Развитие технологии МОП ИС

Для металлизации используют преимущественно алюминий (чистый или в сочетании с другими металлами – например, добавление меди в алюминий уменьшает вероятность электромиграции и связанных с этим эффектом обрывов металлических дорожек). Существенное уменьшение контактного сопротивление может быть достигнуто применением плёнок платины или вольфрама. В частности, при отжиге структуры плёнка платины – кремний (поликремний) формируется слой силицида платины, который позволяет снижать поверхностное сопротивление областей истока, стока и затвора с 50 до 3  , что является особенно важным для СБИС с высокой степенью интеграции. Последним на поверхность подложки осаждают сплошной слой плазмохимического нитрида кремния (SiN), который герметизирует подложку и предохраняет её от загрязнений и механических повреждений. В тех местах, где необходимо сделать внешние (проволочные) выводы к слою металлизации, в защитном покрытии встраивают контактные окна [2].   

4 Особенности технологии КМОП БИС

Технология комплементарных МОП - структур (КМОП) является в настоящее  время одной  из  самых  распространенных технологий СБИС.  Технология   КМОП   заключается   в   формировании   n-   и р - канальных МОП - транзисторов в одном кристалле и по сравнению с n-канальными МОП ИС они потребляют значительно меньшую мощ­ность. Особенностью технологии КМОП ИС является формирование на пластине кремния больших областей с типом проводимости, отли­чающимся от типа проводимости подложки. Такие области с другим типом проводимости называются карманами. В настоящее время су­ществуют технологии с р - карманами  (на пластинах n-типа проводи­мости), с n-карманами (на пластинах р - типа) и с n-и р - карманами (на почти компенсированном кремнии); примеры таких КМОП-структур приведены на рисунке 4.1. Недостатком интегральных схем с одним кар­маном является необходимость перекомпенсации, т. е. введения при­меси с противоположным типом проводимости в концентрации, по­зволяющей изменить тип проводимости кремния. Для уверенной пе­рекомпенсации и, следовательно, малого разброса параметров по пла­стине, концентрация примеси в кармане должна быть в 5-10 раз выше, чем в основной пластине. Как следствие, возникают нежелательные эффекты (увеличение обратного смещения, увеличение емкости меж­ду областями истока-стока и карманом). Технология с двумя отдель­ными карманами (рисунок 4.1 в) свободна от этих недостатков, однако требует подложек кремния с очень низким уровнем легирования n - Si (-типа) или p - Si (-типа). В этих случаях, возможно, получать профи­ли и уровни легирования в каждом кармане независимо. За исключе­нием процедуры изготовления карманов, а также некоторых особен­ностей регулировки пороговых напряжений, синтеза изоляции и ак­тивных областей, при формировании КМОП СБИС используются те же технологические процессы (в сходных технологических режимах), как и в случае n-МОП.

Рисунок 4.1 – КМОП-структуры с p- каналом (а), n – каналом (б), двойным карманом (в)

На рисунке 4.2 показаны этапы технологии изготовления КМОП структур. Далее описаны более подробно каждый из этапов.

1. Исходный материал - слаболегированный эпитаксиальный слой - типа, выращенный на сильнолегированной n+ - подложке. Такая структура в сочетании с соответствующим методом формирования элементов позволяет избежать так называемого эффекта защелкива­ния (тиристорного эффекта).

2. Формирование n и р - карманов проводят по варианту самосо­вмещения. На поверхность пластины наносят двухслойную плёнку SiO2 + Si3N4, в которой путём фотолитографии вытравливают области n – кармана, после чего проводят имплантацию ионов фосфора с энергией, достаточной для легирования, но недостаточной для прохождения через плёнку SiO2+Si3N4.

