния (SiCl4) или дихлорсилана (SiH2Cl2),
позволяет:
— улучшить коалесценцию зародышей кремния ориентации
(100);
— подавить гомогенный процесс разложения моносилана в га-
зовой фазе;
— уменьшить дефектность выращиваемых слоев, а также
управлять величиной и типом заряда на поверхности разде-
ла Al2O3—Si с помощью температуры процесса выращива-
ния, охлаждения структур и скорости роста эпитаксиального
слоя.
Для обеспечения радиационной стойкости р-канального тран-
зистора необходимо, чтобы тип электропроводности кремниевого
слоя на границе Al2O3—Si был электронным.
При этом для уменьшения загрязнения наращиваемых слоев
продуктами реакции процесс наращивания стараются проводить в
две стадии:
• на первой стадии обеспечивается быстрое осаждение сплош-
ной пленки кремния на поверхности сапфира для исключе-
ния взаимодействия водорода с сапфиром за счет пересыще-
ния кремнийсодержащим компонентом и уменьшения тем-
пературы эпитаксии;
• на второй стадии выполняется медленное наращивание
кремниевого слоя до требуемой толщины с более совершен-
ной структурой.
Дополнительным резервом улучшения качества гетероэпитак-
сиальных слоев кремния является, безусловно, повышение качест-
ва исходных компонентов, используемых в процессе гетероэпи-
таксии, и прежде всего по содержанию кислорода, остатков паров
воды, примесей металлов, образующих глубокие уровни в запре-
щенной зоне Si.
Моносилан целесообразно использовать в смеси с аргоном,
т.к. последний легче подвергается очистке. Необходимо исклю-
чить натекание в газовых линиях и эпитаксиальном оборудовании.
Также целесообразен предварительный прогрев газовых линий по-
дачи моносилана до 450 °С для «осушки» силана и окисления SiO
до (SiO2) с последующим улавливанием образующегося порошка
фильтрами. Соблюдение требуемого режима нагрева и охлаждения
структур КНС важно не только в процессе изготовления эпитак-
сиальных структур, но и во всем цикле изготовления КМОП ин-
тегральных схем для исключения термоударов.
Создание и освоение в производстве стратегически важной для
России радиоэлектронной аппаратуры для ядерной энергетики,
аэрокосмической техники, радиолокации, связи и телекоммуни-
каций, систем вооружения и военной техники, оборудования для
ликвидации последствий радиационных и других экологических
катастроф, утилизации ядерных и химически агрессивных от-
ходов, а также для специальной аппаратуры гражданского назна-
чения немыслимо без создания и промышленного освоения
высокоэффективной и высоконадежной микроэлектронной эле-
ментной базы. Основу этой элементной базы составляют специа-
лизированные большие интегральные схемы (БИС) и системы на
кристалле (СнК). При создании БИС и СнК гражданского и во-
енного назначения имеет место устойчивая тенденция возраста-
ния сложности устройств за счет интеграции на одном кристалле
функций приема и передачи сигналов радио- и СВЧ-диапазонов,
цифровой обработки, промежуточного хранения и накопления
информации, внутреннего контроля, диагностики, управления и
других функций. Причем эта тенденция особенно заметно усили-
лась в последние годы в связи с бурным развитием средств бес-
проводной мобильной связи и телекоммуникаций. Помимо вы-
сокой функциональной гибкости (т.е. способности одновременно
в одной конструкции реализовывать цифровые, аналоговые, сен-
сорные и др. функции) специализированные БИС и СнК должны
обладать высокой производительностью и быстродействием,
умеренным потреблением энергии, приемлемыми массогабаритными
показателями, а также высокой надежностью и устойчивостью
к воздействию внешних факторов, в первую очередь температуры
и радиации [1—3].
В настоящее время сформировались три основных направ-
ления в разработке и промышленном производстве таких схем:
на основе технологии арсенида галлия, кремний-германиевой
БиКМОП-технологии и КМОП-технологии «кремний на диэлектрике».
Арсенид-галлиевые (GaAs) интегральные схемы традиционно
используются в специальной радиоэлектронной аппаратуре СВЧ-
диапазона вследствие их высокого быстродействия и стойкости
к воздействию радиации и температуры [4, 5]. Однако по стоимо-
сти они в 3—7 раз дороже схем на основе кремния, потребляют
гораздо большую мощность и уступают кремниевым микросхемам
в части удобства и качества реализации на одном кристалле циф-
ровых функций и пассивных компонентов.
Технология кремний-германиевых БиКМОП БИС интегрирует
на одном кристалле аналоговые устройства на гетеропереходных
биполярных транзисторах (ГБТ), обладающих очень высоким бы-
стродействием, с цифровыми функциями КМОП-транзистров и
пассивными R-, L-, C-элементами. В плане быстродействия, реа-
лизации аналого-цифровых функций и отчасти радиационной
стойкости они являются в определенной степени альтернативой
схемам на основе GaAs, но при этом обладают гораздо меньшей
стоимостью из-за практически полной совместимости с традици-
онной кремниевой КМОП-технологией [6—8]. Однако ГБТ, хотя
и имеют очень высокое быстродействие, но потребляют достаточ-
но большую мощность по сравнению с КМОП-элементами. Кро-
ме того, ни одна из разновидностей SiGe БиКМОП-технологии не
может интегрировать на кристалле пассивные элементы так же
эффективно, как технология, использующая полностью изолирую-
щую (диэлектрическую) подложку.
Интерес к использованию тонких пленок кремния на изоли-
рующей подложке возник практически одновременно с развити-
ем МОП-технологии, поскольку появилась возможность реали-
зовать технологический маршрут создания КМОП БИС близкий
к «идеальному».
На рис. 1 приведены схематические изображения разрезов
КМОП-элементов, изготовленных на объемном кремнии (верхний
рисунок) и на изолирующей сапфировой подложке (нижний рисунок).
Диэлектрическая подложка обладает целым рядом важных
преимуществ перед подложкой на объемном кремнии. Она позволяет:
• увеличить плотность размещения элементов;
• практически исключить токи утечки;
• исключить тиристорный эффект;
• резко снизить паразитные емкости;
• повысить быстродействие;
• повысить радиационную и температурную стойкость микро-
схем;
• повысить помехоустойчивость и надежность.
