| Аннотация |
Современные КНИ КМОП-технологические нормы обеспечивают сверхвысокие (до 400 ГГц) частоты переключений кремниевых полевых транзисторов металл / оксид / полупроводник (МОП), предлагая экономически эффективный путь массового производства сверхвысокочастотных интегральных схем (СВЧ ИС или англ. RFIC) [1], а также а также интегрированных с ними радиофотонных устройств [2], или силовых выходных приборов [3]. Элементы схем, которые ведут себя нелинейно, нежелательны в таких ИС, поскольку они вносят искажение сигнала в формы выходного сигнала. В частотной области это соответствует размытию спектральной полосы. При этом компоненты искажений генерируются за пределами выделенной для устройства RFIC или силовых ключей полосы частот. Линейность и потери зависят не только от конструкции элементов устройства. Они критически связаны со свойствами подложки ИС при СВЧ или оптическом возбуждении, а также с пробивным напряжением диэлектриков в сильных электрических полях высоковольтных резисторов, диодов и силовых транзисторов.
Пробивное электрическое поле в диоксиде кремния не превышает 5 МВ, что для приборов с рабочим напряжением 3 кВ требует толщины изолятора не менее 6 мкм. Скрытый изолятор (SiO2 ВОХ) КНИ структур обладает низкими теплопроводностью и коэффициентом термического расширения по сравнению с кремнием, что накладывает серьезные ограничения по его толщине 2-4 мкм. Для минимизации нагрева и потерь в подложке кремния и снижения нелинейных искажений сигнала требуется её высокое эффективное удельное сопротивление (ρeff). Удельное сопротивление полупроводников зависит от локального электрического поля. Из-за него, а также объемных зарядов на дефектах в диэлектрике и в полупроводнике вблизи границы раздела скрытый оксид (BOX) / Si-substrate индуцируется слой, подобный каналу МДП транзистора с высокой проводимостью, локально снижающий удельное сопротивление под приборным слоем Si до 106 раз. Эффект паразитной поверхностной проводимости (PSC), снижающий ρeff в 10-104 раз до значений всего 1 Омсм, делает использование микрометровых слоев ВОХ и высокоомных (HR) кремниевых пластин для RFIC неэффективным в технологии кремния-на-изоляторе [1, 4]. Эффект PSC удалось устранить путем включения тонкого слоя поликремния (poly-Si), богатого ловушками (TR), под слоем ВОХ [5]. TR слой закрепляет уровень Ферми вблизи середины запрещенной зоны кремния на гетерогранице в состоянии с высоким сопротивлением. Он обеспечивает значения ρeff более 1 кОмсм, а также уменьшение электрического поля в ВОХ, и сегодня распространен в индустрии RFIC на подложках TR-HR SOI с улучшенной интеграцией цифровых и аналоговых сигналов (RFeSI) [6, 7].
Ранее TR-HR слои создавались нами облучением пластин (001) Si n- и р-типа с удельной проводимостью 0.5-20 Омсм на имплантере IBS-200 ионами CO+ и N2+ с энергией E = 90 и 200 кэВ флюенсами Ф = (5-25)х1015 см-2 до сращивания (бондинга) и переноса Si-слоя вместе с SiO2 слоем методом Smart Cut при формировании SOI структур [1]. По данным XTEM внедрение ионов CO+ (E = 90 кэВ Ф = 1x1016 см-2) в подложку Si через слой 40 нм SiO2 приводило к формированию заглубленного на 120 нм аморфного слоя толщиной 80 нм. При увеличении флюенса до Ф = 3x1016 см-2 аморфный слой достигает гетерограницы с оксидом кремния. При рекристаллизации этого слоя формируются преципитаты карбида и оксида кремния, срывающие эпитаксиальный рост. Результатом отжига при 11000C является термостабильный поликристаллический TR слой толщиной 200 - 400 нм для ионов CO+ с энергией E = 100 - 200 кэВ [8, 9]. Помимо ловушек заряда, подобные слои содержат геттерирующие бор и фосфор преципитаты SiOx и SiC, снижающие концентрацию свободных носителей заряда на 1-2 порядка после высокотемпературных (>1100oC) термообработок. В SOI структурах TR слой расположен под слоем BOX в низкоомной подложке.
