книги / Методы повышения параметров БИС

индуцированным каналом, сформированные на обшей подпож— по стандартной МОП-технологии с металлическими и кремниевы­ ми затворами (рис. 12). Достоинство К/МОП-схем —очень малое потребление мощности в статическом режиме, что и определяет основную область их применения —создание сист.ем памяти и микропроцессоров. Это свойство непосредственно вытекает из принципа построения таких схем. Поскольку во включенном состоянии находится лишь один из входящих в состав К/МОПэлемента транзистор (р- или л-канальный), то протекающий через него статический ток определяется лишь током утечки этого транзистора и составляет весьма малую величину (порядка нес­ кольких наноампер). В режиме переключения в силу того, что транзисторы не открываются полностью, ток также невысок (несколько микроампер), а следовательно, невысока потребляе­ мая мощность (например, 1 мкВт при частоте переключения ме­ нее 1 кГц) [150]. В случае повышения быстродействия увеличи­ вается рассеяние мощности, связанное с влиянием емкостей схемы, однако при переходе в режим хранения информации мощность снижается до нескольких микроватт [94].

Достоинствами К/МОП-схем являются также высокая поме­ хоустойчивость; устойчивость К/МОП ЗУПВ к сбоям под дейст­ вием а-частиц; широкий диапазон допустимых напряжений пи­ тания (3...15 В), что позволяет использовать нестабилизированны.е_ источники [94, 95, 150]. Быстродействие и плотность упаковки К/МОП БИС ниже, чем у других МОП-структур, в си­ лу введения дополнительного транзистора' (или дополнительной изолирующей области) в каждый элемент, однако, как будет по­ казано шоке, совершенствование К/МОП-технологии позволяет повысить эти параметры.

31

1'ис. 13. Огруктура К/МОП транзистора на сапфировой подложке

В основе базовых технологических процессов изготовления К/МОП БИС лежит создание карманов в кремнии с помощью локальной диффузии и эпитаксии, а также технологии „крем- ний-на-сапфире”.

Технология К/МОП БИС развивается в направлении улучше­ ния быстродействия и плотности упаковки с сохранением мало­ го потребления мощности. Так, в обычных К/МОП-схемах на мо­ нолитных кремниевых подложках уменьшены паразитные схемные емкости и сопротивления путем постепенного совер­ шенствования технологических процессов, разработки новых texmqecKHx решений, повышения точности расчета характерис­ тик БИС. Пропорциональное уменьшение геометрических разме­ ров К/МОП БИС (по аналогии с высококачественной техноло­ гией л-канальных МОП БИС) обеспечивает пропорциональное улучшение характеристик [14,85].

Одним из перспективных способов уменьшения схемных ем­ костей, а следовательно, повышения быстродействия, является использование технологии К/МОП БИС на сапфировых подлож­ ках. В этой технологии создается структура „кремний-на-сапфи- ре” (КНС) путем эпитаксиального выращивания на отполирован­ ной сапфировой подложке (толщиной 200-300 мкм) тонкого слоя (1...3 мкм) монокристаллнчёского кремния, поверхность которого окисляется. В двуокиси кремния методом литографии создаются окна, через которые травлением формируются изоли­ рованные друг от друга и затем окисляемые островки кремния, где создаются К/МОП-транзисторные структуры, (с помощью обычной планарной технологии) (рис. 13) [14]. Достоинства та­ кой технологии обеспечиваются высокими изолирующими свойствами подложки. Поскольку транзисторы создаются в тон­ ком слое кремния, паразитные.емкости оказываются чрезвычайно малыми (емкость сток-исток уменьшается примерно в 25_разпо сравнению со случаем монолитного кремния, емкость металли­ зации и взаимная емкость диффузионных переходов вообще устраняются) и быстродействие повышается в 5 -10 раз. Воз­ можность изготовления на диэлектрической подложке р- и п- канальных приборов способствует повышению быстродействия и снижению рассеиваемой мощности [164].

32

K/MOli-схемы на сапфировых подложках потребляют неболь­ шую мощность, в том числе и на высоких частотах —порядка 100 мкВт/вентиль (что в 10 раз меньше, чем обычно у «-МОП- приборов), имеют одну из лучших величш! произведения быстро­ действие X мощность (0,1 пДж); в два-три раза большие быстро­ действие и плотность упаковки (по сравнению с К/МОП-схемами на монолитных кремниевых подложках) [94].

