Технология «кремний на изоляторе

Технология «кремний на изоляторе» (КНИ, англ. Silicon on Insulator, SOI) — это технология изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, при которой активный слой кремния, в котором формируются транзисторы и другие элементы, отделён от подложки тонким слоем диэлектрика (обычно диоксида кремния). Основное отличие КНИ от традиционной объёмной кремниевой технологии (bulk CMOS) заключается в наличии изолирующего слоя, который существенно снижает паразитные ёмкости и токи утечки, что позволяет повысить быстродействие, снизить энергопотребление и улучшить радиационную стойкость микросхем.

История

Предпосылки и ранние разработки

Идея изоляции активных компонентов от подложки с помощью диэлектрика возникла в 1960-х годах, когда стало очевидно, что паразитные ёмкости и токи утечки в объёмном кремнии ограничивают масштабирование и быстродействие интегральных схем. Первые эксперименты проводились с использованием эпитаксиального выращивания кремния на сапфире (кремний на сапфире, КНС, англ. Silicon on Sapphire, SOS), однако высокая стоимость сапфировых подложек и несовершенство границы раздела ограничили применение этой технологии.

Развитие в 1980–1990-х годах

Прорыв в области КНИ произошёл в 1980-х годах с разработкой метода разделения имплантированным кислородом (SIMOX, Separation by IMplanted OXygen). В этом методе в кремниевую пластину имплантировались ионы кислорода на определённую глубину, а затем проводился высокотемпературный отжиг, в результате которого формировался скрытый слой диоксида кремния. Параллельно развивался метод сращивания пластин (Bonded SOI), при котором две кремниевые пластины с окисленными поверхностями соединялись, а затем одна из них утонялась до требуемой толщины активного слоя.

В 1990-х годах технология КНИ начала активно внедряться в производство специализированных микросхем, в первую очередь для военных и космических применений, где требовалась высокая радиационная стойкость. Компания IBM (организация признана нежелательной в РФ) в 1998 году первой начала серийное производство микропроцессоров на КНИ-подложках для коммерческих серверов.

Современный этап

С начала 2000-х годов технология КНИ стала широко использоваться в производстве высокопроизводительных процессоров, микросхем памяти и радиочастотных устройств. Крупнейшие производители полупроводников, такие как Intel, AMD, TSMC, Samsung, освоили выпуск КНИ-пластин. В настоящее время КНИ является одной из ключевых технологий для производства микросхем с проектными нормами менее 28 нм, особенно в области мобильных устройств и интернета вещей.

Классификация типов КНИ-структур

По типу подложки

• КНИ на кремниевой подложке — наиболее распространённый тип, где в качестве подложки используется стандартный кремний.
• КНИ на сапфире (КНС) — исторически первая реализация, используется для специальных применений, требующих высокой радиационной стойкости.
• КНИ на стекле — применяется в дисплейных технологиях и микроэлектромеханических системах (МЭМС).

По толщине активного слоя

• Частично обеднённый КНИ (Partially Depleted SOI, PD-SOI) — толщина активного слоя кремния больше, чем глубина обеднённой области транзистора. В таких структурах существует плавающий подложечный эффект, который может приводить к нежелательным явлениям, таким как «кислородный эффект» (kink effect).
• Полностью обеднённый КНИ (Fully Depleted SOI, FD-SOI) — толщина активного слоя меньше глубины обеднённой области, что устраняет плавающий подложечный эффект и обеспечивает лучший контроль над каналом транзистора. FD-SOI является перспективной технологией для энергоэффективных микросхем с проектными нормами 28 нм и менее.

По способу формирования

• SIMOX — формирование скрытого оксида путём имплантации кислорода.
• Bonded SOI — сращивание двух пластин с последующим утоньшением одной из них.
• Smart Cut™ — технология, разработанная компанией SOITEC, основанная на имплантации водорода и последующем отщеплении тонкого слоя кремния от донорной пластины. Этот метод позволяет получать высококачественные КНИ-пластины с контролируемой толщиной активного слоя.

Устройство и принцип работы

Структура КНИ-пластины

Типичная КНИ-пластина состоит из трёх основных слоёв:

1. Подложка — толстый слой кремния (обычно 500–700 мкм), обеспечивающий механическую прочность.
2. Скрытый оксид (Buried Oxide, BOX) — тонкий слой диоксида кремния (обычно 10–200 нм), выполняющий роль изолятора.
3. Активный слой кремния — тонкий слой кремния (обычно 10–100 нм для FD-SOI), в котором формируются транзисторы и другие элементы.

