Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19880321Elc032.shtml

Эффективные методы изготовления СБИС повышенной радиационной стойкости

УДК 621.3.049.771.14:539.16

Самьюэл Уэбер (Samuel Weber)
Редакция Electronics

Samuel Weber. A better way to protect VLSI circuits from radiation, pp.127—129.

Рассматриваются разрабатываемые компанией TI технологические процессы изготовления СБИС с изоляцией скрытыми слоями окисла. Эти процессы, предназначенные для получения приборов повышенной радиационной стойкости, в перспективе способны заменить технологию ИС на сапфировых подложках и традиционную технологию ИС с диэлектрической изоляцией.

Новые технологические методы изготовления полупроводников ИС повышенной радиационной стойкости открывают реальные перспективы выполнения повышенных технических требований к быстродействию и плотности упаковки, характерных для наступившей эры СБИС. Эти методы, основанные на применении окисла для изоляции схемных элементов, в состоянии заменить прежние технологии ИС на сапфировых подложках и ИС с диэлектрической изоляцией, которые в течение длительного времени занимали доминирующее положение в производстве радиационно-стойких кристаллов.

Специалисты компании Texas Instruments Inc. в настоящее время сосредоточивают свои усилия на разработке и отладке четырех видов технологии на основе изоляции окислом. Все эти технологические процессы предназначены главным образом для производства КМОП-схем, которые быстрыми темпами завоевывают доминирующее положение в области СБИС, однако это вовсе не исключает возможности применения новых технологий и для производства биполярных схем.

Из четырех типов технологии на основе изоляции окислом, разрабатываемых в компании TI, два, похоже, будут освоены в производстве уже в самом ближайшем будущем. Один из них — метод Simox (separation by implanted oxygen — разделение имплантированным кислородом) — известен так же, как технология «кремний-на-диэлектрике» со скрытым окисным слоем, и обеспечивает наивысшее на сегодняшний день качество монокристаллической пленки кремния для изготовления приборов уровня СБИС. Второй метод — высокотемпературное соединение пластин — впервые был анонсирован в 1982г. компанией IBM Corp. До недавнего времени практической реализации этого метода препятствовала его чувствительность к загрязнениям мелкими частицами, однако он весьма привлекателен для разработчиков ИС, так как обладает многими технологическими атрибутами современных методов диэлектрической изоляции.

Два других метода — Fipos (full isolation by porous oxidized silicon — полная изоляция пористым окисленным кремнием) и ZMR (zone melt recrystallization — рекристаллизация зонным плавлением). На материалах, полученных методами Fipos и ZMR, уже успешно изготовлены опытные образцы ИС, однако специалисты компании TI концентрируют сегодня свои усилия на двух первых методах, поскольку они характеризуются высоким качеством получаемого с их помощью полупроводникового материала и совместимостью с современными полупроводниковыми технологиями.

На данный момент компания TI использует свои методы на основе изоляции окислом для производства статических ЗУ с произвольной выборкой, так как приборы памяти хорошо подходят для изготовления по технологии «кремний-на-диэлектрике». Все четыре метода представляют собой конкретные реализации обобщенной технологии, носящей название «кремний-на-диэлектрике». К этой же категории относятся и два технологических процесса с 20-летней историей, с помощью которых сегодня изготавливается большинство радиационно-стойких ИС: технология ИС со структурой «кремний-на-сапфире» и технология ИС с диэлектрической изоляцией.

Хотя в широком смысле слова эти методы на основе изоляции окислом включают в себя и два прежних метода, однако новые методы имеют ряд преимуществ по сравнению со своими предшественниками. Помимо всего прочего, окисел достаточно дешев, особенно в сравнении с сапфиром. Кроме того, вопросы его применения хорошо изучены, так как он представляет собой тот же самый материал, из которого в настоящее время выполняются элементы структур различных ИС.

Более важную роль играет то обстоятельство, что усовершенствованная технология «кремний-на-диэлектрике» (КНД) необходим для того, чтобы при изготовлении СБИС преодолеть ограничения, свойственные прежним методам данного класса. Например, для пластин с диэлектрической изоляцией и одним уровнем поликремния допуск на толщину слоя для активных приборов равен ±3 мкм, тогда как для технологии с формированием окисла методом имплантации этот допуск можно снизить до ±0,01 мкм. Такой большой разброс толщины в технологии с диэлектрической изоляцией и одном слоем поликремния ограничивает плотность упаковки, так как промежутки между отдельными приборными областями составляют для нее примерно 23 мкм. При изоляции окислом этот промежуток сокращается до 10 мкм, однако в будущем при создании СБИС потребуется его дальнейшее сокращение — до 2—4 мкм.