Рисунок 4.2 - Схема изготовления КМОП-ИМ на одной пластине с р - карманами:

а - термическое оксидирование, первая фотолитография; б — локальная диффузия: в - вторая фотолитография; г — локальная диффузия; д — третья фотолитография: е — локальная диффузия; ж — четвертая фотолитография; з — выращивание тонкого подзатворного оксида и пятая фотоли­тография; и — формирование затворов и металлизации

При постимплантационном термическом окислении n - кармана на поверхности открытых областей происходит рост окисла, тогда как остальная часть подложки, защищённая слоем Si3N4, не окисляется. Затем методом селективного травления удаляют слой Si3N4 и во вновь открытых областях подложки формируют p - карман имплантацией ионов бора. Бор проникает в подложку через тонкую пленку Si02, в то время как области n-карманов защищены более толстым слоем окисла. После имплантации весь окисел удаляют и проводят диффузионную разгонку примеси в карманах.

3. Для изоляции транзисторов в КМОП - технологии можно ис­пользовать метод LOCOS, однако особенностью является необходи­мость изоляции двух различных типов транзисторов, локализованных в различных карманах вблизи границы их соприкосновения. Для того, чтобы удержать пороговые напряжения возникающих при этом пара­зитных транзисторов на высоком уровне, необходимо размещать n - и р - канальные транзисторы довольно далеко от границы кармана.

4. Особенностью регулировки порогового напряжения в КМОП - технологии является то, что величина Um должна быть почти одинаковой для обоих типов транзисторов и составлять менее 1 В. Однако если для различных транзисторов использовать затвор одного типа (высоколегированный поликристаллический кремний -типа), то разность работ выхода электронов будет отличаться для р- и n-канальных транзисторов, что приводит к асимметрии пороговых на­пряжений обоих типов транзисторов. Подлегирование бором канала в р - кармане уменьшает величину Uпор. Наоборот, подлегирование бором канала в n - канальном транзисторе увеличивает величину Uпор. Таким образом при соответствующем выборе уровня легирования р - и n - областей можно использовать только один неселективный (без до­полнительной фотолитографии) процесс ионной имплантации бора для управления (сближения) величин Uпор каждого типа транзистора.

На последующих этапах проводят осаждение n+ - поликремния и формирование затворов.

5. Ионная имплантация областей истока и стока. Для уменьше­ния числа фотолитографий сначала проводят имплантацию бора без маскирования в истоки и стоки как n -, так и р - канальных транзисторов.

Затем локально, после проведения фотолитографии, выпол­няют ионную имплантацию фосфора в области истока и стока n - канальных транзисторов с более высокой дозой, достаточной для перекомпенсации находящегося там бора.

На заключительных этапах формирования КМОП СБИС производят осаждение на поверхность фосфорно-силикатного стекла и его плавление при высокой температуре. После вскрытия окон в слое ФСС формируют металлизацию. Наконец, самым последним слоем наносят слой плазмохимического нитрида кремния,  который обеспечивает герметизацию приборов и их защиту от механических повреждений [2, 5].

5 Особенности субмикронных МОП – транзисторов

Традиционная структура МОП - транзистора обеспечила снижение длины затвора от 10 мкм в 70-х годах до 0,06 мкм в настоящее время путём простого масштабирования, то есть уменьшением длины затвора, толщины диэлектрика и глубины залегания p-n-переходов. Однако переход проектных норм через границу 130 нм в рамках традиционной конструкции наталкивается на физические ограничения. Таким образом, транзисторы для технологий XXI века должны иметь иную структуру и использовать новые материалы для подзатворного диэлектрика.

Таблица 5.2. Ограничения дальнейшей миниатюризации

Характеристики                            Предел      Причина ограничения       

Толщина окисла                             2,3 нм         Туннелирование через окисел       

Глубина p-n-переходов                   30 нм       Сопротивление областей истока и стока Легирование канала                        Vt = 0,25 В*         Подпороговый ток      

Мелкие области истока и стока      15 нм                   Сопротивление  

Длина канала                                   60 нм                   Подпороговый ток      

Длина затвора                                 100 нм                 Подпороговый ток      

*) Vt - пороговое напряжение.

