УДК 66.017

В.П. Попов, канд. физ.-мат. наук, И.В. Антонова, канд. физ.-мат. наук, А.А. Французов, д-р физ.-мат. наук, О.В. Наумова, канд. физ.-мат. наук, Н.В. Сапожникова, Институт физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск)

КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ: МАТЕРИАЛ И ПРИБОРНЫЕ СТРУКТУРЫ

Разработана технология изготовления структур кремний-на-изоляторе (КНИ) методом “DeleCut” (ion irradiated Deleted oxide Cut – or DC SOI) [1]. Метод является модификацией известного метода Smart Cut ®. Предложенный метод позволяет создавать бездислокационные КНИ-слои с высокой однородностью по толщине. Изготовлены экспериментальные партии КНИ-структур на пластинах диаметром 100-150 мм и исследованы их электрофизические свойства. Качество структур подтверждено изготовлением на них нескольких типов субмикронных тестовых КМОП интегральных схем; (КНИ КМОП ИС). Получены КНИ МОП-транзисторы и элементарные логические схемы и исследованы их характеристики. Показана возможность переноса на КНИ технологии, разработанной для объемного кремния

Введение

Краткое описание технологии DeleCut КНИ-структур

Параметры КНИ-структур и их сравнение с зарубежными аналогами

Создание и проведение исследования параметров тестовых приборов на КНИ-структурах

Введение

Минимальный размер ключевых элементов интегральных схем в, настоящее время быстро приближается к 50 нм, а переключаемый заряд снижается до 1000 или менее электронов. Несмотря на прорыв отдельных фирм (Intel, NEC, Lucent Technology) за область 50 нм [2], физические пределы (квантовые эффекты и неопределенность поведения малых токов), а также технологические пределы (ограниченная рассеиваемая мощность, сложность топологии и туннельные токи) могут существенно затормозить прогресс микроэлектроники на основе масштабированного уменьшения размеров элементов в рамках стандартной КМОП-технологии на объемном кремнии.

Использование КНИ позволяет уменьшать длину канала МОП-транзистора до 15 нм (см., например, [2]), а дизайн двойного затвора позволяет достичь длины канала 5-6 нм [2]. Однако переход на новые типы приборов требует обширной деятельности по разработке и проектированию новых топологических элементов, технологических процессов, логических элементов и архитектуры чипов. Вместе с тем сохраняются возможности адаптации существующих конструктивных и технологических решений стандартной КМОП-технологии к КНИ-подложкам. Сочетание этих двух подходов уже продемонстрировали корпорации IBM, Sony и Toshiba, объявившие в марте 2001 г. о создании корпорации для разработки технологии производства “суперкомпьютеров-на-чипе”. Главным материалом таких чипов будут структуры кремний-на-изоляторе. Фирма IBM имеет опыт создания и производства трех поколений RISC-процессоров типа RS-6000 на КНИ-пластинах собственного производства (IBM, 1999). Аналогичный альянс создан фирмами Motorola и Advanced Micro Devices (AMD) для адаптации технологии изготовления их 64-разрядных процессоров G4 Power PC и Hammer, выполненных на объемном кремнии, к 0,18-микрометровой КНИ-технологии (Motorola, 2000).

Интерес к КНИ-структурам вызван не только перспективностью данного материала для миниатюризации ИС и возможностью перехода к нанотехнологии, а также тем, что КНИ-подложки обеспечивают полную электрическую изоляцию отдельных приборов на чипе. Это обусловливает целый набор достоинств, среди которых – увеличение быстродействия, снижение энергопотребления, возможность создания радиационно стойких схем и схем, работающих при высоких температурах (до 350°С).

В настоящее время в мире используются два основных метода создания КНИ-пластин (зарубежное название Silicon On Insulator – SOI):

· имплантационный метод – внедрение в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by Oxygen – SIMOX) с последующим синтезом скрытого оксида при отжиге;

· прямое сращивание (бондинг) облученной водородом донорной окисленной пластины кремния с опорной подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем ее скола имплантированным водородом (метод водородного переноса кремния с оксидом – Smart-Cut ® SOI [3]).