Другие недостатки технологии с диэлектрической изоляцией — это ограничение на размер пластин (не более 100 мм) и высокая стоимость их изготовления. Данная технология характеризуется низким выходом годных и высокой трудоемкостью — типовая стоимость обработки 100-мм пластины составляет 150 долл., а 75-мм пластины — около 100 долл.

Аналогичные проблемы высокой стоимости характерны и для КНС-технологии. Сапфир представляет собой хрупкий и прозрачный материал подложки, для применения которого требуется изготавливать КНС-приборы на специальном предприятии. Для сапфира также существуют проблемы качества подложек. Несогласованность кристаллических решеток сапфира и эпитаксиального кремниевого слоя вызывает появление в кремнии дефектов, которые ухудшают рабочие характеристики приборов. Сапфир довольно трудно приобрести — в настоящее время в США имеется всего один поставщик этого материала, история деятельности которого изобилует многочисленными производственными проблемами.

И напротив, из всех разновидностей КНД-технологии технология Simox является самой простой. Формирование диэлектрического материала требует всего двух дополнительных технологических операций (ионной имплантации и отжига) вводимых в стандартную последовательность операций изготовления ИС (рис.1а). Эти дополнительные операции хорошо изучены инженерами-технологами. В методе Simox используется имплантация кислорода, поэтому первая его технологическая операция — это имплантация ионов кислорода с очень большой дозой (1018 см-2) и высокой энергией внедрения (более 150 кэВ). Следом за ней выполняется высокотемпературный отжиг пластин при температуре, превышающей 1150°С.

В число главных прорабатываемых компанией TI КНД-технологий входят метод Simox (а), который представляет собой стандартную технологию, дополненную все
Рис.1. В число главных прорабатываемых компанией TI КНД-технологий входят метод Simox (а), который представляет собой стандартную технологию, дополненную всего двумя операциями, и метод высокотемпературного соединения пластин (б), предусматривающий сварку двух окисленных пластин лицевыми сторонами друг к другу.

После отжига на поверхности пластины остается тонкий слой (около 0,1 мкм) монокристаллического кремния, отделенный от материала подложки слоем двуокиси кремния толщиной 0,3—0,5 мкм. Для последующего изготовления КМОП-схем на пластине выращивается эпитаксиальный слой толщиной 0,3—0,5 мкм. После завершения обработки пластин истоки и стоки МОП-транзисторов непосредственно смыкаются со скрытым окисным слоем. В результате достигается значительное снижение емкостей переходов, что дает двукратное повышение быстродействия по сравнению с ИС, выполненными на монолитном кремнии с такими же проектными нормами.

Для изготовления биполярных ИС методом Simox требуется формирование двух эпитаксиальных слоев. Первый из них — скрытый n+-слой — предназначен для уменьшения коллекторных сопротивлений. Второй слой предназначен непосредственно для изготовления активных элементов и его толщина зависит от проектных норм изготовления ИС. Толщина этого слоя, а также параметры и режимы всех последующих технологических операций полностью идентичны тем, которые применяются при изготовлении ИС аналогичного функционального назначения на монолитных кремниевых подложках.

Вторая разновидность КНД-технологии, разрабатываемая специалистами компании TI,— метод высокотемпературного соединения пластин — представляется особенно перспективной для повышения радиационной стойкости биполярных ИС. Она предусматривает высокотемпературную сварку двух окисленных пластин лицевыми поверхностями друг к другу (рис.1б). Высокая температура обеспечивает сваривание («сращивание») поверхностей обеих соединяемых пластин.

Такое соединение пластин позволяет исключить из технологии с диэлектрической изоляцией и одним слоем поликремния длительную операцию высокотемпературного осаждения поликремния. В результате становится возможным применение других методов формирования тонкого приборного слоя кремния, причем со значительно более точным контролем толщины этого слоя. Точный контроль толщины в совокупности с изоляцией канавками позволяет решить две главные проблемы метода диэлектрической изоляции с одним слоем поликремния: проблему контроля толщины слоя и проблему повышения плотности упаковки.

При высокотемпературном соединении пластин материал подложки сохраняется, поэтому приборный слой кремния в данном случае имеет самую низкую плотность дефектов по сравнению с любыми промышленными или разрабатываемыми в настоящее время КНД-технологиями. По плотности упаковки новый метод не уступает существующим технологиям на базе монолитного кремния, а по размерам пластин и требованиям к технологическому процессу он совместим с современными серийными технологиями ИС. Главный недостаток метода высокотемпературного соединения пластин — это его стоимость. В настоящее время этот процесс достаточно продолжителен и трудоемок. Представители компании TI говорят, что дополнительные исследования и разработки позволят в ближайшем будущем значительно улучшить технико-экономические показатели нового метода.