Кроме того, важным преимуществом технологии изготовления
КМОП БИС на диэлектрической подложке является ее практиче-
ски полная совместимость с технологией КМОП БИС на объем-
ном кремнии и, как следствие, возможность использования одной
технологической линии для обоих процессов.
В настоящее время отработаны и промышленно освоены две
разновидности технологии КМОП на диэлектрике: КНИ — крем-
ний на изоляторе (оксиде кремния SiO2) и КНС — кремний на
сапфире (Al2O3).
Технология КМОП на КНИ-подложках является сегодня,
наряду с технологией КМОП на объемном кремнии, базовой про-
мышленной технологией изготовления сверхбольших интеграль-
ных схем (СБИС) с субмикронными и глубоко субмикронными
топологическими размерами КМОП-элементов. Этой технологией
владеют ведущие зарубежные компании — производители СБИС:
Intel, IBM, AMD, STMicroelectronics, TSMC, NEC и др., а также ве-
дущие отечественные предприятия, освоившие массовый выпуск
схем микропроцессоров, памяти, цифровой логики, для которых
основными параметрами являются высокая степень интеграции
элементов на кристалле, высокое быстродействие и производите-
льность, малое потребление мощности. Благодаря стремительному
прогрессу в области полупроводниковых субмикронных техноло-
гий сегодня промышленно изготавливаются КМОП КНИ СБИС с
минимальными размерами элементов 65—25 нм.
Важным преимуществом КМОП КНИ СБИС перед аналогич-
ными СБИС на объемном кремнии является их более высокая ра-
диационная стойкость к воздействию одиночных ядерных частиц
(ОЯЧ), что чрезвычайно важно при их использовании в аэрокос-
мической и другой специальной технике.
Физика, технология, характеристики элементов и микросхемо-
техника КМОП КНИ СБИС в достаточной степени исследованы;
им посвящено большое количество публикаций в специализиро-
ванных журналах и целый ряд серьезных монографий [9—13].
Технология структур «кремний на сапфире» (КНС) была впер-
вые предложена в 1960 году компанией Rockwell исключительно
в целях создания материала, обеспечивающего высокое быстро-
действие и малую мощность потребления ИС на основе компле-
ментарных структур металл — окисел — полупроводник (КМОП)
[14]. Практически одновременно эта технология начала создаваться
и у нас в стране [15].
Благодаря изолирующим свойствам КНС-подложки возможна
интеграция КМОП-транзисторов и высокодобротных пассивных
элементов (емкостей и индуктивностей). В частности, индуктив-
ности, сформированные с использованием металлических покры-
тий на КНС и имеющие добротность Q = 50, функционируют на
частоте до 5 ГГц, в то время как добротность индуктивностей,
сформированных по КМОП-технологии на объемном кремнии,
составляет 10. Это позволяет создавать с использованием КНС-
технологии высококачественные настраиваемые элементы и резо-
нансные контуры.
В случае ВЧ цифро-аналоговых применений приборы на основе
КНС обеспечивают большую величину максимальной часто-
ты fmax по сравнению с fT (предельная частота усиления по току).
В приборах на основе объемного кремния fmax примерно рав-
на fT, в то время как в ИС на основе КНС fmax примерно втрое
выше, чем fT. Это обеспечивает большую гибкость конструирования
ИС с учетом имеющихся технологических возможностей. Оценки
показывают, что технология КМОП КНС с разрешением 0,5 мкм
способна обеспечить достижение fmax = 50 ГГц, что превышает ана-
логичный параметр для приборов, получаемых по КМОП-техноло-
гии на объемном кремнии с разрешением 0,13 мкм.
И, наконец, следует отметить высокую устойчивость ИС на
основе КМОП КНС к воздействию дестабилизирующих факторов,
что делает возможным их использование в наиболее неблагопри-
ятных условиях.
Тем не менее большие потенциальные возможности, заложен-
ные в конструкции и технологии КМОП БИС на КНС, до недав-
него времени не были реализованы в массовом производстве из-за
трудностей с изготовлением высококачественных исходных КНС-
структур. Высокая стоимость исходных КНС-структур (на миро-
вом рынке — до 1,5 долл./см2) и, следовательно, более высокая
цена КМОП БИС КНС определили в дальнейшем преимущест-
венно специальные применения этой технологии в аэрокосмиче-
ской и военной технике.
О высокой надежности компонентов на основе структур КНС
свидетельствуют следующие факты. Самым далеко находящимся
в настоящее время от планеты Земля рукотворным объектом явля-
ется космический аппарат «Вояджер-1» (Voyager-1) [16], на кото-
ром работает бортовой компьютер на базе микропроцессора, вы-
полненного по КНС-технологии фирмы RCA. Космический
аппарат «Вояджер-1» стартовал 05.09.1977 года и покинул нашу
Солнечную систему в 2003 г. В 2006 г. он находился на расстоянии
в 14 миллиардов километров от Земли. Несмотря на более чем
40-летнее пребывание в космосе, спутник продолжает функциони-
ровать по настоящее время [17]. Сегодняшнее поколение микро-
электронных компонентов со структурой КНС используется
в бортовой электронной аппаратуре космических аппаратов, со-
здаваемых в рамках крупных международных космических про-
грамм, таких как Globalstar, ExoMars, Glonass, Gallileo и др.
В начале 2000-х годов компания Peregrine Semiconductor Corp.
(США) совместно с фирмой Asaki Kasei Microsystems Corp. (Япо-
ния) разработала усовершенствованную версию КНС технологии
на ультратонком кремнии — Ultra Thin Silicon — UTSi. В очень
тонком кремниевом эпитаксиальном слое (до 0,1 мкм) кристалли-
ческие дефекты сведены практически к минимуму, что позволило
создавать качественные КМОП КНС СБИС с высокими объемами
выпуска и низкой ценой [20, 21], по качеству практически не
уступающие объемному кремнию.
Достижения фирмы Peregrine резко изменили отношение
к КНС-технологии. За короткое время она стала технологией мас-
сового производства и вышла на передовые позиции на мировом
коммерческом рынке, сохранив при этом свои позиции в области
радиационно стойких схем для аэрокосмической и военной про-
мышленности.
Решить проблемы по разработке устойчиво воспроизводимых
параметров элементной базы БИС КМОП КНС под силу только
ведущим фирмам — изготовителям микроэлектронных изделий.