Целью данной статьи было сравнение свойств КНИ-структур, полученных методом DeleCut, с КНИ-пластинами, изготовленными по другим технологиям (Smart-Cut ®, SIMOX). В статье приводятся параметры тестовых КНИ КМОП-приборов и некоторых тестовых схем.

Краткое описание технологии изготовления DeleCut КНИ-структур

Рис. 1. Общая схема создания структур кремний-на-изоляторе: слева методом DeleCut, справа – методом Smart-Cut ®, отличающейся операцией 2

Принцип создания КНИ-структур методами DeleCut и Smart-Cut ® представлен на рис. 1. В предварительно окисленную кремниевую пластину (толщина оксида – несколько десятков нанометров) проводится имплантация водорода. Необходимая доза зависит от используемой энергии и толщины SiO₂ и лежит в диапазоне (2¸8) 10¹⁶ см^-2. Пленка SiO₂ играет роль защитного слоя при ионной имплантации и в дальнейшем удаляется. Вторая пластина кремния в методе DeleCut также окисляется до толщины оксида, необходимой в конечной КНИ-структуре. В методе Smart-Cut ® в качестве скрытого диэлектрика используют оксид облучаемой (донорной) пластины. Обычно применяются оксиды толщиной 0,2-0,4 мкм.

Процесс бондинга пластин кремния состоит в основном из двух этапов:

· соединение пластин планарными сторонами внутрь при нормальной температуре за счет ван-дер-ваальсовых сил и дипольного взаимодействия адсорбированных на поверхности радикалов;

· нагрев этой соединенной пары при повышенной температуре (800-1200°С) для замены слабых межмолекулярных связей прочными ковалентными.

Наиболее важной проблемой в сращивании является обеспечение контакта по всей поверхности, т.е. необходимость добиваться отсутствия макро- и микропустот, возникающих из-за микрочастиц, оставшихся на поверхности, и из-за неровной поверхности. Эти пустоты уменьшают силу связывания между пластинами кремния, в результате чего снижается выход годных структур [4]. Второе требование, предъявляемое к процессу сращивания, – чистота поверхности пластин.

Наиболее распространенным способом очистки является RCA-очистка [4], т. е. обработка в перекисно-аммиачном растворе, снятие естественного оксида в разбавленной плавиковой кислоте и обработка в перекисно-кислотном растворе. Этот способ очистки применялся и в данной работе. После каждой операции выполнялась тщательная промывка в деионизованной воде марки (). Сращивание проводилось между гидрофильными поверхностями, полученными обработкой в перекисно-аммиачных растворах разного соотношения, которые имели контактный угол смачивания от 0 до 10° и для кремния и для SiO₂. После гидрофилизации осуществлялась сушка в центрифуге и соединение пластин в пары в специальном прижимном устройстве (установке бондинга). Качество соединения контролировалось по изображению на просвет в ближнем ИК-диапазоне ( мкм) с помощью ПЗС-камеры, что позволяло сразу отбраковывать пластины.

Последующая термообработка при температурах 400-600°С приводит к соединению кремниевых пластин с одновременным расщеплением по слою, где сосредоточен имплантированный водород. В результате тонкая пленка кремния переносится с донорной пластины на окисленную поверхность опорной.

Рис. 2. Сечение полученной
КНИ-структуры

Заключительной операцией создания КНИ является отжиг при 1100-1200°С, который позволяет убрать радиационные дефекты и водород, введенные при имплантации, и укрепить связи на границе соединения. Сечение полученной в результате КНИ структуры представлено на рис. 2.

Толщина отсеченного слоя кремния определяется использованной энергией ионов водорода и может варьироваться. Разброс толщины отсеченного слоя кремния обычно не превышает 5 нм [5]. Толщина скрытого диэлектрика также может варьироваться в широких пределах в зависимости от дальнейшего применения структур. С помощью послойного термического окисления были получены КНИ-пластины с рекордно тонкими пленками монокристаллического кремния с толщиной ~3 нм [5]. Ультратонкие слои пригодны для создания на них одноэлектронных МОП-транзисторов и элементов памяти, работающих при нормальных температурах.

