Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для кремния на оптических устройствах изолятора см кремниевые фотоники .

В производстве полупроводников , кремний на диэлектрике ( SOI технологии) является изготовление кремниевых полупроводниковых приборов в слоистой кремний-диэлектрик-кремний подложки , чтобы уменьшить паразитную емкость в устройстве, тем самым улучшая производительность. [1] Устройства на основе SOI отличаются от обычных устройств на основе кремния тем, что кремниевый переход находится над электрическим изолятором , обычно диоксидом кремния или сапфиром (эти типы устройств называются кремнием на сапфире., или SOS). Выбор изолятора во многом зависит от предполагаемого применения: сапфир используется для высокопроизводительных радиочастотных (RF) и чувствительных к излучению приложений, а диоксид кремния - для уменьшения короткоканальных эффектов в других устройствах микроэлектроники. [2] Изоляционный слой и верхний слой кремния также сильно различаются в зависимости от области применения. [3]

Потребность отрасли [ править ]

Технология SOI - одна из нескольких производственных стратегий, позволяющих продолжить миниатюризацию микроэлектронных устройств, в просторечии называемую «расширением закона Мура » (или «More Moore», сокращенно «MM»). Сообщаемые преимущества SOI по сравнению с традиционной обработкой кремния (массивная CMOS ) включают: [4]

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

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

КНИ транзисторы [ править ]

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

Производство пластин SOI [ править ]

SIMOX процесс
Процесс Smart Cut

Пластины КНИ на основе SiO 2 могут быть изготовлены несколькими способами:

  • SIMOX - S eparationпомощью IM плантации OX ygen - использует кислород имплантации ионного пучок процесспоследующим высокотемпературным отжигом для создания похороненного SiO 2 слоя. [13] [14]
  • Соединение пластин [15] [16] - изолирующий слой формируется путем прямого соединения окисленного кремния со второй подложкой. Большая часть второй подложки впоследствии удаляется, а остатки образуют самый верхний слой Si.
    • Ярким примером процесса склеивания пластин является метод Smart Cut, разработанный французской фирмой Soitec, который использует ионную имплантацию с последующим контролируемым отшелушиванием для определения толщины самого верхнего слоя кремния.
    • NanoCleave - это технология, разработанная Silicon Genesis Corporation, которая разделяет кремний за счет напряжения на границе раздела кремний и кремний-германиевый сплав. [17]
    • ELTRAN - это технология, разработанная Canon, основанная на пористом кремнии и обводненности. [18]
  • Способы затравки [19], в которых самый верхний слой Si выращивается непосредственно на изоляторе. Способы затравки требуют некоторого вида шаблона для гомоэпитаксии, что может быть достигнуто путем химической обработки изолятора, соответствующим образом ориентированного кристаллического изолятора или переходных отверстий через изолятор от нижележащей подложки.

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

Промышленность микроэлектроники [ править ]

Исследование [ править ]

Концепция кремний-на-изоляторе восходит к 1964 году, когда она была предложена К.В. Миллером и П.Х. Робинсоном. [20] В 1979 году исследовательская группа Texas Instruments, в которую входили А.Ф. Таш, Т.С. Холлоуэй и Кай Фонг Ли, изготовила полевой транзистор « кремний-на-изоляторе» ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). [21] В 1983 году исследовательская группа Fujitsu во главе с С. Кавамурой изготовила трехмерную интегральную схему со структурой SOI CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник). [22] В 1984 году та же исследовательская группа Fujitsu изготовила трехмерный вентильный массив.с вертикально расположенной двойной структурой КНИ / КМОП с использованием перекристаллизации луча. [23] В том же году исследователи Электротехнической лаборатории Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси изготовили полевой МОП-транзистор с двумя затворами , продемонстрировав, что эффекты короткого канала можно значительно уменьшить, поместив полностью разряженное устройство КНИ между двумя электродами затвора, соединенными вместе. [24] [25] В 1986 году Жан-Пьер Колиндж из HP Labs изготовил устройства SOI NMOS с использованием тонких кремниевых пленок 90 нм . [26]