Поэтому в 2010 г. Peregrine совместно с компанией IBM —
мировым лидером в области микроэлектроники и вычислительной
техники приступила к созданию коммерческой UltraCMOS-тех-
нологии СБИС на 200-мм КНС-пластинах, которую запланиро-
вано последовательно реализовать в несколько этапов. На насто-
ящий момент реализованы СБИС с проектными топологически-
ми нормами 250 нм. В ближайшем будущем ожидается создание
микросхем с минимальными топологическими размерами 180,
130 и 90 нм [22, 23]. Процесс совершенствования технологиче-
ской платформы (STeP — Semiconductor Technology Platform)
фирмы Peregrine по годам представлен на рис. 2. Видно,
что ключевой параметр, характеризующий собственную задержку пере-
ключения МОП-транзисторов, — постоянная времени Ron Coff по
мере уменьшения топологических проектных норм в среднем
уменьшается на 23% в год [24]. Так, в 2017 г. с использованием
технологического процесса UltraCMOS-12 был достигнут рекорд-
но низкий по величине показатель Ron Coff , равный 80
фемтосекундам.
Результатом реализации этой программы является созда-
ние нового поколения аналого-цифровых СБИС и систем на
кристалле для применения не только в аэрокосмической и
военной технике [25], но и в других важных областях — беспровод-
ной связи и телекоммуникациях, мобильной телефонии, циф-
ровом телевидении, спутниковых системах, промышленной и
автомобильной электронике и целом ряде других примене-
ний [26—28].
В 2019 г. компания PSemi Corp. (ранее Peregrine Semiconductor)
объявила об освоении технологии UltraCMOS-13, использующей
300-мм КНС-пластины для изготовления радиочастотных ИС и БИС.
В вышеперечисленных устройствах в полной мере проявляется
ряд важных преимуществ полностью диэлектрической (сапфиро-
вой) подложки. Преимущества КНС-структур перед КНИ-струк-
турами вытекают из наличия так называемого эффекта полу-
проводниковой (Si) подложки, присущего КНИ-структурам.
В КНИ-структурах промежуточный слой изолятора SiO2 отделяет
верхний активный слой, в котором расположены МОП-транзисто-
ры, от кремниевой подложки, которая является основой конструк-
ции и располагается снизу. Такая конструкция, во-первых, замет-
но ограничивает уровень защиты от электростатического заряда
(ESD) и, как следствие, верхний предел рабочих напряжений.
Во-вторых, через кремниевую подложку возникают паразитные
электрические связи между элементами, токи утечки и т.д.,
что ограничивает верхний предел рабочих частот. В-третьих,
теплопроводность изоляционного слоя SiO2 в КНИ-структурах
( SiO2 = 0,2—1,4 Вт/(м·град)) на два порядка меньше, чем у крем-
ния ( Si = 84—126 Вт/(м·град)), что затрудняет отвод тепла из
внутренних областей активных приборов и способствует их нагреву.
Известно, что эффект «саморазогрева» ограничивает рабочие
мощности и частоты КМОП КНИ-приборов и негативно сказыва-
ется на их надежности. В КНС-структурах эта проблема ощущает-
ся гораздо слабее, поскольку разница в значениях коэффициента
теплопроводности сапфира ( λSph = 46 Вт/(м·град)) и кремния
(см. выше) не столь существенна.
Кроме того, на структурах КНС, по сравнению со структурами
КНИ, удается изготавливать активные элементы с более высокой
линейностью характеристик и усилением, а также пассивные эле-
менты (резисторы, емкости, индуктивности) с очень высокой доб-
ротностью, что чрезвычайно важно при создании высококачест-
венных радиочастотных и СВЧ-микросхем. Испытания и практика
эксплуатации аппаратуры показывают, что приборы на КНИ усту-
пают приборам на КНС не только по предельным частотам усиле-
ния fT и fmax, но и по показателям температурной
и радиационной стойкости и надежности.
Для любых технологий, и в первую очередь для технологий
массового производства, очень важное значение имеют факторы,
обеспечивающие снижение стоимости. Большим преимуществом
UltraCMOS перед другими технологиями является то, что микро-
схемы изготавливаются на тех же самых фабриках, на которых ис-
пользуются обычные кремниевые пластины. Однако благодаря
преимуществам полностью диэлектрической (сапфировой) под-
ложки один и тот же уровень функциональных параметров микро-
схем достигается на менее продвинутом, а следовательно, и менее
дорогом оборудовании и технологическом процессе. Например,
0,25-мкм технология КНС обеспечивает такой же уровень элект-
рических параметров КМОП-микросхем, как 0,13-мкм технология
объемного кремния. Снижение издержек от использования техно-
логии не самого последнего и передового уровня огромно. Эконо-
мия складывается не только за счет того, что удается избежать ис-
пользования более дорогого технологического оборудования и
амортизационных затрат, связанных с более поздней и совершен-
ной, но менее освоенной технологией производства, но и за счет
существенно более низких затрат на проведение самих технологи-
ческих процессов.
Благодаря тому, что в рамках UTSi-технологии достигается
почти идеальная интеграция на сапфировой подложке пассивных
(резисторов, конденсаторов, индуктивностей) и активных эле-
ментов, открываются отличные перспективы для создания
суперсовременных БИС на КНС для сбора и обработки данных,
а также схем радиочастотного и СВЧ-диапазона. За разработку
UTSi-технологии в 2011 г. Марк Бургенер (Mark Burgener) и Ро-
нальд Риди (Ronald Reedy), основатели компании Peregrine Semiconductor,
получили премию международной некоммерческой ассоциации
IEEE, которая присуждается за вклад в развитие техно-
логий. Основатели компании считают, что КНС — наиболее
успешная разновидность технологии КНИ, предназначенная для
совершенствования рабочих характеристик и интеграции в ра-
диочастотных устройствах. Спрос на эту технологию возрастает
с 1990-х гг., когда появились коммерческие беспроводные сети.
О скорости роста можно судить по следующим показателям:
в 2016 г. совокупный объем коммерческих изделий, изготовлен-
ных по технологии UltraCMOS, составил более 700 млн шт.,
а в конце 2019 г. количество поставленных на рынок радиочас-
тотных ИС превысило 5 млрд шт. Стоимость сапфировых под-
ложек также быстро снижается благодаря огромному спросу на
светодиоды белого свечения, где потребление этих подложек со-
ставляет десятки миллионов штук, и это дает дополнительные
преимущества КНС-технологии. UltraCMOS-технология оказа-
лась более мощной, чем поначалу казалось. По мере появления в
сотовых телефонах цифровых устройств беспроводной связи па-
раметр «линейность» стал весьма востребованным. Благодаря
этому UTSi-технология вышла на передовые позиции на рын-
ке сотовой телефонии (на рынке самой жесткой конкурентной
борьбы).