Параметры КНИ-структур и их сравнение с зарубежными аналогами

Так как граница сращивания при создании КНИ-структур методом DeleCut находится между отсеченным слоем кремния и скрытым диэлектриком, очень важным моментом становится чистота сращиваемых поверхностей. В процессе сращивания может иметь место достаточно сильное загрязнение поверхностей с последующей деградацией электрофизических параметров структуры. В данном разделе приведены результаты исследования электрофизических параметров КНИ-структур, включающих в себя:

· проводимость отсеченного слоя кремния;

· центры с глубокими уровнями в отсеченном слое кремния;

· состояния на границах раздела;

· заряд в скрытом диэлектрике.

Толщина отсеченного слоя кремния составляла во всех случаях 0,5 мкм. Для исследований использовались методы измерения эффекта Холла и вольт-фарадных характеристик, емкостная и зарядовая спектроскопия глубоких уровней (С-, Q-DLTS), масс-спектроскопия вторичных ионов (ВИМС).

Было обнаружено, что отсеченный слой кремния в КНИ-структуре, как правило, имеет -тип проводимости, даже если в качестве исходного материала был использован кремний -типа проводимости [6,7]. Концентрация доноров для материала со средним уровнем легирования (10¹⁴ – 10¹⁵ см^-3) составляет примерно (2-4) 10¹⁵ см^-3. Экспериментальные результаты [6,7] позволяют высказать предположение об участии водорода в формировании донорных центров, стабильных до высоких температур (1100°С). Вывод основан на том, что концентрация доноров уменьшается при использовании таких режимов изготовления КНИ, при которых концентрация остаточного водорода, присутствующего в КНИ после отщепления, уменьшается [7]. Стабильность данных центров, скорее всего, определяется стабильностью остаточных нарушений, которые, как предполагается, также участвуют в образовании донорных центров. Нужно отметить, что формирование донорных центров в отсеченном слое кремния имеет место не только для КНИ-структур, полученных методом DeleCut, но и для структур, полученных методом Smart-Cut ®. Кроме того, было обнаружено, что варьируя условия изготовления КНИ, можно выбрать режим, когда проводимость отсеченного слоя КНИ будет соответствовать проводимости исходного материала [7].

Подвижность носителей в отсеченном слое по данным измерения эффекта Холла составляет 400-550 см²/(В×с) (-тип) при использовании исходного материала со средним уровнем легирования (10¹⁴ – 10¹⁵ см^-3) и исходной подвижностью 1100 см² (В×с) для кремния -типа и 350 см² (В×с) – для -типа. Подвижность носителей заряда в случае изготовления КНИ из сильно легированного материала -типа (2×10¹⁸ см^-3) с исходной подвижностью 106 см² (В×с) составляет 80 см² (В×с).

Исследование центров с глубокими уровнями в отсеченном слое кремния методом DLTS показало [8], что в КНИ-структурах таких центров не наблюдается в слое кремния толщиной до 0,3 мкм от границы со скрытым диэлектриком. В приповерхностном слое толщиной до 0,21 мкм кремния наблюдаются два центра с уровнями 0,39 и 0,58 эВ, которые предположительно связаны с остаточными постимплантационными дефектами. Этот факт позволяет однозначно утверждать, что сращивание пластин на границе отсеченный слой кремния – скрытый диэлектрик не сопровождается ухудшением электрофизических характеристик КНИ-структур по сравнению со Smart-Cut ®.

Не менее важным параметром КНИ-структуры являются ловушки на границе раздела. Методика Q-DLTS, имеющая относительно низкую рабочую частоту (1 кГц), обладает рядом преимуществ по сравнению с классической высокочастотной DLTS и позволяет проводить исследования границ раздела в КНИ-структурах [8]. Показано, что в КНИ-структурах на границе подложка – термический оксид распределение состояний по запрещенной зоне является непрерывным и близким к тому, что наблюдается при исследовании состояний на границе Si – термический SiO₂ в обычных МДП-структурах (см., например, [9]). Распределение состояний в верхней половине запрещенной зоны для сращенной Si/SiO₂-границы характеризуется относительно узкой полосой состояний в пределах от 0,17 до 0,36 эВ. Такое изменение спектра ловушек на сращенной границе, скорее всего, не связано с пассивацией водородом, так как водород практически в одинаковой концентрации присутствовал во время изготовления КНИ на обеих границах [7]. Интегральная плотность ловушек на сращенной границе оказывается меньше, чем на границе подложка – термический оксид.