Значительными преимуществами рассматриваемой техноло­ гии являются: обеспечение высокого выхода годных за счет от­ сутствия деформации сапфира, имеющего по сравнению с крем­ нием более высокую температуру плавления при высокотемпе­ ратурной обработке; возможность исправления брака подложек путем вторичной обработки; использование меньшего количест­ ва технологических операций [164]. Дополнительные преимуще­ ства дает использование вместо сапфира материалов типа шпине­ ли, близких по кристаллической структуре к кремнию.

Применение метода миниатюризации к этим схемам, как и в рассмотренных выше случаях, приводит к улучшению их ха­ рактеристик.

К недостаткам К/МОИ-структур на сапфире относят проявив­ шееся на практике взаимодействие кремния с сапфиром, приво­ дящее к снижению реально достижимого быстродействия по сравнению с теоретическим (всего лишь 42—55 % теоретического предела соответственно для п- й р-канальных схем с очень ко­ роткими каналами —0,5 мкм) [164,178].

К/МОП-схемы как на монолитных кремниевых подложках, так и на сапфире могут быть использованы при создании СБИС. Диализ способов развития К/МОП-технологии показывает, что здесь с успехом могут быть использованы достижения высоко­ качественной технологии л-канальцых МОП-схем и для усовер­ шенствования технологических процессов (например, высоко­ разрешающей литографии, плазменного травления), и для разра­ ботки структур приборов (например на основе применения са- ■мосовмещенного металлического, молибденового, затвора, вер­ тикальной интеграции) [85,150].

Достоинства рассмотренных технологий в определенной мере могут сочетаться в комбинированной технологии. • Например, формируя На одном кристалле К/МОП-элементы и биполяр­ ные элементы, создают ИС, совмещающие цифровые и аналого­ вые функции [53].

Близкими к МОП-транзисторам по принципу работы, цр име­ ющими структуру металл-полупроводник, являются транзисто­ ры типа М1ШТ (металл-полупроводник —полевые транзисторы) (рис. 14) [93, 104, 150]. В таких транзисторах областью.проте-

33

ратно смешенным р-п переходом. Поскольку в МППТ области истока, стока и канала имеют проводимость

одного типа, устраняется возможность их смыкания, и предель­ ная длина канала может быть весьма малой (50... 100 нм). Одна­ ко ограничением здесь является возможность пробоя полупро­ водника, так как при уменьшении длины канала необходимо уменьшать его толщину dKm, чтобы поде затвора оставалось достаточным для управления потенциальным барьером у истока в силу выполнения соотношения

<*кан ~ dn (1 - ),

где dn - толщина полупроводника до затвора; С/Ь —напряжение отсечки. _ Быстродействие МППТ характеризуется средней постоянной

времени крутизны

т5 ~ 2 L кан/ (М Ц) )

иможет быть близко к быстродействию М011-транзисторов. Одна­ ко,поскольку в настоящее время длина канала МППТ больше, чем

уМОП-транзисто{$ов,они уступаютпоследним по быстродействию, атакжепо величине входного сопротивления. При достижении пре­ дельно малых'размеров и использовании GaAs или InP МППТ мо­ гут оказаться одними из наиболее быстродействующих приборов.

1.3.ПЗС-СТРУКТУРЫ

Технология МОП-структур, в частности БИС на основе тран­ зисторов с изолированными затворами, применяется в.производстве микроэлектронных приборов с переносом заряда (ППЗ). Эти приборы, как правило, представляют собой регулярную систему соединенных между собой структур металл-диэлект­ рик (обычно окисел)' - полупроводник 1и обладают способ­ ностью хранить и направленно передавать информацию за счет создания и перемещения вдоль полупроводниковой подложки

34

цепочки.