Тем временем специалисты компании TI успешно изготовили с помощью метода Simox образцы биполярных транзисторов. Как и для всех других разновидностей КНД-технологии, при изготовлении биполярных приборов методом Simox для получения оптимальной плотности упаковки необходимо использовать изоляцию канавками. В биполярных транзисторах компании TI, изолированных канавками, использованы проектные нормы как цифровых, так и линейных ИС — 8-мкм канавки для цифровых и 15-мкм канавки для линейных приборов (рис.2).

Изолирующие канавки позволяют изготавливать биполярные приборы с высокой плотностью упаковки; показанная изолирующая канавка шириной 2 мкм содержит ма
Рис.2. Изолирующие канавки позволяют изготавливать биполярные приборы с высокой плотностью упаковки; показанная изолирующая канавка шириной 2 мкм содержит материал-наполнитель.

Из двух других технологий на базе изоляции окислом наибольшего внимания заслуживает технология Fipos, так как она позволяет получать активные кремниевые области почти без дефектов. Однако она менее совместима с КМОП-технологиями на базе монолитного кремния, чем другие разновидности КНД-технологии, так как формирование КНД-структуры в ней начинается только с началом собственно технологического процесса изготовления приборов. Для технологии Fipos характерны и другие проблемы: разделение приборных «островков» и трудность контроля их размеров. Метод ZMR представляет собой недорогой способ изготовления подложек с помощью технологических систем с графитовыми линейными нагревательными элементами. Данная технология совместима с КМОП-технологией на монолитных подложках, однако возможность её адаптации для более крупных пластин пока остается под сомнением.

Для демонстрации возможностей своих новых технологических процессов компания TI ориентируется на первых порах на статические ЗУПВ. Специалисты компании уже изготовили с помощью технологии Simox оптические КМОП ЗУПВ емкостью 16К с 1,25-мкм проектными нормами (рис.3). Выбор статических ЗУПВ объясняется теми же причинами, по которым первые разработки в области технологии КМОП-схем на сапфировых подложках также были ориентированы именно на создание ЗУ. Речь идет о специфических проблемах радиационной стойкости, известных под названием одиночных сбойных событий.

Статическое ЗУПВ емкостью 16К, изготовленное по технологии Simox с 1,25-мкм проектными нормами, устойчиво к защелкиванию.
Рис.3. Статическое ЗУПВ емкостью 16К, изготовленное по технологии Simox с 1,25-мкм проектными нормами, устойчиво к защелкиванию.

Такое одиночное сбойное событие представляет собой изменение напряжения в схемном узле под действием частицы с высокой энергией, например тяжелого иона, образовавшегося под действием космических лучей. Приборы памяти особенно восприимчивы к таким сбоям, так как их электрические узлы имеют относительно малую электрическую емкость и нагрузочную способность.

Уже в течение длительного времени известно, что КНД-приборы менее восприимчивы к одиночным сбойным событиям, чем их аналоги на монолитных кремниевых подложках. Технологические КНД-методы уменьшают количество заряда, которое может накапливаться узлом. Чем тоньше кремниевая пленка, тем меньше объем, из которого может собираться заряд. Кроме того, если стоковые-истоковые переходы примыкают к находящемуся под ними диэлектрику, то в этой области места для накапливания зарядов не остается.

Единственный чувствительный участок остается только под затвором (узел подложки). Таким образом, сочетание меньшего объема и уменьшения площади поперечного сечения существенно снижают восприимчивость статических ЗУПВ к одиночным сбойным событиям.

В статическом ЗУПВ компании TI структура прибора обеспечивает также невосприимчивость к защелкиванию. Так как в них не требуются дополнительные промежутки между p- и n-канальными приборами, то появляется возможность сделать плотность их упаковки выше, чем даже в КМОП-схемах на монолитных подложках. В таком ЗУ также значительно уменьшены площади переходов, что в свою очередь обусловливает уменьшение емкостей переходов и соответствующее повышение быстродействия. Благодаря уменьшению площадей переходов уменьшаются и их полные токи утечки при фиксированном удельном токе утечки (на единицу площади).

Дочерние статьи:

Как КНД-технология повышает радиационную стойкость ИС

Компания TI - лидер в области Simox-технологии

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.24 (782), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.48

Electronics Vol.60 No.24 November 26, 1987 A McGraw-Hill Publication

Samuel Weber. A better way to protect VLSI circuits from radiation, pp.127—129.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Военная электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19880321Elc032.shtml