В 1989 году Гавам Г. Шахиди инициировал исследовательскую программу SOI в исследовательском центре IBM Thomas J Watson Research Center . [27] Он был главным архитектором технологии SOI в IBM Microelectronics , где он внес фундаментальный вклад, от исследования материалов до разработки первых коммерчески жизнеспособных устройств, при поддержке своего начальника Биджана Давари . [28] Шахиди был ключевой фигурой в превращении технологии SOI CMOS в производимую реальность. В начале 1990-х он продемонстрировал новую технику комбинирования эпитаксиального роста кремния и химико-механической полировки для подготовки материала КНИ приборного качества для изготовления устройств и простых схем, что привело к созданиюIBM расширяет свою исследовательскую программу, включив в нее подложки SOI. Он также был первым, кто продемонстрировал преимущество технологии SOI CMOS в задержке мощности над традиционной массивной CMOS в микропроцессорных приложениях. Он преодолел препятствия, мешающие полупроводниковой промышленности принять КНИ, и сыграл важную роль в доведении разработки подложек КНИ до уровня качества и стоимости, подходящего для массового производства. [29]

В 1994 году исследовательская группа IBM под руководством Шахиди, Биджана Давари и Роберта Х. Деннарда изготовила первые устройства КМОП с КНИ менее 100 нанометров . [30] [31] В 1998 году группа исследователей Hitachi , TSMC и Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировала FinFET ( полевой транзистор с ребрами ), [32] который представляет собой неплоский MOSFET с двумя затворами, построенный на подложке SOI. [33] В начале 2001 года Шахиди использовал SOI для разработки маломощного устройства RF CMOS , что привело к увеличению радиочастоты в IBM. [28]

Коммерциализация [ править ]

Исследования Шахиди в IBM привели к первому коммерческому использованию SOI в основной технологии CMOS. [27] SOI была впервые коммерциализирована в 1995 году, когда работа Шахиди над SOI убедила Джона Келли, который руководил серверным подразделением IBM, принять SOI в линейке серверных продуктов AS / 400 , которые использовали 220 нм CMOS с устройствами SOI с медной металлизацией. [28] IBM начали использовать SOI в высоком конце RS64-IV «Истар» PowerPC-АС микропроцессора в 2000 г. Другие примеры микропроцессоров , построенных на технологии SOI включают AMD «ы 130 нм, 90 нм, 65 нм, 45 нм и 32-нм одно-, двух-, четырех-, шести- и восьмиъядерные процессоры с 2001 года [34]

В конце 2001 года IBM намеревалась представить 130-нанометровые КМОП-устройства SOI с медью и диэлектриком с низким κ для внутренней стороны, основываясь на работе Шахиди. [28] Freescale внедрила SOI в свой процессор PowerPC 7455 в конце 2001 года. В настоящее время [ когда? ] Freescale поставляет продукты SOI в линиях 180 нм , 130 нм , 90 нм и 45 нм . [35] 90-нм процессоры на базе PowerPC и Power ISA , используемые в Xbox 360 , PlayStation 3 и Wii.также использовать технологию SOI. Однако конкурентные предложения от Intel продолжаются [ когда? ], чтобы использовать обычную технологию объемной КМОП для каждого технологического узла, вместо этого сосредоточив внимание на других объектах, таких как HKMG и транзисторы с тремя затворами, для улучшения характеристик транзисторов. В январе 2005 года исследователи Intel сообщили об экспериментальном рамановском лазере на кремниевом ребристом волноводе с одним чипом, созданном с использованием SOI. [36]

Что касается традиционных литейных производств, то в июле 2006 года TSMC заявила, что заказчику не нужна SOI [37], но Chartered Semiconductor посвятила SOI целую фабрику. [38]

Использование в высокопроизводительных радиочастотных (RF) приложениях [ править ]

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

Использование в фотонике [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • CMOS
  • FinFET
  • Intel TeraHertz - аналогичная технология от Intel
  • МОП-транзистор
  • Кремний на сапфире
  • Штамм-инженерия
  • Вафля (электроника)
  • Склеивание пластин