С уменьшением геометрических размеров транзисторов снижается площадь кристалла, уменьшаются паразитные ёмкости, улучшается быстродействие и снижается энергопотребление СБИС. За последние 30 лет длина затвора МОП -транзистора уменьшилась в 200 раз (с 10 мкм в начале 70-х годов до 60 нм в наши дни). В настоящее время коммерчески доступной является технология с минимальными горизонтальными размерами элементов 0,13 мкм, позволившая реализовать массовое производство микропроцессоров Intel Pentium 4 с тактовой частотой более 2,5 ГГц на МОП - транзисторах с длиной канала 60 нм и толщиной подзатворного окисла 1,5 нм. В соответствии с прогнозами Ассоциации предприятий полупроводниковой индустрии NTRS, минимальные размеры элементов будут продолжать быстро уменьшаться и к 2012 году достигнут 50 нм.

Каждый технологический шаг в направлении уменьшения размеров сопряжён с ростом проблем конструирования и производства, которые приходится решать для обеспечения теоретически прогнозируемых характеристик транзистора. Любое улучшение одних параметров приводит к ухудшению других, причём с уменьшением размеров взаимное влияние параметров становится всё более сильным.

С ростом степени интеграции СБИС и систем на кристалле увеличивается доля чипов, содержащих аналоговые блоки, которые обеспечивают взаимодействие с окружающим миром, необходимое для крупных и функционально законченных систем. К транзисторам для аналоговых и цифровых применений предъявляются противоречивые требования. Для цифровых СБИС пороговое напряжение нельзя снижать неограниченно, поскольку при этом увеличивается подпороговый ток, который определяет потребление энергии СБИС в неактивном состоянии. Верхний предел порогового напряжения ограничивается четвертью от напряжения питания, которое стараются снизить для уменьшения потребляемой мощности. Однако для аналоговых схем идеальным является нулевое пороговое напряжение Vt = 0, что увеличивает динамический диапазон аналоговой схемы, определяемый разностью между напряжением на затворе и Vt, то есть (Vgs – Vt).

Особыми требованиями к "аналоговым" транзисторам являются также повышенная нагрузочная способность (ток стока в режиме насыщения), линейность и малые нелинейные искажения на малом сигнале. Для дифференциальных каскадов и токового зеркала важна согласованность характеристик транзисторов.

Основными проблемами микроминиатюризации МОП - транзисторов являются туннелирование через затвор, инжекция горячих носителей в окисел, прокол между истоком и стоком, утечки в подпороговой области, уменьшение подвижности носителей в канале, увеличение последовательного сопротивления между истоком и стоком, обеспечение запаса между пороговым напряжением и напряжением питания. Транзистор должен иметь слабую зависимость порогового напряжения от напряжения на стоке, от длины и ширины канала, а также большую передаточную проводимость, большое выходное сопротивление, малое сопротивления областей истока и стока и большую нагрузочную способность. Емкости затвора и p-n-переходов должны быть минимальны. Разброс параметров техпроцесса, который растёт с уменьшением размеров транзистора, не должен снижать процент выхода годных кристаллов.

5.1 Конструкции МОП - транзисторов в СБИС

Наиболее распространённой конструкцией МОП - транзистора, используемой более 10 лет в полупроводниковой промышленности, является LDD (Lightly Doped Drain) структура (рисyнок 5.1). Её особенностью является наличие мелких слаболегированных областей, которые удлиняют области истока и стока в сторону канала. Концентрацию легирующей примеси в этих областях (фосфор и бор) и режим её разгонки выбирают таким образом, чтобы получить плавный p-n-переход. Обычно концентрация примеси составляет от  до , в то время как в n± областях она достигает– . Полученное таким способом снижение напряжённости электрического поля в канале на границе со стоком уменьшает энергию горячих электронов, которые вызывают долговременную деградацию параметров транзистора.

Рисунок 5.1 - Типовая структура МОП - транзистора. Пунктиром показан ореол (halo), охватывающий LDD-области истока и стока

Слаболегированные LDD-области также повышают напряжение прокола, инжекционного и лавинного пробоя транзистора, уменьшают DIBL-эффект и эффект модуляции длины канала.