Методом DLTS было проведено исследование изменений при дополнительном отжиге в атмосфере водорода спектра состояний на обеих границах в КНИ-структурах [10]. Отжиг КНИ проводился при 430°С в течение 15 мин в атмосфере водорода, что соответствует стандартному режиму пассивации состояний на Si/SiO₂-границе. Показано, что для границы Si/термический SiO₂ в КНИ-структуре имеет место пассивация граничных состояний водородом, в результате чего плотность ловушек существенно уменьшается и непрерывный спектр состояний во всей зоне заменяется полосой состояний в интервале энергий 0,1-0,35 эВ. Для ловушек на сращенной Si/SiO₂-границе происходит трансформация центров, а именно, наблюдается смещение полосы энергий состояний от 0,17-0,36 до 0,08-0,22 эВ, сечение захвата на ловушки уменьшается примерно на порядок, а плотность наблюдаемых ловушек несколько увеличивается.

В табл. 1 представлены значения фиксированного заряда и плотности поверхностных состояний на границе отсеченный слой кремния – скрытый диэлектрик, полученные из -характеристик. Эти же параметры приведены и для КНИ, полученных методом Smart-Cut ® (фирма SOITEC), и SIMOX-структур. Как видно, значение встроенного заряда практически одинаково для всех структур и составляет (1-3) 10¹¹ см^-2. Несколько иная ситуация получается с плотностью состояний на границах раздела. В структурах DeleCut величина близка к тому, что наблюдается для SIMOX-структур. КНИ-структуры, изготовленные фирмой SOITEC, имеют меньшую плотность поверхностных состояний.

Таблица 1. Значения заряда в скрытом диэлектрике для КНИ-структур, получаемых разными методами

Тип КНИ	, см^-2	, см^-2
DeleCut	(2-4)×10^11	(1.2-5)×10^11
Smart-Cut ®	-4×10^11 ^*	3.5×10^10 ^*
SIMOX	(1-3)×10^11	(1-3)×10^11
* – Значения приведены по данным, полученным для одной структуры без учета статистики

Создание и проведение исследования параметров тестовых приборов на КНИ-структурах

Для исследования параметров тестовых приборов на КНИ-структурах была разработана топология двух тестовых кристаллов с топологическими нормами 3-20 мкм (партия I) и 0,2-0,5 мкм (партия II). Тестовый кристалл включал в себя 26 типов - и -канальных МОП-транзисторов с различной концентрацией примеси в базовом слое, линейной и кольцевой геометрией, а также другие тестовые структуры. У всех транзисторов были предусмотрены контакты к базовому слою и к основной подложке.

На рис. 3 показана конструкция двух типов линейных транзисторов. В одном из них имеется отдельный контакт к базовому слою, в другом базовый слой соединен с истоком.

	Рис. 3. Конструкция тестовых транзисторов

Из анализа измерений сток-затворных характеристик () были определены следующие параметры лицевого транзистора: порог , подвижность , наклон подпороговой характеристики и плотность поверхностных состояний на границе подзатворный диэлектрик – отсеченный слой кремния. Из характеристик тылового транзистора были определены заряд и плотность поверхностных состояний на границе отсеченного слоя кремния (базового слоя) и захороненного окисла.

В табл. 2 представлены конструктивные и электрофизические параметры этих транзисторов. Индекс 1 относится к лицевому транзистору, индекс 2 – к тыловому транзистору, в котором роль затвора выполняет скрытый оксид.