Электрофизические свойства мезаструктур на Si и SOI подложках определялись на основе C-V и I-V измерений, а также импеданс-спектрскопии. I-V измерения в геометрии Ван-дер-Пау проводились после удаления слоев приборного кремния и BOX в структурах SOI на подложках (100) n- и р- кремния c tSi = 470 мкм и TR-HR слоями, а также на обратной стороне кремниевых пластин. Данные C-V демонстрировали минимальную емкость из-за образования области пространственного заряда (ОПЗ) глубоко за TR-HR слоем. Структуры SOI, изготовленные на низкоомных Si подложках с TR-HR слоями [8, 9], также демонстрировали свойства, подобные TR-HR SOI структурам на высокоомном кремнии с поликремниевым подслоем, что может обеспечить не только функционирование RFIC в MW и mmWave диапазонах [1, 10, 11], но и применить их при изготовлении высоковольтных КНИ транзисторов с субмикронными слоями ВОХ. Недостатками SOI RFeSi структур с поликремнием являются меньшая термостабильность и нежелательный примесный фон в самом поликремнии [11].
Целью настоящей работы являлось создание экспериментальных КНИ пластин с толщиной слоя ВОХ в диапазоне от 30 до 1800 нм без и с TR-HR слоями в кремниевой подложке для определения пробивных полей и напряжений в тестовых приборных структурах.
Литература
1. M. Rack and J.-P. Raskin. SOI technologies for RF and millimeter wave applications. // ECS Trans., vol. 92, no. 4, pp. 79–94, 2019, doi: 10.1149/09204.0079ecst
2. М. Белкин, М. Васильев, Д. Клюшник, Е. Кузнецов. Создание радиофотонной аппаратуры на базе технологий оптической и сверхвысокочастотной электроники. // Электроника, Выпуск 5, , 2024 DOI: 10.22184/1992-4178.2024.236.5.106.120
3. F Udrea. SOI-based devices and technologies for high voltage ICs. // 2007 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 2007
4. Y. Wu, S. Gamble, B. M. Armstrong, V. F. Fusco, and J. A. C. Stewart. SiO2 interface layer effects on microwave loss of high-resistivity CPW line. /// IEEE Microw. Guided Wave Lett., vol. 9, no. 1, pp. 10–12, 1999, doi: 10.1109/75.752108.
5. H. S. Gamble, B. M. Armstrong, S. J. N. Mitchell, Y. Wu, V. F. Fusco, J. A. C. Stewart. Low-loss CPW lines on surface stabilized high resistivity silicon. // IEEE Microw. Guided Wave Lett., vol. 9, no. 10, pp. 395-397, 1999.
6. C. Didier and E. Desbonnets. RF-SOI Wafer Characterization. Soitec, Bernin, France. Mar. 2016 // [Online]. Available: https://www.soitec.com/en/medias/all-white-papers
7. F. Allibert, L. Y. Morandini C. Veytizou, M. Rack, L. Niessen and J. P. Raskin. Engineering SOI substrates for RF to mm-wave frontends. // Microw. J., vol. 63, no. 10, p. 72, 2020,
8. V. P. Popov, S. M. Tarkov, F. V. Tikhonenko, V. A. Antonov, I. E. Tyschenko, S. G. Simakin, K. V. Rudenko. Thermally robust high-resistance layers on low-resistance silicon synthesized by molecular CO+ ion implantation. // Phys. Stat. Sol. A, vol. 218, no. 23, pp. 2100109 (1-7), 2021.
9. V. P. Popov, F. V. Tikhonenko, V. A. Antonov, A.K.Gutakovskii, V.I.Vdovin, S. G. Simakin, K. V. Rudenko. Blister suppression in the CO molecule implanted SOI substrates with ultrathin buried oxides. // Materials Today Commun. Vol. 28 10249, 2021.
10. M. Rack et al., RF modeling of trap-rich passivated semiconductor substrates: Part I—Static and dynamic physics of carriers and traps, // IEEE Trans. Electron Devices, vol. 68, no. 9, pp. 4598–4605, 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3096777.
11. M. Rack et al., RF modeling of trap-rich passivated semiconductor substrates: Part II— Modeling of Semiconductor Substrates for RF Applications: Part II—Parameter Impact on Harmonic Distortion, // IEEE Trans. Electron Devices, vol. 68, no. 9, pp. 4606–4613, 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3096781.
12. I. Tyschenko, F. Tikhonenko, A. Gutakovskii, V. Vdovin, K. Rudenko, V. Popov. High-resistance thermally stable silicon layers produced by the CO+ ion implantation. Materials Letters, Vol. 318 (1 July 2022) 132162. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132162
13. V. Popov, V. Antonov, F. Tikhonenko, S. Tarkov, A. Gutakovskii, I. Tyschenko; Miakonkikh, A.; Lomov, A.; Rogozhin, A.; Rudenko, K., Robust Semiconductor-on-Ferroelectric Structures with Hafnia-Zirconia-Alumina UTBOX Stacks Compatible with the CMOS Technology. // Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 54, no. 22, 225101, 2021.
|