Глубина LDD-областей истока и стока составляет 50–100 нм для транзисторов с длиной канала 0,25 мкм (рис. 5.2, табл. 5.1). Уменьшение глубины p-n-переходов до 10 нм приводит к увеличению сопротивления слоёв истока и стока до 10 кОм/квадрат, что ограничивает нагрузочную способность транзистора. Перекрытие LDD-областей затвором должно быть не менее 15–20 нм, чтобы предотвратить снижение нагрузочной способности транзистора. Толщина поликремниевого затвора составляет порядка 300 нм.

Таблица 5.1 Масштабирование МОП - транзисторов согласно NTRS

Проектные нормы, нм               250         180                130         100                  70

Толщина окисла, нм                   4–5         3–4                 2–3          1,5–2                   <1,5  

Глубина p-n-переходов, нм   50–100        36–72          26–52          20–40          15–30

Напряжение питания, В         1,8–2,5        1,5–1,8        1,2–1,5        0,9–1,2        0,6–0,9

Ток утечки, нА/мкм              1                 1                 3                 3                 10     

Нагруз. способн., мА/мкм     600/280       600/280       600/280       600/280       600/280 Мощность/кристалл, Вт        70               93               121             120             114

Рисунок 5.2 - Уменьшение глубины залегания p-n-переходов LDD-областей истока и стока с развитием технологии

Для снижения емкостей транзистора выбирают слаболегированную подложку, а для обеспечения необходимого порогового напряжения и снижения напряжения прокола применяют легирование канала примесью того же типа, что и в подложке. Легирование выполняют примерно на глубину области пространственного заряда под затвором.

Контакты к областям истока, стока и к поликремниевому затвору выполняют с промежуточным формированием слоя TiSi2 или CoSi2 толщиной порядка 40 нм, что обеспечивает удельное сопротивление около 5 Ом на квадрат. Изоляция между поликремниевым затвором и контактами к истоку и стоку выполняется в виде спейсера (разграничителя) (рис. 5.1) из Si3N4.

Концентрация примеси в канале составляет . Увеличение концентрации примеси свыше этого значения, необходимое для транзисторов с длиной канала менее 100 нм, ведёт к появлению туннелирования электронов через р - n - переходы истока и стока.

Толщина окисла для транзисторов с длиной канала 0,1 мкм составляет 3–4 нм. Между толщиной окисла tox и длиной канала L МОП – транзисторов, изготавливаемых фирмой Intel в течение последних 20 лет, существует эмпирическая зависимость L = 45·tox.

Для формирования карманов МОП - транзисторов разного типа проводимости (рис. 5.3) используют фосфор и бор. Изоляцию между карманами выполняют обычно мелкими канавками, стенки которых окисляют, а внутренность заполняют поликремнием. Эта технология изоляции стала доминирующей в транзисторах, выполненных по 0,25-микронной технологии и пришла на смену изоляции локальным окислением кремния (LOCOS).

Рисунок 5.3 - Комплиментарная пара транзисторов, использованная в 0,25-мкм техпроцессе при производстве микропроцессоров Intel® Celeron и Pentium® II

5.2 Методы улучшения характеристик МОП - транзисторов

Уменьшение порогового напряжения при снижении длины канала является индикатором появления короткоканальных эффектов при разработке новых технологий и одновременно существенным препятствием на пути сокращения размеров транзисторных структур. Для борьбы с эффектами короткого канала используется изменение профиля легирующей примеси как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. В горизонтальном направлении (вдоль канала) создают ореол (halo) вокруг слаболегированных областей истока и стока  (рис. 5.1), выполняют ионную имплантацию в кармашки (pockets). В вертикальном направлении создают неоднородное (ретроградное) распределение примеси, экстремально мелкие области истока и стока, применяют новые материалы с большей, чем у окиси кремния, диэлектрической проницаемостью.

Проникновение области обеднения стока в канал является основной причиной появления короткоканальных эффектов. Однако их нельзя устранить путём простого повышения концентрации легирующей примеси в подложке, поскольку при этом растёт подпороговый ток и уменьшается подвижность носителей в канале, вызывающая деградацию нагрузочной способности транзистора. Наиболее распространённым решением этой проблемы является реализация так называемого обратного эффекта короткого канала, когда с уменьшением длины канала пороговое напряжение возрастает. Этого можно достичь применением ореола (halo) вокруг областей истока и стока (рис. 5.1).

