ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ТИПА
"КРЕМНИЙ НА ПОРИСТОМ КРЕМНИИ"
И СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ



Исследования в данном направлении ведутся под научным руководством к. ф-м. н., с. н. с. ИФП СО РАН Романова С. И.

1. Общая оценка положения в области критических технологий и цель предлагаемой разработки

Как показывает анализ развития электронной техники в мире, большинство разделов утвержденного Федерального перечня критических технологий РФ может быть реализовано на элементной базе экстремальной электроники, т.е. в сфере создания материалов и приборов, функционирующий при высоких температурах, в интенсивных радиационных полях и агрессивных средах. Основу экстремальной электроники составляют технологии <кремний-на-диэлектрике> (КНД), широкозонных алмазоподобных полупроводников и диэлектриков (карбид кремния, нитриды алюминия и галлия, алмаз, углерод), в направлении которых имеет место лавинообразный рост работ. Разработкам ''экстремальных'' материалов и их композиций посвящены интенсивно проводимые международные конференции и симпозиумы с участием представителей крупнейших частных и государственных компаний и организаций.

Существующее положение дел в РФ в области КНД-технологий представляется крайне тревожным. Структуры КНД выпускаются в России только в виде <кремний-на-сапфире> и давно устарели. Новых отечественных разработок, готовых в ближайшее время к освоению электронной промышленностью трудно ожидать. Попытки поставить у себя зарубежные технологии SIMOX, WB, Smart Cut не имеют перспективы в долгосрочном плане с позиций независимости и конкурентноспособности отечественной промышленности и продукции.

В связи с этим остро стоит вопрос о приоритетных разработках в области КНД-технологий, которые реально изменили бы сложившуюся ситуацию и позволили восстановить паритет в одной из критических, наиболее наукоемких и практически значимых направлений современной электроники.

НПП НЗПП с ОКБ совместно с ИФП СО РАН проводит разработку технологии КНД-структур, не имеющую аналогов в мире и претендующую на быструю реализацию на существующем в настоящее время отечественном оборудовании. С ее помощью станет возможным изготовление кремниевых пластин со скрытым диэлектриком и качественным приборным слоем кремния, применение которых в промышленности обеспечит скачок в развитии как существующих, так и перспективных технологий производства интегральных схем (ИС) различного функционального назначения.

2. Краткая характеристика положения дел в области предлагаемой разработки

В настоящее время структуры КНД рассматриваются как наиболее перспективный материал дл производства КМОП и БиКМОП ИС на основании того, что по сравнению с <объемными> СБИС их применение позволит увеличить

На базе КНД-технологий с переходом на субмикронную топологию ИС возможна реализация плотности упаковки 10-100 млн. эл./кр., быстродействи микропроцессоров до 10-100 млн. опер./с, информационной емкости ДОЗУ до 4-16 Мбит, максимальной рабочей частоты ИС до 1.5 ГГц.

Ведущие электронные фирмы за рубежом интенсивно занимаются разработками технологий КНД и приборов на их основе. На данный момент сформировались следующие технологические направления:

До промышленного производства доведена технология SIMOX. Фирмы SOITEC (Франция), Ibis Technology Corporation (США) предлагают пластины КНД диаметром 100-200 мм, имеющие захороненный диэлектрик толщиной 0.08-0.4 мкм и приборный слой кремния 0.05-0.2 мкм с плотностью дислокаций 1-5 × 10-4см -2. Стоимость КНД структур составляет ~ US$125 за пластины диаметром 100 мм, ~ US$250 - 150 мм и свыше US$500 за пластины 200 мм. Высокая цена структур обусловлена использованием в технологии SIMOX нестандартного сильноточного ускорителя ионов кислорода. Ожидается, что эта величина станет запредельной при неизбежном переходе полупроводниковой промышленности в будущем на работу с пластинами 300 мм. Высокие значения плотности дефектов в рабочих слоях и цена структур являются серьезным препятствием для применения SIMOX-пластин в массовом производстве электронных изделий.

Технология WAFER BONDING (WB) существует в двух вариантах:


слои кремния на диэлектрике. В первом случае получают практически без дефектов рабочие структуры, и на сегодняшний момент эта технология WB не имеет конкурентов в области силовой электроники и аналоговых приборов. Однако в субмикронном варианте, предназначенном, как и SIMOX, для изготовления низковольтной быстродействующей аппаратуры на базе КМОП и БиКМОП КНД ИС, проблемы остались прежними: высокая плотность дефектов (~104 см -2), и аналогичная цена. Фирма SiBond (США) предлагает на рынке электронных материалов WB-пластины, выполненные в обоих вариантах и имеющие рабочие слои кремни 0.05 - 700 мкм на изолирующей пленке оксида кремния толщиной 0.01 - 3.0 мкм.

Технология SMART CUT (SC) включает в себя элементы обоих представленных выше технологий, а именно: ионную имплантацию и сращивание пластин. Несмотря на то, что в технологии SC используется стандартное производственное оборудование, и, следовательно, остаетс перспектива постоянно находиться в русле текущих разработок, ее недостатки довольно серьезные: большое число технологических операций, высокая цена изделия и ограниченна возможность варьировать параметрами КНД структуры. Фирма SOITEC (Франция) выставляет на рынок SC-пластины, указывая основные параметры без интервала допустимых изменений: толщины рабочего слоя кремния и диэлектрика, соответственно, 0.2 мкм и 0.4 мкм. Однако низкая плотность дислокаций в структурах, составляющая величину 102 см -2, привлекает внимание производителей электронной аппаратуры.