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Целлер, ГК; Кристоловяну, С. (2003). «Границы кремний-на-изоляторе». J Appl Phys . 93 (9): 4955. Bibcode : 2003JAP .... 93.4955C . DOI : 10.1063 / 1.1558223 .
  2. ^ Маршалл, Эндрю; Натараджан, Сридхар (2002). Дизайн SOI: аналоговые, запоминающие и цифровые методы . Бостон: Клувер. ISBN 0792376404.
  3. ^ Colinge, Жан-Пьер (1991). Технология кремний-на-изоляторе: материалы для СБИС . Берлин: Springer Verlag. ISBN 978-0-7923-9150-0.
  4. ^ Кремний-на-изоляторе - Технология и экосистема SOI - Новые приложения SOI , Горацио Мендес, исполнительный директор Консорциума индустрии SOI, 9 апреля 2009 г.
  5. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 18 апреля 2013 года . Проверено 12 апреля 2014 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  6. ^ "IBM рекламирует технологию производства микросхем" . cnet.com . 29 марта 2001 . Проверено 22 апреля 2018 года .
  7. ^ Патент США 6835633 пластины SOI с 30-100 угл . Погребенный OX создается склеиванием пластин с использованием 30-100 угл. тонкий оксид в качестве связующего слоя
  8. ^ Патент США 7002214 Ультра-тонкий корпус супер-крутой ретроградный (а) SSRW FET устройства
  9. ^ Ультратонкий КНИ МОП-транзистор для эпохи глубин менее десятых микрон ; Ян-Гю Чой; Асано, К .; Lindert, N .; Subramanian, V .; Цу-Джэ Кинг; Bokor, J .; Ченмин Ху; Письма об электронных устройствах, IEEE; Том 21, выпуск 5, май 2000 г. Страниц: 254 - 255
  10. ^ В патенте США 7138685 «Вертикальный МОПтранзистор SRAM ячейки» описывает скрытую оксидную (BOX) структуры и методы КНИ для реализации усовершенствованных КНИ BOX структур.
  11. ^ Ф. Балестра, Характеристика и моделирование КНИ МОП-транзисторов с обратным потенциалом управления, докторская диссертация, ИЯФ-Гренобль, 1985
  12. ^ F. Balestra, вызовы на сверхнизких силовых полупроводниковых устройств операции, в «Будущие тенденции в микроэлектронике-путешествие в неизвестность», С. Лурьи, J. Xu, А. Заславского ред., J. Wiley & Sons, 2016 г.
  13. ^ Патент США 5888297 Способ изготовления подложки КНИ Atsushi Ogura, дата выпуска: 30 марта 1999 г.
  14. ^ Патент США 5061642 Способ изготовления полупроводника на диэлектрик Hiroshi Fujioka, дата выпуска: 29 окт, 1991
  15. ^ "Склеивание полупроводниковых пластин: наука и технология" Q.-Y. Тонг и У. Гезеле, Wiley-Interscience, 1998, ISBN 978-0-471-57481-1 
  16. ^ Патент США 4771016 Использование быстрого термического процесса изготовления пластины соединена SOI полупроводника, Джордж БаджордрДата выпуска: 13 сентября 1988
  17. ^ "SIGEN.COM" . www.sigen.com . Проверено 22 апреля 2018 года .
  18. ^ ELTRAN - Роман SOI вафельной Технология архивация 2007-09-27 в Вайбаке машина , JSAPI Vol.4
  19. ^ Патент США 5,417,180
  20. ^ Colinge, Жан-Пьер (2003). "Кремний-на-изоляторе МОП-транзисторы с многопластинчатым затвором" . Микроэлектронные технологии и устройства, SBMICRO 2003: Материалы восемнадцатого международного симпозиума . Электрохимическое общество . С. 2–17. ISBN 9781566773898.
  21. ^ Tasch, AF; Холлоуэй, ТС; Ли, KF; Гиббонс, Дж. Ф. (1979). "Кремний-на-изоляторе МОП, изготовленный на отожженном лазером поликремнии на SiO2". Письма об электронике . 15 (14): 435–437. DOI : 10.1049 / эл: 19790312 .
  22. ^ Кавамура, S .; Sasaki, N .; Я жду.; Mukai, R .; Nakano, M .; Такаги, М. (декабрь 1983 г.). «Трехмерные ИС КНИ / КМОП, изготовленные методом лучевой перекристаллизации». 1983 Международное совещание по электронным устройствам : 364–367. DOI : 10.1109 / IEDM.1983.190517 . S2CID 11689645 . 