Ореол создаётся ионным легированием примеси того же типа проводимости, что и карман (бор или индий для n-канального транзистора и мышьяк для p-канального). Индий, по сравнению с бором, снижает крутизну падения порогового напряжения, в зависимости от длины канала, и уменьшает разброс наклона подпороговой характеристики. Ионное легирование может выполняться вертикально, но чаще под углом, для чего кремниевую пластину наклоняют на угол от 20–30 до 90 град. по отношению к ионному пучку, чтобы направить его под затвор. Ореол делают обычно на том же этапе литографии, что и мелкие слаболегированные области истока и стока. Энергию имплантации выбирают достаточно большую, чтобы увеличить глубину залегания ореола. После формирования спейсера, во время отжига областей истока и стока, имплантант диффундирует за LDD-области, обеспечивая показанный на рис. 5.4 профиль распределения примеси.

Рисунок 5.4 -  Профиль примеси в области ореола и слаболегированной (LDD) области истока или стока для 0,25-мкм технологии

Принцип действия ореола основан на том, что пороговое напряжение МОП - транзистора зависит от средней концентрации примеси под затвором, а не от её горизонтального распределения. Поэтому введение ореола увеличивает пороговое напряжение, однако практически не влияет на среднюю подвижность носителей в канале. Ионное легирование в кармашек (pocket) отличается от ореола только тем, что охватывает не всю LDD-область, а только её часть у поверхности или снизу (рис. 5.5).

Рисунок 5.5. Крутое ретроградное распределение примеси в кармане (SSRW)

Крутое ретроградное распределение примеси (Super Steep Retrograde Well, SSRW) (рис. 5.5) создаётся путём медленной диффузии мышьяка или сурьмы для р - канальных приборов и индия для n-канальных. Благодаря возможности устанавливать поверхностную концентрацию легирующей примеси независимо от объёмной, появляется дополнительная степень свободы для независимой регулировки порогового напряжения и концентрации примеси в подложке, влияющей на величину области пространственного заряда и, соответственно, короанальные эффекты. Правильное применение идеи SSRW позволяет ослабить влияние короткоканальных эффектов и увеличить поверхностную подвижность носителей, однако при этом несколько увеличивается подпороговый ток.

Сравнение структур с однородным и ретроградным распределением примеси достаточно неоднозначно из-за сложности выбора условий сравнения и иногда даёт противоречивые результаты. Разновидностью крутого ретроградного распределения примеси является дельта-легирование подложки, имеющее аналогичные свойства.

Одним из путей увеличения передаточной проводимости и нагрузочной способности МОП - транзистора является уменьшение толщины подзатворного окисла. Толщина окисла ограничивается появлением паразитного туннельного тока, который увеличивает энергопотребление микросхемы, и нестабильностью напряжения пробоя окисла, снижающей надёжность.

Экспериментально показана возможность уменьшения толщины подзатворного диэлектрика до 1,5 нм. В эксперименте длина канала составляла около 0,1 мкм, при этом нагрузочная способность транзистора была равна 1 мА/мкм, передаточная проводимость — 1000 мСим/мм при комнатной температуре.

Рост туннельного тока через окисел является не единственной преградой на пути уменьшения его толщины. В экспериментах с приборами, имеющими толщину затвора 1,2–2,8 нм, было показано, что с ростом туннельного тока увеличивается статистический разброс порогового напряжения. Это объясняется тем, что пороговое напряжение начинает зависеть от падения напряжения на омическом сопротивлении затвора; падение напряжения вызывается прохождением туннельного тока. При этом в разброс порогового напряжения вносится компонента, связанная с разбросом сопротивления затвора.

Ещё одной причиной, мешающей дальнейшему уменьшению размеров транзисторов, является квантово - механическая природа инверсионного слоя, которая не позволяет электронам располагаться непосредственно у поверхности кремния. Максимум пространственного распределения электронов находится на расстоянии около 1 нм от поверхности. Это увеличивает эффективную толщину окисла примерно на 0,3 нм. Кроме того, вследствие ограниченной концентрации примеси в поликремниевом затворе в нём наступает режим обеднения, из-за которого увеличивается эффективная толщина подзатворного слоя диэлектрика. Общее увеличение эффективной толщины составляет около 0,7 нм, что уменьшает ток стока и нагрузочную способность транзистора.