Благодаря оптической прозрачности сапфировой подложки
оптоэлектронные чипы на основе КНС также являются перспек-
тивной элементной базой для создания оптоэлектронных модулей.
Таким образом, решение научно-технических задач создания и
внедрения КНС-технологии и организации производства высоко-
надежных БИС на ее основе являетcя актуальной проблемой.
Принципиально, что элементная база важнейших радиоэлект-
ронных систем, имеющих оборонное значение, может создаваться
отечественной промышленностью.
Поэтому российскими учеными и специалистами поставлена
и решена задача создания отечественной КНС-технологии, кото-
рая позволяет реализовать отмеченные выше возможности и обес-
печить потребности страны в БИС КНС военного и специального
назначения, не прибегая к услугам зарубежных производителей.
У нас в стране технология КМОП КНС интегральных схем
была разработана и промышленно освоена в 70-х годах прошлого
столетия [15]. Исследования шли практически параллельно с раз-
работками зарубежных компаний RCA, Harris, GEC-Plessey.
В течение более чем 40 лет КНС-технология обеспечивала и се-
годня продолжает обеспечивать потребности страны в радиационно
стойких микросхемах аэрокосмического и военного назначения,
что позволяет не прибегать к услугам зарубежных производителей
и решать задачи импортозамещения в таких важных областях, как
безопасность и обороноспособность страны. В частности, функцио-
нальнополный микропроцессорный комплект микросхем, изготав-
ливаемых по отечественной КМОП КНС-технологии, многие годы
используется в бортовых вычислительных системах управления бал-
листических ракет стратегического назначения, составляющих
основу оборонительного щита Российской Федерации [18, 19].
Что касается гражданских применений, то БИС и СнК на
КНС-подложках, изготовленные по UltraCMOS-технологии, явля-
ются перспективной элементной базой для отечественных систем
мобильной связи и телекоммуникаций, поскольку обеспечивают
высокое быстродействие, высокую добротность и линейность
характеристик, малый уровень собственных шумов в сочетании
с высокой надежностью и помехоустойчивостью при эксплуатации
в реальных условиях космического пространства.
Значительный вклад в развитие и становление отечественной
КМОП КНС-технологии внесли работы Адонина А.С., Александ-
рова П.А., Кабальнова Ю.А., Романова А.А., Чумака В.Д., Яром-
ского Я.П., Яшанина И.Б. и др.
Элементная база и схемотехника КМОП КНС развивались
благодаря работам Деревянкина В.М., Машевича П.Р., Новожило-
ва Е.А., Поварницыной З.М., Полякова И.В., Сенникова И.А.,
Черного А.И., Яненко А.В. и др.
Большой вклад в область системотехники и аппаратурного
использования КМОП КНС ИС и БИС внесли Антимиров В.М.,
Синегубко Л.А., Сметанов А.Ю., Трапезников М.Б., Усов Н.Н.
и др.
Очевидно, что успешная реализация возможностей технологии
КМОП КНС немыслима без широкого применения методов и
средств моделирования и автоматизации проектирования, учиты-
вающих специфику этого вида микросхем как на элементном, так
и на схемо- и системотехническом уровнях. В этой части необхо-
димо отметить работы Петросянца К.О., Сухоносенко В.Г., Ула-
новой А.В., Харитонова И.А., Кокина С.А. и др.
К сожалению, у нас в стране и за рубежом КНС-технология по
количеству научно-технических публикаций и по степени освеще-
ния в других информационных источниках значительно уступает
КНИ-технологии. Материал по текущим разработкам приборов и
схем на основе КНС представлен в немногочисленных журналь-
ных статьях и трудах профильных конференций. Из имеющихся
крупных работ, посвященных КНС-технологии, следует в первую
очередь отметить обзоры [29, 30], монографии [15, 19, 31, 32] и
диссертацию Адонина А.С. [33].
Работа [29] представляет собой обзор методов создания ультра-
тонких слоев КНС без детального их рассмотрения. Монография
[31] посвящена физическим, химическим, механическим и элект-
рическим свойствам сапфира как материала электронной техники.
В монографии [15] описаны первые отечественные результаты,
полученные в середине 1970-х годов, по созданию эпитаксиальных
КНС-структур и МОП-транзисторов на их основе. В более позд-
ней монографии 2006 года [19] приведена архитектура, электриче-
ские и др. характеристики отечественных цифровых и аналого-
цифровых БИС, изготовленных по КМОП КНС-технологии. Со-
временные КМОП КНС-приборы и интегральные схемы, изготов-
ленные на базе UTSi-технологии, наиболее полно на сегодняшний
день представлены в зарубежной монографии [32], изданной
в 2010 году.
Приходится, к сожалению, констатировать, что российские
книги и публикации не освещают в должной степени современное
состояние работ в области технологии, элементной базы и схемо-
техники КМОП КНС. Зарубежные монографии и обзоры трудно-
доступны российским специалистам и не отражают ряд важных
вопросов. Журнальные публикации и труды конференций носят,
как правило, узконаправленный характер.
Очевидно, что область применения КМОП КНС интегральных
схем будет неуклонно расширяться. Кроме того, возможно появ-
ление новых типов БИС и СнК со структурой КНС.
В связи с вышеизложенным возникла потребность обобщить
имеющиеся в этой области научно-технические сведения и разра-
ботки. В этом состоит главная задача настоящей книги.
Книга базируется на опыте отечественных и зарубежных спе-
циалистов в области создания технологии и элементной базы
КНС КМОП ИС/БИС.
Она написана на основании материалов, опубликованных в оте-
чественной и зарубежной печати, кроме того, она в значительной
степени базируется на теоретических и практических результатах
авторов, в течении многих лет работающих в этой области.
В книге рассмотрены следующие вопросы: специфика интег-
ральных схем со структурой КМОП КНС; требования к исходным
материалам и КНС-структурам; базовые технологические процессы
изготовления приборов и схем; типовые конструкции элементов
КМОП КНС интегральных схем различных поколений, их электри-
ческие характеристики и параметры; методы приборно-технологи-
ческого и схемотехнического моделирования приборных структур
и типовых цифровых и аналоговых схемных фрагментов; основные
характеристики и параметры радиационно стойких КМОП
КНС-микросхем и БИС отечественных и зарубежных производите-
лей; элементная база и особенности оптоэлектронных ИС.