Таблица 2. Конструктивные и электрические параметры партии I тестовых структур

Конструктивные параметры		Значения
		400 нм
		40 нм
		280 нм
		20; 5; 3 мкм
		20-60 мкм
Легирование базового слоя
-канал		5×10^16 см^-3
-канал		< 5×10^15 см^-3
Электрические параметры		Значения
-канал	Порог	0,9 ± 0,05 В
		450-520 см^2/(В×с)
		125 ± 5 мВ/дек
	Плотность поверхностных состояний	(1-5) 10^11 В^-1×см^-2
	Порог	8 ± 2 В
	Заряд на 2-й границе	2,5×10^-8 Кл×см^-2
	Плотность поверхностных состояний	10^12 В^-1×см^-2
-канал	Порог	-1,15 ± 0,07 В
		230-260 см^2/(В×с)
		145 ± 10 мВ/дек
	Порог	-9 ± 1 В

Отметим, что наличие встроенного положительного заряда в скрытом SiO₂ (см. табл. 1) приводит к образованию аккумулирующего слоя в исходной пленке -Si вблизи границы со скрытым оксидом. Поэтому для -канальных МОП-транзисторов для оптимизации подпороговых токов требуется легирование базового слоя. Испытания изготовленных тестовых транзисторов партии I показали, что наилучшие значения порогов получаются на -канальных транзисторах, база которых легирована бором до концентрации 5×10¹⁶ см^-3 и на -канальных, база которых не легировалась и концентрация легирующих примесей не превышала 5×10¹⁵ см^-3. Конструктивные и электрофизические параметры партии II транзисторов представлены в табл. 3.

Таблица 3. Конструктивные и электрические параметры II тестовых структур

Конструктивные параметры		Значения
		100 нм
		12 нм
		280 нм
		20; 0,5; 0,3 мкм
		15-50 мкм
Легирование базового слоя
-канал		(3-5) 10^17 см^-3
-канал		(3-6) 10^16 см^-3
Электрические параметры		Значения
-канал	Порог	0,60 ± 0,05 В
	при мкм мкм мкм	350 см^2/(В×с) 60 см^2/(В×с) 45 см^2/(В×с)
		100 мВ/дек
	Порог тылового транзистора	9 В
-канал	Порог	-1,3 В
	при мкм мкм мкм	125 см^2/(В×с) 45 см^2/(В×с) 35 см^2/(В×с)
		120 мВ/дек
	Плотность поверхностных состояний	10^12 В^-1×см^-2
	Порог	-12 В
	Плотность поверхностных состояний	(2-5)×10^11 В^-1×см^-2

Такие параметры, как толщина пленки , толщина подзатворного и скрытого оксидов, концентрация легирующей примеси в пленке, определялись исходя из требований к длине затвора и порогового напряжения .

Из табл. 3 видно, что наблюдается уменьшение эффективной подвижности электронов и дырок в канале по мере уменьшения длины канала. На контрольной пластине, на которой транзисторы изготавливались на объемном материале, также уменьшалась с 550 до 170 см²/(В×с) при уменьшении длины канала от 20 до 0,3 мкм. Это говорит о необходимости оптимизации технологии создания короткоканальных транзисторов (режимов имплантации и активации примеси, утончения кремниевой пленки).

Как и ожидалось, для МОП-транзисторов с длиной канала 0,5-0,3 мкм проявляются уже размерные эффекты. На рис. 4 представлены стоковые характеристики кольцевых -канальных транзисторов с длиной канала 3 мкм. На характеристиках не заметно ни кинк-эффекта, ни влияния смыкания истока со стоком. Для сравнения на рис. 5 приведены стоковые характеристики -канального транзистора с длиной канала 0,3 мкм. Как видно на рис. 5, ток не насыщается при , а продолжает возрастать, и, кроме того, заметна некоторая сверхлинейность на этом участке характеристики.

Рис. 4. Стоковые характеристики n-канального КНИ-МОП-транзистора с длиной канала 3 мкм	Рис. 5. Стоковые характеристики n-канального транзистора с длиной канала 3 мкм

На рис. 6 показаны затворные характеристики -канальных транзисторов с длиной канала 0,5 и 0,35 мкм. Видно, что подпороговые токи на транзисторе с  мкм больше, чем на транзисторе с  мкм, что, по-видимому, объясняется влиянием смыкания стока с истоком.