  23. ^ Кавамура, S .; Сасаки, Нобуо; Я жду.; Mukai, R .; Nakano, M .; Такаги, М. (1984). «Трехмерная вентильная матрица с вертикально расположенной двойной структурой SOI / CMOS, изготовленной методом лучевой рекристаллизации» . 1984 Симпозиум по технологии СБИС. Сборник технических статей : 44–45.
  24. ^ Colinge, Жан-Пьер (2008). FinFET и другие транзисторы с несколькими затворами . Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN 9780387717517.
  25. ^ Секигава, Тосихиро; Хаяси, Ютака (1 августа 1984 г.). «Расчетные пороговые характеристики XMOS-транзистора с дополнительным нижним затвором». Твердотельная электроника . 27 (8): 827–828. Bibcode : 1984SSEle..27..827S . DOI : 10.1016 / 0038-1101 (84) 90036-4 . ISSN 0038-1101 . 
  26. ^ Colinge, Жан-Пьер (1986). «Подпороговая крутизна тонкопленочных КНИ МОП-транзисторов». Письма об электронных устройствах IEEE . 7 (4): 244–246. Bibcode : 1986IEDL .... 7..244C . DOI : 10.1109 / EDL.1986.26359 . S2CID 19576481 . 
  27. ^ а б "Гавам Г. Шахиди" . IEEE Xplore . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 16 сентября 2019 .
  28. ^ a b c d "Ученый SOI считается одним из последних сотрудников IBM" . EE Times . 30 мая 2001 г.
  29. ^ "Гавам Шахиди" . История техники и технологий . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 16 сентября 2019 .
  30. ^ Шахиди, Гавам Г .; Давари, Биджан ; Деннард, Роберт Х .; Андерсон, Калифорния; Чаппелл, BA; и другие. (Декабрь 1994 г.). «КМОП 0,1 мкм комнатной температуры на КНИ». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 41 (12): 2405–2412. DOI : 10.1109 / 16.337456 .
  31. ^ Critchlow, DL (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET» . Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 12 (1): 19–22. DOI : 10.1109 / N-SSC.2007.4785536 .
  32. ↑ Tsu ‐ Jae King, Лю (11 июня 2012 г.). «FinFET: история, основы и будущее» . Калифорнийский университет в Беркли . Краткий курс симпозиума по технологии СБИС . Дата обращения 9 июля 2019 .
  33. ^ Хисамото, Диг; Ху, Ченмин ; Хуанг, Сюэцзюэ; Ли, Вен-Чин; Kuo, C .; и другие. (Май 2001 г.). "Sub-50 нм P-channel FinFET" (PDF) . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 48 (5): 880–886. Bibcode : 2001ITED ... 48..880H . DOI : 10.1109 / 16.918235 .
  34. ^ Фрис, Ганс де. «Chip Architect: будут раскрыты процессы Intel и Motorola / AMD 130 нм» . chip-architect.com . Проверено 22 апреля 2018 года .
  35. ^ «NXP Semiconductors - автомобилестроение, безопасность, Интернет вещей» . www.freescale.com . Проверено 22 апреля 2018 года .
  36. ^ Ронг, Хайшэн; Лю, Аньшэн; Джонс, Ричард; Коэн, Одед; Хак, Дани, Николаеску, Ремус; Фанг, Александр; Паничча, Марио (январь 2005 г.). "Полностью кремниевый рамановский лазер" (PDF) . Природа . 433 (7042): 292–294. DOI : 10,1038 / природа03723 . PMID 15931210 . S2CID 4423069 .   CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  37. ^ "TSMC не имеет спроса на технологию SOI - Fabtech - онлайн-источник информации для профессионалов в области полупроводников" . fabtech.org . Архивировано из оригинального 28 сентября 2007 года . Проверено 22 апреля 2018 года .
  38. ^ Chartered расширяет доступ на литейный рынок к 90-нм технологии IBM SOI
  39. ^ Мэдден, Джо. «RFFE для мобильных телефонов: MMPA, отслеживание конвертов, настройка антенны, FEM и MIMO » (PDF) . Мобильные эксперты. Архивировано 4 марта 2016 года из оригинального (PDF) . Проверено 2 мая 2012 года .
  40. ^ Рид, Грэм Т .; Knights, Эндрю П. (5 марта 2004 г.). Кремниевая фотоника: Введение . Вайли. ISBN 9780470870341. Проверено 22 апреля 2018 г. - через Google Книги.

Внешние ссылки [ править ]

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