На всех уровнях изложения — от выбора исходного материала
до контроля и тестирования выходных параметров и характери-
стик изготовленных микросхем, особое внимание в книге уделяет-
ся такому важному для этого класса микросхем показателю, как
радиационная стойкость.
В главе 1 рассмотрены особенности создания гетероэпитакси-
альных структур кремния на сапфире, приведены параметры,
характеризующие качество границы раздела сапфир — полупро-
водник, описаны результаты исследования глубоких уровней
в структурах КНС методом термостимулированного разряда кон-
денсатора (ТРК).
В главе 2 описана промышленная технология создания радиа-
ционно стойких КМОП КНС интегральных схем первых поколе-
ний, маршрут SOS-2 с длиной канала МОП-транзисторов
4—3 мкм и маршрут SOS-3 с длиной канала 2 мкм. Подробно рас-
смотрены основные технологические операции эпитаксии крем-
ниевых слоев n- и p-типа, термического окисления, микроциклы
формирования активной МОП- или МНОП-структуры, облас-
тей стока и истока. Приведены экспериментальные результаты для
зарядов в оксиде и на границе раздела Si—SiO2, результаты изме-
рения ВАХ МОП-транзисторов, токов утечки, пороговых напря-
жений и напряжений пробоя МОП-структуры и p-n-переходов.
В главе 3 описана промышленная технология изготовления ра-
диационно стойких КМОП КНС ИС с коротким каналом. Рас-
смотрены короткоканальные эффекты в МОП КНС-транзисторах
и особенности их влияния на основные параметры: пороговое на-
пряжение, ток утечки, подвижность, кинк-эффект и др. Приведен
технологический маршрут изготовления КМОП КНС ИС (SOS-4)
с раздельным легированием карманов n- и p-канальных транзи-
сторов с длиной канала 1,5—1,25 мкм. Показано, что ограничения
технологии SOS-4 связаны с большой толщиной гетероэпитакси-
ального слоя кремния.
В рамках технологии SOS-4 при уменьшении толщины поли-
кремниевых слоев рассмотрены приемы шунтирования поликрем-
ниевых затворов тугоплавкими металлами (вольфрамом) или их
силицидами (силицидом титана).
Рассмотрена наиболее совершенная в настоящее время техно-
логия создания КМОП КНС БИС на ультратонких слоях кремния
(~0,1 мкм) с длиной канала 0,5 мкм и менее — UTSi-технология
фирмы Peregrine. Показаны основные отличия UTSi-технологии от
двухкарманной технологии SOS-4.
Глава 4 посвящена элементам ИС и БИС, которые реализуют-
ся в рамках промышленной КНС-технологии. Рассмотрены струк-
туры и электрические характеристики (ВАХ и ВФХ), а также
параметры следующих элементов: n- и p-канальных МОП-транзи-
сторов и КМОП-ячеек; стабилитронов; пассивных RC-цепочек
и сенсоров со структурой МОП, изготовленных по различным ва-
риантам отечественной КНС-технологии SOS-2, SOS-3, SOS-4,
а также индуктивностей и ячеек EEPROM, изготовленных в рам-
ках UTSi-технологии.
В главе 5 рассмотрена подсистема моделирования элементов
радиационно стойких КМОП КНС ИС и БИС. Описана 5-уровне-
вая методика моделирования, которая включает в себя следующие
этапы:
1) выбор исходных КНС-структур в наименьшей степени чув-
ствительных к высокотемпературным обработкам и радиа-
ционным воздействиям;
2) приборно-технологическое моделирование физической
структуры прибора с помощью пакета Synopsys TCAD;
3) разработка схемотехнических SPICE-моделей МОП КНС-
транзисторов, учитывающих радиационное воздействие;
4) разработка макромоделей типовых аналоговых и цифровых
ячеек и фрагментов ИС с учетом радиационных воздейст-
вий, анализ их радиационной стойкости;
5) SPICE-моделирование функционально законченных ИС
и БИС с учетом радиационных воздействий, анализ их ра-
диационной стойкости.
В главе 6 приведены описания и основные параметры радиаци-
онно стойких КМОП КНС ИС и БИС, выпускаемых отечественны-
ми производителями: АО НПП «Сапфир», ПАО «Ангстрем», ФГУП
ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова, АО «НПО ИТ».
В главе 7 приведены основные параметры КМОП КНС
и БИС, выпускаемых зарубежными фирмами: Peregrine Semiconductor
Corp. (США), Dynex Semiconductor (США), Intersil Corp.
(бывшая HARRIS) (США), GEC PLESSY Semiconductor (Великоб-
ритания) и др. для гражданских, военных и космических приме-
нений.
Глава 8 посвящена оптоэлектронным ИС и БИС, а также мик-
ромощным высоковольтным фотоэнергетическим модулям для ав-
тономного питания электронных устройств и FOCUTS-модулям
для параллельных оптических межсоединений. Описана структура
и основные характеристики базового элемента — фотодиода с уве-
личенной i-базой и управляющим затвором. Приведен ряд схемо-
технических решений для отдельных фрагментов оптоэлектрон-
ных ИС и фотовольтаических преобразователей. В отличие от
материалов, приведенных для фоточувствительных ИС со структу-
рой КНС в известной зарубежной монографии E. Culurciello [32],
в главе рассмотрено новое направление развития оптоэлектрон-
ных ИС на КНС-структурах со встроенным фотовольтаическим
источником питания, базирующееся исключительно на ориги-
нальных отечественных разработках.
Авторы благодарны И.И. Романовой за большую работу по
подготовке рукописи книги.
Монография подготовлена в результате проведения исследова+
ния (№ проекта 15+01+0165) в рамках программы «Научный фонд
Национального исследовательского университета «Высшая школа
экономики» (НИУ ВШЭ) и с использованием субсидии на государ+
ственную поддержку ведущих университетов Российской Федерации
в целях повышения их конкурентоспособности среди ведущих миро+
вых научно+образовательных центров, выделенной НИУ ВШЭ.
Литература
1. Яненко А.В., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Эк-
стремальная электроника. — М.: НИЯУ МИФИ, 2014, 244 с.
2. Белоус А.И. Космическая электроника. — М.: ТЕХНОСФЕРА, 2014,
900 с.
