CC BY
129
УДК 681.324.687
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КМОП-МИКРОСХЕМ КОНВЕРТОРНОГО ТИПА С ПОДЛОЖКАМИ «КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ»
С.И. Рембеза, В.С. Кононов
Проведен анализ способов создания КНИ-подложек. Показана возможность интеграции диодов специальной формы для источников опорных напряжений в составе КМОП-микросхем на основе КНИ-подложек, изготовленных на специализированных предприятиях
Ключевые слова: кремний на изоляторе, КМОП, конвертор, источник опорного напряжения
В последние годы наблюдается тенденция «конверторизации» КМОП-микросхем,
заключающаяся в размещении на одном кристалле аналоговых и цифровых блоков большой вычислительной мощности. Наиболее яркими представителями микросхем такого типа являются аналоговые контроллеры и процессоры, которые, в сущности, представляют собой интегральный симбиоз обычных цифровых контроллеров или процессоров и аналого-цифровых (АЦП) или цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей,
выполняющих функции аналоговых
интерфейсов. Такие изделия принято называть конверторами [1]. Отсюда и термин «конверторизация».
Другими заметными представителями микросхем конверторного типа являются многоканальные аналого-цифровые
радиоприемные и приемопередающие
устройства типа ADC-DDC и ADC-DDC-DUC-DAC соответственно [2, 3]. Здесь DDC и DUC -цифровые преобразователи с понижением и повышением частоты соответственно, а ADC и DAC - английские аббревиатуры,
соответствующие российским обозначениям АЦП и ЦАП. В отличие от обычных конверторов, в которых цифровые контроллеры или процессоры осуществляют цифровую обработку сигналов по встроенным или вводимым программам, эти устройства выполняют аналогичные функции на аппаратном уровне.
Рассмотрим технологические особенности создания КМОП-микросхем конверторного типа на подложках «кремний на изоляторе» (КНИ).
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 243-76-95 Кононов Владимир Сергеевич - ВГТУ, соискатель, тел. (473) 223-46-79
I. Способы создания КНИ-подложек
На современном уровне развития технологий изготовление кристаллов микросхем конверторного типа представляет собой вполне решаемую задачу. Наиболее просто эта задача решается на основе объемного кремния. Однако КМОП-микросхемы на объемном кремнии имеют низкую стойкость к ионизирующим излучениям и склонны к возникновению тиристорного эффекта. При использовании КНИ-технологии эти недостатки существенно минимизируются, но возникают определенные трудности, которые описаны ниже.
КНИ-подложки изготавливаются обычно на специализированных предприятиях,
которые не занимаются непосредственно производством микросхем. Это связано с необходимостью использования
специализированного оборудования для ионного легирования кремниевых подложек или, наоборот, создания диэлектрических подложек. Такое оборудование не является стандартным для производства микросхем.
Существует три способа создания КНИ-подложек, основанных на методах «спекания», легирования исходных кремниевых подложек ионами кислорода и выращивания тонких слоев кремния на сапфировых подложках [4, 5].
Метод спекания основан, в буквальном смысле, на спекании поверхностей двух кремниевых подложек, одна из которых предварительно окислена. Спекание происходит между поверхностью окисла на одной подложке и неокисленной поверхностью другой подложки (рис. 1). В результате
спекания ранее неокисленная подложка становится несущей, а другая подложка после механической шлифовки и последующей химической полировки превращается в тонкий слой кремния, который в дальнейшем используется для создания компонентов
а)
позволяет создать на одном кристалле микросхему конверторного типа со встроенным источником опорного напряжения (ИОН) высокого качества.
а)
р у 4 3 р ✓
У/ '// У/ ' / '// '// '
р у 1
1
Р
3
2
3
1
4
б)
Рис.1. Структуры подложек до (а) и после (б) спекания 1 - неокисленная подложка; 2 - окисленная подложка;
3 - слой окисла; 4 - тонкий слой кремния
типа транзисторов, диодов, резисторов и др.
Метод спекания позволяет создать поверхностный слой кремния толщиной не менее 2-4 мкм, так как он основан на использовании механической шлифовки, которая не обеспечивает более высокую точность при контроле толщины кремния. Поэтому этот метод нашел применение в производстве микросхем силовой электроники, для которых большая толщина кремния является, наоборот, принципиально
необходимой.
Для микросхем конверторного типа требуются слои кремния толщиной не более 0,14-0,19 мкм [6]. Эта задача решается при использовании методов, описанных в [5].
Первый метод позволяет создать скрытый слой окисла на глубине 0,14-0,19 мкм путем высокоэнергетического легирования кремния ионами кислорода и последующего отжига (рис.2, а). Эффективная толщина полученного таким способом слоя окисла, как показывает практика, составляет около 0,16-0,18 мкм. По сравнению со вторым методом, основанным на использовании сапфировых подложек (рис.2, б), этот метод является наиболее перспективным, так как, согласно [6], он
б)
Рис.2. КНИ-структуры на р-подложке со скрытым изолирующим окислом (а) и на сапфировой подложке (б)
1 - тонкий слой кремния; 2 - скрытый окисел;
3 - подложка Р-типа; 4 - сапфировая подложка
II. Особенности изготовления микросхем на основе КНИ-подложек со скрытым окислом
Как было сказано выше, КНИ-подложки обычно изготавливаются на
специализированных предприятиях, где
осуществляется легирование кремния ионами кислорода в открытую поверхность без использования технологических масок. В дальнейшем это приводит к технологическим трудностям, которые возникают при создании диодов для ИОН в несущей подложке.