Преимущества перед объёмным кремнием

• Снижение паразитных ёмкостей: Изоляция активного слоя от подложки уменьшает ёмкость между контактами и подложкой, что позволяет повысить частоту переключения транзисторов.
• Уменьшение токов утечки: Скрытый оксид блокирует утечку тока через подложку, что особенно важно для низковольтных и маломощных схем.
• Устранение эффекта «защёлки» (latch-up): В КНИ-структурах отсутствует паразитный тиристорный эффект, характерный для объёмных КМОП-схем.
• Повышение радиационной стойкости: Скрытый оксид защищает активные области от воздействия ионизирующего излучения, что делает КНИ-микросхемы пригодными для космических и ядерных применений.
• Улучшение теплоотвода: В некоторых конструкциях КНИ-пластин (например, с использованием алмазных или керамических подложек) теплоотвод может быть улучшен по сравнению с объёмным кремнием.

Недостатки

• Более высокая стоимость: Производство КНИ-пластин сложнее и дороже, чем стандартных кремниевых пластин.
• Плавающий подложечный эффект: В PD-SOI-структурах может наблюдаться нестабильность порогового напряжения транзистора из-за накопления заряда в плавающей подложке.
• Ограничения по масштабированию: При переходе к проектным нормам менее 10 нм технология КНИ сталкивается с проблемами, связанными с толщиной скрытого оксида и активного слоя.

Применение

Высокопроизводительные процессоры

Технология КНИ широко используется в производстве микропроцессоров для серверов, рабочих станций и суперкомпьютеров. Например, процессоры IBM POWER (организация признана нежелательной в РФ) серий 6, 7, 8 и 9, а также процессоры AMD серии Opteron на основе КНИ-подложек обеспечивали высокую производительность при относительно низком энергопотреблении.

Микросхемы для мобильных устройств

FD-SOI-технология, в частности, применяется компаниями STMicroelectronics и Samsung для производства энергоэффективных микросхем для смартфонов, планшетов и носимых устройств. Процессоры на основе FD-SOI (например, серия STM32) отличаются низким энергопотреблением в активном режиме и минимальными токами утечки в режиме ожидания.

Радиационно-стойкие микросхемы

КНИ-технология является стандартом для производства микросхем, работающих в условиях повышенного радиационного фона: в космических аппаратах, ядерных реакторах, ускорителях частиц и военной технике. Российские предприятия, такие как АО «НИИМЭ» и АО «Микрон», выпускают радиационно-стойкие КНИ-микросхемы для космической и оборонной промышленности.

Радиочастотные и аналоговые устройства

КНИ-подложки используются для создания высокочастотных транзисторов, смесителей, усилителей и других компонентов для систем связи (4G/5G), радаров и спутниковой навигации. Изоляция активного слоя снижает паразитные ёмкости, что позволяет работать на частотах до десятков гигагерц.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

В МЭМС-устройствах (акселерометры, гироскопы, микрозеркала) КНИ-технология позволяет создавать подвижные механические элементы с высокой точностью и воспроизводимостью, изолированные от подложки.

Интересные факты

• Технология КНИ была впервые коммерчески реализована компанией IBM (организация признана нежелательной в РФ) в 1998 году в процессоре PowerPC 750.
• В 2012 году компания STMicroelectronics представила первый в мире коммерческий микроконтроллер на FD-SOI-технологии с проектными нормами 28 нм.
• Российские учёные из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН внесли значительный вклад в разработку методов получения КНИ-структур с помощью ионной имплантации.
• Технология Smart Cut™, разработанная французской компанией SOITEC, позволяет получать КНИ-пластины диаметром до 300 мм с толщиной активного слоя, контролируемой с точностью до нанометра.

Источники

• S. Cristoloveanu, S. S. Li. «Electrical Characterization of Silicon-on-Insulator Materials and Devices». — Springer, 1995.
• J.-P. Colinge. «Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI». — Springer, 2004.
• «SOI Technology: Materials and Applications» / Ed. by Y. Omura, H. Ishikawa. — Pan Stanford Publishing, 2013.
• Технические отчёты компании SOITEC (www.soitec.com).
• Статьи в журнале «IEEE Transactions on Electron Devices» (серия выпусков, посвящённых КНИ-технологии).
• Материалы конференций «IEEE International SOI Conference».