ПЗС по структуре является линейной цепочкой или матрицей

,МОП-конденсаторов, сформированных на основе единой полу­ проводниковой подложки с общим диэлектрическим слоем (рис. 15) [121, 130, 140, 144,170]. Существует несколько конст­ руктивных модификаций ПЗС: с поверхностным каналом пере­ носа заряда неосновных носителей; с объемным каналом (скры­ тым, расположенным в объеме полупроводника); с переносом заряда основных носителей и их разновидности. Для первых двух типов в качестве подложки применяется кремний, равно­ мерно легированный или имеющий отдельные диффузионные

либо имплаширрвшшые области в каждой МОП-ячейке; для ПЗС третьего типа —полуизолирующий материал.

В ПЗС с поверхностным каналом переноса ширина последнего ограничивается областями стоп-диффузии (или стоп-импланта­ ций), участками слоя большой толщины либо полевым электро­ дом (рис. 16) [144].

При подаче на какой-либо электрод напряжения соответству­ ющей полярности основные носители в полупроводниковой под­ ложке, отталкиваясь от электрода, уходят в глубь проводника. В результате этого в расположенном под данным электродом по­ верхностном слое полупроводника, прилегающем к диэлектрику, образуется спой, обедненный.оснрвиыми носителями, т. е. потенци-

стоп-имплантации небольшой концентрации; в - полевым металлическим

или полйкрёмниевым электродом; — электрод переноса; 2 - область стоп-диффузии; 3 —сигнальный заряд; 4 —толстый слой окисла; 5 —об­ ласть стоп-имплантации небольшой концентрации: 6 —обедненный слой; 7 - полевой электрод; 8 —двуокись кремния; 9 — подложка из р-крем-

35

альная яма для неосновных носителей. Накапливающиеся со вре­ менем в потенциальной яме неосновные носители, образующиеся за счет термогенерации или управляемой инжекции, создают уз­ кий поверхностный инверсионный слой (толщиной порядка 10 нм), или так называемый заряцовый пакет, величина которо­ го соответствует сигналу инжекции. Из*за близости соседних электродов друг к другу потенциальные ямы под ними перекры­ ваются и обеспечивается возможность перемещения зарядовых пакетов из одной потенциальной ямы в другую, более глубокую. Прикладывая к соседним электродам необходимое напряжение или направляя на ПЗС поток света, можно осуществлять направ­ ленный сдвиг потенциальных ям вдоль прибора и получать на выходе соответствующий сигнал.

Для ПЗС с поверхностным каналом характерно ограничение быстродействия и эффективности переноса зарядов, вызванное захватом неосновных носителей заряда поверхностными состоя­ ниями и недостаточно высокой подвижностью носителей в при­ поверхностном слое полупроводника. Эти характеристики улуч­ шены в ПЗС с объемным каналом (рис. 17) вследствие меньшей 11лотности ловушек заряда и большей скорости движения заря­ дов в объеме полупроводника [121,130,144]. В таких приборах эпитаксией или ионной диффузией в кремнии создается тонкий канальный слой (например, глубиной в несколько микрон), имеющий по отношению к подложке на порядок более высокий уровень легирования и противоположный тип проводимости. По­ тенциальные ямы образуются внутри этого слоя, т. е. канал пере­ носа зарядов удален от поверхности.

Описанным ПЗС свойственны, однако, некоторые недостатки, например усложнение технологии изготовления, повышение темновых токов.

В ПЗС на основных носителях (одной из разновидностей кото­ рых являются'ПЗС собъемным каналом) в общем случае канал пе­ реноса зарядов создается вблизи границы раздела подложки, пред­ ставляющей собой тонкий слой полуиэолирующего материала и нанесенного на нее диэлектрика. Вповерхностно-зарядовом тран­ зисторе, имеющемтри электрода: исток, передающий затвор и при­ емник, управление процессом переноса заряда осуществляется Путем изменения потенциала передающего затвора, что способст­ вует повышению скорости передачизаряда и точности регулиров­ ки количества передаваемого заряда, а также обеспечивает воз­ можность распространения заряда в обоих направлениях И40].

Одной из важных конструктивно-технологических задач при разработке ПЗС является создание соответствующей электрод­ ной структуры, выбор которой из возможного многообразия оп­ ределяется необходимостью получения устройства заданного ти­

36

па (например, запоминающих устройств, приемников изображу ния) с требуемыми характеристиками. Электродные структуры в ПЗС различаются количеством проводящих слоев. В большин­ стве современных ПЗС электроды содержат, один-три слоя по* ликристаллического кремния и по крайней мере один слой ме­ талла для обеспечения высокой проводимости шин и получения контактных площадок [121,144].