3. Extreme Invironment Electronics / Edited by J.D. Cressler, H.A. Mantooth
CRC Press. Taylor and Francis, 2013.
4. Айнспрук Н., Уиссмен У. Арсенид галлия в микроэлектронике. —
М.: Мир, 1998, 560 с.
5. Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В., Ломако В.М. Радиационные эффек-
ты в приборах и интегральных схемах на арсениде галлия. — Минск:
изд. Университетское, 1992, 219 с.
6. Cressler J.D. Silicon Heterostructure Hand-book: Materials, Fabrication,
Devices, Circuits, and Applications of SiGe and Si-Strained Layer Epitaxy.
Taylor and Francis Group, 2006.
7. Тимошенков В.П. Кремниевые гетероструктуры и проектирование
СВЧ интегральных схем на их основе // В кн.: Нанотехнологии в
электронике. Вып. 2. — М.: Техносфера, 2013, с. 601—686. — (Сер.
Мир электроники).
8. Петросянц К.О., Самбурский Л.М., Харитонов И.А. Влияние различ-
ных видов радиации на характеристики кремний-германиевых гетеро-
переходных транзисторов // Электронная техника. Сер. 2. «Полупро-
водниковые приборы», 2014, вып. 1, с. 3—18.
9. Суворов А.Л., Богданович Б.Ю., Залужный А.Г. и др. Технологии
структур КНИ. — М.: МИЭТ / МИФИ / ФГУП ГНЦ ИТЭФ, 2004.
10. Coulinge J.-P. Silicon-on-Insulator. Kluwer Academia Publishers, London,
2004.
11. Marshall A., Natarjan S. SOI Design: Analog, Memory and Digital Techniques.
Kluwer Academia Publishers, London, 2002.
12. Bernstein K., Rohrer N.J. SOI Circuit Design Concepts. Springer, 2002.
13. Белоус А.И., Солодуха В.А., Шведов С.В. Космическая электроника.
Книга 2. — М.: Техносфера, 2015, с. 707—768.
14. Rapp U.K., Ross E.C. Silicon on Sapphire Substrates Overcome MOS Limitations
// Electronics, Sept., 1972, № 25, pp. 113.
15. Папков В.С., Цыбульников М.Б. Эпитаксиальные кремниевые слои
на диэлектрических подложках и приборы на их основе. — М.: Энер-
гия, 1979.
16. Smith B.A. et al. The Jupiter system through the eyes of Voyager 1 // Science.
1979, vol. 204, № 4396, pp. 951—972.
17. Bisschoff D., Potgieter M. New local interstellar spectra for protons, helium
and carbon derived from PAMELA and Voyager 1 observations // Astrophysics
and Space Science. 2016, vol. 301, № 2, pp. 1—8.
18. Новожилов Е.А., Самров И.А., Сенников И.А. и др. Функциональ-
но полный микропроцессорный комплект радиационно-стойких
БИС КМОП КНС серии Б1825 // Научно-технические достижения.
Сер. «Приборостроение и радиоэлектроника». 1994, № 5, с. 19—23.
19. Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов / Под ред.
А.Ю. Сметанова. — М.: Логос, 2006. — 190 с.
20. Ultra CMOS Process compared to Bulk Silicon CMOS, http://www.psemi.
com/content/ utracmos/ultracmos_SOS_VS_bulk.html.
21. Адонин А.С Новые возможности технологии БИС со структурой «крем-
ний на сапфире» // Электронные компоненты, 2000, № 3, с. 45—49.
22. Peregrine and IBM co-develop 180 nm RF CMOS, http://www.semiconductor-
today.com/news_items/2010/MAY/PEREGRINE_130510.htm.
23. Peregrine Semiconductor and IBM see the future of RF in sapphire,
http://www.edn.com/blog/Prаctical_Chip_Design/35782.
24. Peregrine Takes Another “STeP” Forward in Silicon-on-Sapphire Technology,
http://electronicdesign.com/communications/peregrine-takes-аnother-
step-forward-silicon-sаpphire-technology.
25. Robinette D. Ultra CMOS RFICs Ease the Complexity of Satellite Designs
// Microwave Journal, Aug. 2009, pp. 86—98.
26. CMOS on sapphire Technology Delivers News Level of multi-GHz RF Integration,
http://www.psemi.com.
27. McCarthy J. Silicon on Sapphire has a unique ability to integrate the elements
of a wireless system on a chip Solution. Peregrine Semicon. Corp.,
2010, Advantage Business Media, http://www.psemi.com.
28. Kelly D. Cover Story Integrating CMOS Designs in GSM Front Ends. Peregrine
Semicon. Corp., 2011 Advantage Business Media, http://www.psemi.
com.
29. Кривулин Н.О. Ультратонкие слои кремния на сапфире. —Нижего-
родский ГУ, 2011.
30. Кернс Ш.Э., Шейфер Б.Д. Разработка радиационно-стойких ИС кос-
мического назначения: обзор подходов // ТИИЭР, 1988, т. 76, № 11,
с. 75—146.
31. Dobrovinskaya E., Lytvinov L., Pishchik V. Sapphire: Material, Manufacturing,
Applications. Springer, 2009.
32. Culurciello E. Silicon-on-Sapphire Circuits and Systems. McCrawHill,
2010.
33. Адонин А.С. Технология и элементная база радиационно-стойких
КМОП БИС со структурой «кремний на сапфире» / Докторская дис-
сертация. — МИЭМ, 2003, 287 с.
ГЛАВА 1
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ
СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ»
1.1. Физико-химические характеристики
гетероэпитаксиальных структур
«кремний на сапфире»
Расширение областей применения КМОП БИС КНС, используе-
мых в настоящее время для создания аэрокосмической и специ-
альной аппаратуры, связано прежде всего с совершенствованием и
развитием базового процесса изготовления КМОП БИС КНС, ко-
торый включает большой объем работ по созданию исходных
структур кремния на сапфире, а также выращиванию монокрис-
таллов сапфира и изготовлению подложек, удовлетворяющих тре-
бованиям гетероэпитаксии кремния.
Помимо кремниевой технологии, сапфировые подложки при-
меняются также в качестве основы при эпитаксиальном наращи-
вании полупроводниковых пленок широкозонных проводников
GaN, AlGaN и др.