Из анализа транзисторных характеристик получено, что -канальные транзисторы при  В имеют ток насыщения канала 1,3 А/см и удельную проводимость канала при малых , равную 0,5 См/см. Ток канала -канальных транзисторов при  В составляет 0,7 А/см, а удельная проводимость при малых равна 0,2 См/см. Токи утечки транзисторов не превышают 10^-9 А при ширине канала 20 мкм.

На рис. 7 показана характеристика инвертора. Характеристика имеет обычную форму. Токи, потребляемые из источника питания, не превышают 10^-9 А. Действующими также оказались схемы 2И и кольцевого генератора. По-видимому, из-за низких значений подвижности (табл. 3) рабочая частота генератора оказалась меньше расчетной и составляла 14 МГц.

Рис. 6. Затворные характеристики p-канальных транзисторов с длинами канала 0,3 и 0,5 мкм в логарифмическом масштабе	Рис. 7. Характеристика переключения инвертора на транзисторах с длиной канала 0,5 мкм при разных напряжениях питания VD

В целом, анализ работоспособности выполненных на основе КНИ-структур МОП-транзисторов и элементарных логических схем показал возможность использования технологии, разработанной для объемного кремния.

Полученные КНИ-структуры обладают высокими электрофизическими характеристиками, пригодными для создания СБИС: концентрация электронов до 1×10¹⁶ см^-3 и подвижность более 500 см/(В×с); плотность состояний на границе Si/SiO₂ (1-5) 10¹¹ см^-2, заряд в захороненном окисле SiO₂ ~ (2-4 10¹¹ см^-2, пробивное поле более 5×10⁶ В/см.

Разработка технологии водородного переноса и создание пилотной линии обеспечило коллективу Института физики полупроводников СО РАН лидирующее положение в России по созданию высококачественных структур кремний-на-изоляторе (КНИ) для микроэлектроники. На технологию DeleCut получен Российский патент. Следует особо отметить, что в России в настоящее время не существует альтернативных конкурентоспособных вариантов создания КНИ-структур.

Показана работоспособность КНИ МОП-транзисторов и элементарных логических схем и возможность переноса технологии, разработанной для объемного кремния. Получено, что -канальные транзисторы при  В имеют ток насыщения канала 1,3 А/см и удельную проводимость канала при малых См/см. Ток насыщения канала -канальных транзисторов при  В составляет 0,7 А/см, а удельная проводимость при малых равна 0,2 См/см. Токи утечки транзисторов не превышают 10^-9 при ширине канала 20 мкм.

Список литературы

1. Попов В.П., Антонова А.И., Миронова Л.В., Стась В.Ф. Патент РФ № 99120527 / 28 (021735) от 28.09.99 г.

2. Chau R., Kavalieros J., Schenker R., Roberds В., Lionberger D., Barlage D., Doyle В., Arghavani R. and Murthy F. Abstracts of Session 3: CMOS Devices- Sub-50nm Devices // Abstracts of International Electron Device Meeting. Technical Program, San-Francisco. 2000.

3. Bruel M. // Electron. Lett. 31, 1201. 1995.

4. Tong Q.-Y. and Goesele U. Wafer bonding // Wiley-Inter-science Publication, NY, 1999. P. 52.

5. Popov V.P., Antonova I.V., Stas V.F., Mironova L.V., Gutakovskii A.K., Spesivtsev E.V., Franzusov A.A., Mardegov A.S., Feofanov G. // Mat. Science&Engineering. B73. 82. 2000.

6. Antonova I.V., Popov V.P., Stas V.F., Gutakovskii A.K., Plotnikov A.E., Obodnikov V.I. // Microelectronic Engineering. 48. 383. 1999.

7. Антонова И.В., Стась В.Ф., Попов В.П., Ободннков В.И., Гутаковский А.К. // ФТП. 34. 1095. 2000.

8. Антонова И.В., Стано Й., Николаев Д.В., Наумова О.В., Попов В.П., Скуратов В.А. // ФТП. 35. 948. 2001.

9. Farmer J.W., Lamp С.D., Meese J.M. // Appl. Phys. Lett. 41. 1064. 1982.

10. Антонова И.В., Стано Й., Николаев Д.В., Наумова О.В., Попов В.П., Скуратов В.А. // ФТП (в печати).

Наверх