Поверхностные ПЗС с равномерно легированной подложкой изготавливаются с равномерным (см. рис. 16) или ступенчатым диэлектриком. Электродные структуры ПЗС с равномерным слоем диэлектрика первоначально представляли собой наборы металлических электродов, вытравленных из одного слоя ме­ талла, с зазорами между ними шириной не более нескольких микрометров (чтобы между потенциальными ямами не создава­ лись дополнительные потенциальные барьеры). При изготовлении таких электродов весьма эффективен метод обратной фотолито­ графии (см. п. 2.2). Поскольку профиль потенциала в зазорах мо­ жет изменяться с величиной электростатического заряда на внеш­ ней стороне окисла, то для стабилизации величины этого заряда было предложено покрыть электродную структуру защитным ре­ зистивным слоем (например, сформировать ее в виде селективно легированных областей в сплошном слое высокоомного поликремния) [144]. Возможны и другие способы зашиты канала, нап­ ример изготовлением структуры с перекрывающимися электрода­ ми из поликремния или нескольких слоев металла, разделенных высококачественным малопористым диэлектриком.

Направленность распространения зарядового пакета в ПЗС с равномерным слоем диэлектрика обеспечивается тем, что для каждой ячейки формируются несколько, например два-четыре,

. электродов, на которые подаются управляющие импульсы с опре­ деленным фазовым сдвигом. Для удвоения плотности упаков­ ки, например в четырехфазных ПЗС ЗУ, область хранения и об­ ласть передачи зарядового пакета размешают под одним и тем же участком поликремниевого затвора, однако это требует бо­ лее сложной технологии изготовления.

При использовании в ПЗС ступенчатого диэлектрика облег­ чается обеспечение направленности перемещения зарядов за счет получения соответствующего вида асимметричных по­ тенциальных ям, однако технология усложняется. Для нанесе­ ния электродов в этом случае могут быть применены такие тех­ нологические приемы, как косое напыление металла на крутые боковые стенки ступенек окисла, напыление металла через маску, слегка выступающую за края толстого участка окисла, и другие [121,130,144]. Автоматическое обеспечение однонаправ­ ленности движения зарядов достигается и в конструкциях ИЗО с имплантированными областями (под электродами), создающими

37

более высокий потенциальный барьер, чем в случае со ступенча­ тым диэлектриком.

Широкое распространение для создания поверхностно-зарядо­ вых транзисторов получили ПЗС с равномерно легированной подложкой и скрытыми электродами [121].

Для ввода сигнального заряда (в случае электрического сиг­ нала) и считывания зарядового пакета в ПЗС создаются соответ­ ственно входной и выходной электроды. Неразрушающее много­ кратное считывание осуществляется за счет использования на выходе ПЗС плавающего затвора, расположенного над каналом переноса. Считывание осуществляется по электростатическому изображению на этом затворе.

,Дожарные” цепочки - система дискретных элементов, сос­ тоящих из отдельных МОП-коиденсаторов й переключателей, например, на основе биполярных транзисторов, МОП-структур (рис. 18) . Для улучшения Их характеристик (уменьшения обрат­ ной связи, повышения быстродействия, стабильности и других) применяют различные специальные конструкции, например с диффузионной областью под каждым затвором, расположенной асимметрично по отношению к нему и являющейся стоком для одного элемента и истоком для соседнего; с использованием в качестве ключей полевых транзисторов с р-п переходом или барьером Шоттки.

В настоящее время уровень технологии ППЗ соответствует достижениям технологии получения МОП БИС, поскольку обе они имеют одинаковую базовую технологию и практически оди­ наковую сложность. Однако характеристики ППЗ более чувстви­ тельны к ряду трудно контролируемых параметров, в том числе к плотности состояний на границе раздела и темновому току, которые зависят от времени, температуры и электрического по* ля [121, 130,144,153]. Специфическими при создании приборов на основе ППЗ являются вопросы, связанные, например, с иеоб*

38

Рис. 19. Распределение поверхност­ оо ного потенциала для структуры с различной длиной зазора:

1 - 1 — 1 мкм; 2 - 1 = 2 мкм; 3 - I = 4 мкм; 4 - 1 = 6 мкм

ходимостью уменьшения ограничений, вызванных током утечки, с деградацией сигнала при его распространении вдоль прибора. Как и в обычной МОП-технологии, для изготовления приборов с переносом заряда эффективно применение методов прецизион­ ной литографии.