На сегодняшний день имеется широкий спектр информации о
сапфире и областях его применения. Технологические особенно-
сти выращивания монокристаллов сапфира и исследования его ха-
рактеристик достаточно подробно отражены в работах [1—3]. При
разработке структур КНС и электронных компонентов по техно-
логии КМОП БИС КНС разработчикам и технологам важна и ин-
тересна информация о состоянии границы раздела Al2O3—Si, кри-
териях оценки ее качества, а также путях уменьшения влияния
переходного слоя на границе раздела Al2O3—Si на качество элект-
рически активного слоя кремния. Основные характеристики и
свойства сапфира указаны на сайте производителя подложек [4].
При изготовлении и подготовке сапфировых подложек для ге-
тероэпитаксии кремния можно выделить два этапа.
На первом этапе обеспечиваются кристаллографические, гео-
метрические параметры, а также требования по чистоте обработки
и другие (табл. 1.1, 1.2).
Фирмы — изготовители сапфировых подложек часто владеют и
технологией изготовления гетероэпитаксиальных структур крем-
ния, т.к. экономически выгодно предлагать на рынке готовые ге-
тероструктуры кремния на сапфире (КНС) или нитрида галлия на
сапфире (GaN/Al2O3).
Второй этап — подготовка сапфировой подложки перед эпи-
таксией полупроводникового материала выходит за рамки требо-
ваний технических условий на продукцию (сапфировую подлож-
ку), поэтому этот этап практически всегда остается «за кадром»,
является ноу-хау фирмы — изготовителя гетероструктур. Техноло-
гия позволяет управлять качеством границы раздела сапфир — по-
лупроводник, которая определяет стабильность поведения пе-
реходного слоя при последующих температурных воздействиях
в технологическом цикле изготовления КМОП БИС, а также при
специальных внешних воздействиях на готовую продукцию и др.
испытаниях.
В процессе изготовления БИС КНС используются исходные
гетероэпитаксиальные структуры кремния на сапфире с различной
толщиной слоя кремния (0,6; 0,3; 0,1 мкм). Улучшение функцио-
нальных возможностей БИС, а также их отдельных характеристик
для эксплуатации микросхем с повышенными требованиями по
радиационной стойкости в открытом космосе предусматривает
применение структур КНС с меньшей толщиной слоя кремния и
высокой однородностью свойств.
Минимальная толщина эпитаксиального слоя кремния во
многом определяется величиной переходного слоя на границе
раздела Al2O3—Si. Считается, что переходный слой — слой повы-
шенной дефектности, состоящий из сложных соединений крем-
ния, алюминия и кислорода, возникает из-за несоответствия па-
раметров решеток подложки Al2O3 и пленки Si, различия их тер-
мических коэффициентов расширения, а также вследствие авто-
легирования кремниевой пленки алюминием. Плотность
дефектов уменьшается при увеличении расстояния от границы
раздела. На первых этапах роста кремния с ориентацией (100) на
сапфире (1012) образуются островки кремния с ориентацией
(110). В работе [5] при помощи «просвечивающей» электронной
микроскопии удалось показать, что плотность зародышей крем-
ния с ориентациями (100) и (110) в начальный период времени
резко изменяется. Плотность зародышей (100) уменьшается от
величины 1,8·1011 см-2 до 1·1010 см-2 через 0,5 секунды от начала
роста эпитаксиального слоя.
Столь резкое уменьшение количества зародышей является,
возможно, результатом коалесценции зародышей. В то же время
плотность зародышей с ориентацией (110) на протяжении первых
2,5 секунд роста остается постоянной (4·1010 см-2), а в течение
следующей секунды уменьшается вдвое. Такая зависимость свиде-
тельствует о том, что зародыши с ориентацией (110) стабильны по
крайней мере, когда их размеры малы. В то же время изменение
площади, занятой зародышами кремния с ориентацией (100) и
(110) через одну секунду роста, отличается практически на два по-
рядка (рис. 1.1).
Нарушение порядка расположения атомов, следующих за бли-
жайшими соседями, приводит к образованию двойниковой кон-
фигурации. Энергия двойников относительно мала, т. к. имеет
место лишь незначительное изменение в диагональном располо-
жении атомов.
Движение атомных слоев, в результате которых образуется
двойник, похоже на движение при скольжении. Поскольку накоп-
ленная энергия деформации при образовании двойников мала, не
следует ожидать значительных изменений электронной зонной
структуры.
Действительно, в случае ненарушенных двойников не было об-
наружено значительных электрических эффектов даже при измере-
нии времени жизни неосновных носителей. Этот наиболее чувстви-
тельный к стуктурным нарушениям электронный параметр почти
не зависит от двойников, находящихся на пути движения носите-
лей, если отсутствует градиент концентрации примесей. Это проис-
ходит потому, что процесс двойникования является естественным
путем поглощения избытка энергии, выделяющегося при росте
эпитаксиального кремния. Однако если кристалл содержит много
двойников, то им всегда сопутствуют дефекты упаковки, заканчива-
ющиеся на частичных дислокациях. Кроме того, скольжение двой-
никовых осей во многих случаях может создавать ненасыщенные
связи (свободная валентность решетки), которые притягивают сво-
бодные электроны и образуют области пространственного заряда.
При рассмотрении более сложных двойниковых конфигураций с их
повышенной концентрацией с учетом боковых двойниковых гра-
ниц показано [6], что боковые двойниковые границы оказывают
влияние на структурно-чувствительные параметры, такие как по-
движность и время жизни носителей заряда. Однако большие обла-
сти пространственного заряда, обусловленные p-n-переходами, ме-
нее подвержены влиянию двойников. Гетероструктура КНС с за-
метным числом двойниковых границ может, тем не менее, рассмат-
риваться как электрически «хороший» материал. Наличие большого
количества двойников в структурах КНС не препятствовало изго-
товлению воспроизводимых диодов и диодных матриц. Однако при
изготовлении воспроизводимых МОП-структур такой материал ис-
пользовать не следует, т.к. при приложении электрического напря-
жения смещения возможны необратимые изменения p-n-перехода
и неоднородное распределение объемного заряда при формирова-
нии инверсионного канала проводимости.
Разориентация или целенаправленное отклонение от ориента-
ции подложки сапфира (1012) может приводить к перераспределе-
нию соотношения между зародышами кремния ориентации (100)
и (110) и образованию зародышей с другими ориентациями, что
возможно при блочном сапфире. Это может приводить к образо-
ванию участков с повышенной дефектностью и разбросу электро-
физических параметров. Исходя из вышеизложенного, при выра-
ботке требований к подложке сапфира отклонение от заданной
ориентации должно быть не более 1 2°.