Эпитаксия кремния на пористом кремнии (ПК) с последующим превращением ПК в слой диэлектрика оксида кремния является перспективным направлением изготовления структур КНД. Методами низкотемпературной плазмохимической и молекулярно-лучевой эпитаксии получены высококачественные пленки, в которых после создания КНД структур с островковой топологией, были изготовлены МОП-транзисторы с превосходными характеристиками. Тем не менее, применение данной технологии для массового производства КНД ИС крайне проблематично по той причине, что схема изготавливаемого прибора должна быть согласована с топологией приобретаемой КНД структуры, а такая ситуация не устраивает большинство производителей электронной аппаратуры.

Пластины Si со структурой КНД приобретаются фирмами США (Motorola, Texas Instruments), Японии (NTT, Mitsubishi Electric, Toshiba), Кореи (Samsung) в основном для проведени НИОКР. Серийное производство тормозит высокая стоимость КНИ-пластин, более 250 долларов за структуру диаметром 150 мм. В этом состоит основной недостаток существующих КНД-технологий. За высокой ценой скрывается необходимость использовать сложное спецоборудование и новые технологические участки, которые отсутствуют на типичных кремниевых линейках. И тем не менее, серийное производство КНД ИС не за горами - уникальные приборные возможности КНД-структур заставляют производителей электронной аппаратуры сконцентрировать все усилия на усовершенствование известных разработок и на поиск новых.

Россия в этом поиске практически не участвует. Попытки продублировать технологии SIMOX, WB, Smart Cut, даже если и приведут к положительному результату, не позволят добитьс лучших показателей и выйти на рынок с конкурентноспособной продукцией. Необходимы собственные приоритетные разработки. На данный момент можно утверждать, что в мире пока не существует признанной КНД-технологии, способной обеспечить массовое производство изделий электронной техники. Для этого она должна отвечать прежде всего двум главным требованиям: высокое качество и низкая стоимость пластин КНД.

3. Предлагаемые решения, преимущества технологии и состояние разработки в настоящее время

Мы предлагаем разработать принципиально новую высокоэффективную технологию, использу решения, которые должны резко снизить себестоимость продукции без потери качества. Суть ее состоит в том, что скрытый диэлектрический слой, который изолирует рабочую кремниевую пленку от подложки, создается не ионной имплантацией кислорода, как в SIMOX-технологии, и не сращиванием окисленных пластин, как в WB-технологии, а проведением электрохимического окисления подложки через верхний слой пористого кремния, который формируется предварительно другой электрохимической операцией травления кремния. Последующая эпитаксия кремния на монокристаллическом пористом кремнии со скрытым окисным слоем завершает изготовление КНД-структуры. На эту технологию, получившую название КНПК СОС-технологи (Кремний-На-Пористом Кремнии со Скрытым Окисным Слоем), получены два патента РФ в 1997 году.

Данная технология прошла лабораторные испытания в варианте с молекулярно-лучевой эпитаксией. Получены тестовые КНД-структуры с неплохими характеристиками. Однако на промышленный уровень с последующим быстрым внедрением в производство КНПК СОС-технологи может выйти только в связке с широко применяемой в полупроводниковой промышленности газофазной эпитаксией (ГФЭ) кремния.

По сравнению с зарубежными разработками предлагаемая КНПК СОС-технология будет иметь следующие преимущества:

По нашим оценкам цена пластины КНД может быть не более чем в 4 раза выше стоимости монолитной кремниевой пластины. Преимуществом предлагаемой технологии является также фактор быстрой адаптации к отечественным технологическим линиям по производству электронных приборов, поскольку не потребуется разработка дополнительного базового оборудования.

4. Инновационный потенциал разработки

Реализация предлагаемой КНД-технологии обеспечит автономию России в выпуске полной номенклатуры изделий электронной техники. Только в области электронного приборостроени станут возможными разработки и организация производства широкой гаммы дискретных приборов и ИС с недостижимыми ранее потребительскими свойствами, появятся новые сферы применения. Наряду с традиционными потребителями в лице разработчиков военной и космической техники возросшие технические и эксплуатационные характеристики этих изделий откроют доступ в авиационную, автомобильную, нефтехимическую промышленности, на предприятия ядерной энергетики, испытывающей хроническую потребность в приборах экстремальной электроники на основе элементной базы КНД.

Потенциальными заказчиками КНД-структур могут стать электронные предприятия России, заинтересованные в производстве КНД ИС, а при закреплении приоритета технологии за рубежом (получение зарубежных патентов) возможен выход и на экспортные поставки.

Предполагается организовать пилотную, а затем и промышленную линии по производству пластин со структурой КНД на базе НПП НЗПП с ОКБ и ИФП СО РАН с последующей их реализацией отечественным и зарубежным заказчикам.

На главную страницу