Многие физические величины, описывающие происходящие в ППЗ процессы, и параметры прибора зависят от его геометричес­ ких размеров [93,121,144]. Так, в случае ПЗС с поверхностным каналом из формул для времен тепловой диффузии ГДИф и дрейфа ГДр, характеризующих процесс переноса заряда, следует возможность повышения скорости передачи сигнала путем умень­ шения длины электрода Ьэп :

где д —поверхностная подвижность; D —поверхностный коэф­ фициент диффузии.

Уменьшение длины зазоров между электродами / также способ­ ствует улучшению условий переноса заряда, которому при боль­ ших i препятствуют возникающие в зазорах потенциальные барьеры (рис. 19) [121]. Увеличение глубины канала приводит к ухудшению такого параметра, как управляющая способность (максимальный заряд, которым можно управлять в ППЗ).

Предельные значения показателей качества ППЗ —рассеивае­ мая мощность; быстродействие; отношение сигнал/шум; управ­ ляющая способность; неэффективность переноса зарядового па­ кета, характеризующей его потери при распространении вдоль прибора; фоточувствительности и других —связаны с рядом фи­ зических ограничений, свойственных происходящим в ППЗ про­ цессам. Наряду с ограничениями литографического процесса (минимальным разрешаемым размером />Мин> величиной несовмещения А), они приводят к ограничению наименьших размеров

39

ячеек ППЗ. При уменьшении линейных размеров ПЗС для нор­ мальной работы прибора необходимо изменять и другие пара­ метры (напряжение, уровень легирования), чтобы обеспечить пропорциональное уменьшение краевых эффектов, ширины обедненных областей и т. д.

1.4. ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Применение полупроводниковых соединений типа AIIIBV, в частности арсенида галлия GaAs, для создания сверхскоростных БИС и СБИС открывает большие перспективы в отношении по­ вышения степени их интеграции, радиационной стойкости, рабо­ чей температуры и снижения потребляемой мощности.

Как показано выше, для получения очень высоких значений скорости переключения ИС необходимы большая подвижность дл электронов в полупроводниковом материале и предельно малые рабочие области пролета носителей (толщина базы, дли­ на канала).

В схемах на арсениде галлия достигаются чрезвычайно низкие значения времени задержки распространения сигнала и произве­ дения потребляемой мощности на задержку, поскольку подвиж­ ность электронов в арсениде галлия почти на порядок выше чем в кремнии (при примерно равных подвижностях дырок), а высо­ кое удельное сопротивление (107.. .10е Ом • см), обусловленное большой шириной запрещенной зоны, обеспечивает значительное уменьшение паразитных емкостей интегральных схем. Возмож­ ность создания на основе GaAs полуизолирующих подложек приводит также к упрощению технологии создания изоляции.

Специфика и трудности технологии изготовления арсенид-гал- лиевых ИС обусловлены особенностями этого материала. Так, затруднения операций термообработки вследствие молекуляр­ ной неустойчивости GaAs (Как химического соединения) и нали­ чие большого числа структурных дефектов в нем препятствуют нрпользоваиию процесса диффузии и обусловливают применение эпитаксии. Нестабильность системы арсешщ галлия —собствен­ ный окисел приводит к целесообразности создания на арсениде галлия не МОП-структур, а полевых транзисторов с барьером Шотткн в затворе.

Развитие технологии получения арсенид-галлиевых ИС связа­ но с развитием методов литографии, ионного легирования, мо­ лекулярно-лучевой эпитаксии и химического осаждения из паро­ вой фазы металлоорганических соединений [9,68]. С целью дос­ тижения сверхнизких значений времени задержки распростране­ ния сигнала и работы переключения исследованы разнообразные структуры на основе GaAs.

40