Изучение морфологии гетероэпитаксиальных слоев кремния
показало, что финишная полировка сапфировых подложек является
одним из ключевых моментов при получении качественных струк-
тур КНС. Прямые методы контроля чистоты поверхности сапфиро-
вой подложки затруднены. Последующее же гетероэпитаксиальное
наращивание кремния позволяет декорировать нарушенные участ-
ки, которые хорошо заметны при боковом освещении.
Гетероэпитаксиальное наращивание кремния проводят при
температуре ~1000 °С разложением моносилана в атмосфере водо-
рода по реакции
SiH4 = Si + 2H2. (1.1)
Известно, что атомы кремния осаждаются преимущественно
на узлах, занятых алюминием. Имеет место также реакция взаи-
модействия сапфира с газообразным водородом. Присутствие так-
же SiO и SiO2 может приводить к реакциям:
Al2O3 + 3H2 = 2Al + 3H2O, (1.2)
SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2, (1.3)
SiO2 + H2 = SiO + H2O. (1.4)
В начальной стадии роста по реакции (1.1) может идти и авто-
легирование алюминием растущего кремниевого слоя. Автолеги-
рование может также идти от взаимодействия островков кремния
с сапфировой подложкой:
2Si + Al2O3 = Al2O + 2SiO. (1.5)
Обратная сторона сапфировой подложки также может взаимо-
действовать с карбидизированным нагревателем по реакции (1.5),
поэтому к подготовке и качеству нагревателя предъявляются по-
вышенные требования.
Одним из путей снижения эффекта автолегирования растуще-
го эпитаксиального слоя кремния алюминием является уменьше-
ние или связывание кислорода на поверхности сапфира. В работе
[7] по гетероэпитаксии GaAs и GaN были найдены такие решения
путем наращивания на поверхности Al2O3 буферных слоев AlN.
При гетероэпитаксии кремния возможно также проведение
прямого азотирования сапфировой подложки. Обычно в техноло-
гии эпитаксиального наращивания кремния используются карби-
дизированные графитовые нагреватели. Работы по прямому азо-
тированию и модернизации установки эпитаксии заключались
в использовании нагревателя из молибдена. Перед процессом эпи-
таксии сапфировую подложку обрабатывали при температурах
1100 1500 °С аммиаком в атмосфере инертного газа или водорода.
По реакции
Al2O3 + 2NH3 = 2AlN + 3H2O, (1.6)
частично замещая атомы кислорода на азот, наблюдали образова-
ние твердых растворов AlN—Al2O3, что заметно снижало эффект
автолегирования и улучшало структурное совершенство наращива-
емого слоя. Оценка структурного совершенства проводилась по
полуширине кривой дифракционного отражения. Наличие под-
слоя нитрида алюминия позволяло уменьшить различие темпера-
турных коэффициентов линейного расширения подложки сапфи-
ра с кремнием.
Величина механических напряжений в структурах КНС может
быть определена по формуле
σ = ESi( аC — аSi) T, (1.7)
где ESi — модуль упругости кремния; C — коэффициент теплово-
го расширения сапфира; аSi — коэффициент теплового расшире-
ния кремния; ΔT — изменение температуры.
При аC = 5,3·10-6 град-1 и аSi = 4,24·10-6 град-1 и значительной толщине пленки кремния напряжения в пленке могут достигать до 108 Н/м2. Значение аAlN = 4,8·10-6 град-1 позволяет уменьшить различие в коэффициентах теплового расширения, поэтому примене-
ние буферного слоя из нитрида алюминия оправданно.
Обеспечение качества растущего эпитаксиального слоя пред-
ставляет комплексную задачу. Наряду с подготовкой подложки
(некоторые приемы изложены выше) очень важно также выбрать
параметры процесса эпитаксии, которые обеспечивают требуемые
структурные и электрофизические параметры гетероэпитаксиаль-
ного слоя. На рис. 1.2—1.4 приведены качественные зависимости
свойств эпитаксиального слоя от параметров процесса эпитаксии.
Введение на первой стадии эпитаксии в состав газовой среды на-
ряду с основным носителем кремния — моносиланом (SiH4), до-
бавок тетрахлорида кремния (SiCl4) или дихлорсилана (SiH2Cl2),
позволяет:
— улучшить коалесценцию зародышей кремния ориентации
(100);
— подавить гомогенный процесс разложения моносилана в га-
зовой фазе;
— уменьшить дефектность выращиваемых слоев, а также
управлять величиной и типом заряда на поверхности разде-
ла Al2O3—Si с помощью температуры процесса выращива-
ния, охлаждения структур и скорости роста эпитаксиального
слоя.
Для обеспечения радиационной стойкости р-канального тран-
зистора необходимо, чтобы тип электропроводности кремниевого
слоя на границе Al2O3—Si был электронным.
При этом для уменьшения загрязнения наращиваемых слоев
продуктами реакции процесс наращивания стараются проводить в
две стадии:
• на первой стадии обеспечивается быстрое осаждение сплош-
ной пленки кремния на поверхности сапфира для исключе-
ния взаимодействия водорода с сапфиром за счет пересыще-
ния кремнийсодержащим компонентом и уменьшения тем-
пературы эпитаксии;
• на второй стадии выполняется медленное наращивание
кремниевого слоя до требуемой толщины с более совершен-
ной структурой.
Дополнительным резервом улучшения качества гетероэпитак-
сиальных слоев кремния является, безусловно, повышение качест-
ва исходных компонентов, используемых в процессе гетероэпи-
таксии, и прежде всего по содержанию кислорода, остатков паров
воды, примесей металлов, образующих глубокие уровни в запре-
щенной зоне Si.
Моносилан целесообразно использовать в смеси с аргоном,
т.к. последний легче подвергается очистке. Необходимо исклю-
чить натекание в газовых линиях и эпитаксиальном оборудовании.
Также целесообразен предварительный прогрев газовых линий по-
дачи моносилана до 450 °С для «осушки» силана и окисления SiO
до (SiO2) с последующим улавливанием образующегося порошка
фильтрами. Соблюдение требуемого режима нагрева и охлаждения
структур КНС важно не только в процессе изготовления эпитак-
сиальных структур, но и во всем цикле изготовления КМОП ин-
тегральных схем для исключения термоударов.