В экспериментах с приборами, имеющими толщину окисла 1,3–1,5 нм, было обнаружено, что туннельный ток через подзатворный диэлектрик может быть существенно уменьшен путём повышения однородности плёнки окисла. Для получения однородной плёнки в работе использовано селективное эпитаксиальное наращивание нелегированного кремния для получения канала МОП -  транзистора, поскольку плёнка окисла на эпитаксиально выращенном кремнии получается более однородной. Для получения канала сначала была выполнена ионная имплантация бора в область канала для n - канального транзистора и фосфора для р - канального. Затем из газовой фазы был выращен эпитаксиальный слой нелегированного кремния толщиной от 5 до 20 нм. Благодаря предварительному легированию кремния был получен практически идеальный ретроградный профиль примеси в эпитаксиальном слое. После этого была получена тонкая (1,5 нм) плёнка окисла путём окисления эпитаксиального слоя в сухом кислороде. Затвор был выполнен не из поликремния, как обычно, а из TiN. Зернистость TiN примерно в три раза меньше, чем у поликремния, что улучшило однородность диэлектрика под затвором.

Ключевым моментом техпроцесса для длин канала менее 100 нм является получение мелких (менее 20 нм) p-n-переходов. Однако они дают неприемлемо высокое сопротивление областей истока и стока. Для его снижения обычно используют промежуточный слой из TiSi2 или CoSi2, рис. 5.6. После формирования слоя подзатворного окисла толщиной 4,6 нм формируется поликремниевый затвор с помощью электронно-лучевой литографии. Между затвором и областями локального окисления оставляется пространство 0,35 мкм для формирования областей истока и стока. Боковые стенки поликремниевого затвора защищаются тонким (10–20 нм) слоем Si3N4 для отделения затвора от контактов к истоку и стоку. После этого выполняется селективное эпитаксиальное наращивание слоя SiGe толщиной 50 нм, легированного фосфором. Далее формируют второй защитный слой на боковых стенках поликремниевого затвора, который является маской для последующей имплантации областей истока и стока. При последующей диффузии фосфора из нанесённого ранее слоя SiGe формируются мелкие слаболегированные области истока и стока. Контакты к истоку, стоку и затвору выполняют селективным наращиванием вольфрама. Полученная таким образом структура показана на рис. 5.6. Часть эпитаксиального слоя, находящаяся поверх мелких областей истока и стока, понижает их омическое сопротивление.

Рисунок 5.6 -  МОП - структура, в которой мелкие области истока и стока получены диффузией из легированного фосфором SiGe

Рисунок  5.7 -  КНИ – структура с длиной канала 0,28 мкм и шириной 9,1 мкм

Список использованных источников

1.            Интегральные схемы на МОП – приборах. Пер с англ. / Под ред. А. Н. Карамзинского. - М. : Мир , 1975 г. 

2.            А. П. Бурманов. Физические основы технологии микроэлектроники.

3.            Особенности субмикронных МОП - транзисторов: Режим доступа: [http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200207/4.html]

4.            Р. Мелен, Г. Гарланд. ИС с КМОП структурами, 1979 г.

5.            И. А. Малышева. Технология производства ИС, 2002 г.

6.            Г. Я. Красников. Конструктивно – технологические особенности субмикронных МОП – транзисторов, 2004 г. 

7.            Технология СБИС. Кн. 1 и Кн. 2 : В 2 кн. / Пирс К. , Адамс А. , Кац Л. и др. ; Под ред. Чистякова Ю. Д. - М. : Мир , 1986.

8.            Березин, Андрей Сергеевич        

9.            Технология и конструирование интегральных микросхем : [учебное пособие для вузов по спец. "Физика и технология материалов и компонентов электрон. техники" и "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы"] / Березин А. С., Мочалкина О. Р. - М. : Радио и связь , 1992.

Страницы: 1, 2