Для эффективного использования таких диодов в ИОН необходимо, чтобы они имели высокую крутизну вольтамперной
характеристики и низкие паразитные сопротивления областей р- и п-типа, прилегающих к рп-переходу диода. Кроме того, для обеспечения высокой стабильности ИОН важно, чтобы диоды имели, по-возможности, наиболее высокое соотношение между площадью основания и периметром. Известно, что максимально возможное соотношение такого типа имеют диоды в форме круга и, затем, квадрата.
Реализация рассматриваемого
соотношения обеспечивает оптимальную
«рабочую точку» по току при минимально возможном периметре, который, соприкасаясь с окислом на поверхности кремния, может оказывать определенное влияние на шумовые характеристики и долговременную
стабильность ИОН. Следует, однако, признать, что это влияние не должно быть значительным, так как диоды в ИОН работают при прямом включении.
Вариант интеграции диодов для ИОН в КМОП-КНИ-микросхему показан на рис. 3.
У/
Pk
'// '//
У/
Пк
'// '//
11
Pk
б)
12 13 12
P
П+
I
'//
'//
Пк
в)
Рис.3. Маршрут интеграции диодов для ИОН в КМОП-КНИ-микросхему 1 - поликремниевый затвор; 2 - подзатворный окисел;
3 - первый слой фоторезиста; 4 - карман ММОП-транзистора; 5 - глубокий окисел; 6 - тонкий слой кремния; 7 - сток РМОП-транзистора; 8 - карман РМОП-транзистора; 9 - скрытый окисел; 10 - несущая подложка; 11 - сток ММОП-транзистора; 12 - второй слой фоторезиста; 13 - диодная п+ - область
Процесс интеграции начинается после того, как в КНИ-подложке будет создана глубокая (trench) изоляция (рис.3(5)), пролегированы карманы для РМОП- и NMOn-транзисторов (рис.3(4,8)), выращен
подзатворный окисел (рис.3(2)), сформированы поликремниевые затворы (рис.3(1)) и созданы сток/истоковые области РМОП-транзисторов (рис.3(7)). Затем через фоторезистивную маску (рис.3(3)) производится последовательное плазмохимическое травление тонкого слоя кремния и скрытого окисла.
Процесс травления легко выполняется в одной технологической установке при смене газовых смесей для травления Si и SiO2 соответственно. В многокамерной установке пластина просто перемещается из камеры для Si в камеру для SiO2.
После травления в пластине образуются окна (рис. 3, б), которые используются для легирования несущей подложки ионами фосфора. В результате такого легирования создаются диодные n+ - области (рис.3(13)) и одновременно с ними сток/истоковые области NMOn-транзисторов (рис.3(11)).
III. Заключение
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
1. Наиболее перспективными КНИ-
подложками для КМОП-микросхем
конверторного типа являются подложки со скрытым слоем изолирующего окисла толщиной 0,16-0,18 мкм (рис.3(9)).
2. При использовании КНИ-подложек, изготовленных на специализированных предприятиях, процесс интеграции диодов для ИОН в КМОП-микросхему удается реализовать путем последовательного плазмохимического травления через фоторезистивную маску (рис.3(3)) тонкого слоя кремния (рис.3(6)) и скрытого окисла (рис.3(9)), и последующего легирования несущей подложки p-типа (рис.3(10)) ионами фосфора.
3. Для достижения оптимальных шумовых характеристик и стабильности (в том числе долговременной) ИОН диоды должны изготавливаться в форме круга или, в крайнем случае, квадрата.
+
P
P
P
P
+
+
P
P
П
P
Литература
1. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование / У.
Кестер // перевод с англ. под редакцией Е.Б. Володина. -М.: Техносфера. - 2007. - 1016с.
2. GC018: 8 - channel wideband receiver // Texas Instruments. - 2005. - 131 p, slws169a, www.TI.com.
3. GC016: wideband quad digital down-converter / up-converter // Texas Instruments. - 2003. - 85 p, slws142J, www.TI.com.
4. Colinge Y. Silicon-on-Insulator Technology / Y.
Colinge // Vaterials to VLSI / Kluwer Academic Publishers. -1997.
Воронежский государственный технический университет
DETAILS OF SILICON-ON-INSULATOR CMOS IC CONVERTERS FABRICATION
TECHNOLOGY
S.I. Rembeza, V.S. Kononov
The analysis of fabrication methods of silicon-on-insulator was done. It is shown, that there is a possibility to integrate diodes of special form made on specialized facilities for voltage references inside silicon-on-insulator CMOS IC
Key words: silicon-on-insulator, CMOS, voltage reference, converter
5. Эффекты космической радиации в микроэлектронике / Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. - 1988. - т.76. - №11, с.52.
6. Рембеза С.И. Высокоскоростные аналогоцифровые преобразователи на КМОП-транзисторах и подложках «кремний на изоляторе» / С.И.Рембеза,
В. С. Кононов // Вестник воронежского государственного технического университета. - 2010. - т.6. - №12, с.206-212.
