3.2.2. Самосовмещенная мтоп - технология
В процессе изготовления МДП-ИМС возникают различные проблемы и трудности, которые сказываются на качестве ИМС и стабильности их параметров.
При определенных значениях потенциалов на шинах металлизированной разводки возможны образования паразитных МДП - транзисторов, что приводит к образованию каналов проводимости под слоем оксида, расположенным под шиной разводки, и тем самым к возникновению токов утечки между диффузионными областями. Кроме того, для МДП-ИМС опасным является короткое замыкание металла затвора или разводки на подложку, особенно на высоколегированные области истока и стока, вследствие «проколов» оксидного слоя.
Существенной проблемой изготовления МДП-ИМС является совмещение затвора с областями истока и стока. Так отсутствие перекрытия канала металлом затвора приводит к неработоспособности МДП - транзистора, а слишком большое перекрытие (расположение металла затвора над диффузионными областями) - к образованию больших емкостей затвор - исток и затвор - сток что снижает быстродействие ИМС.
Для решения этих проблем разработаны различные технологические приемы. С целью предотвращения образования паразитных МДП - транзисторов под шинами разводки металлизацию выполняют по слою оксида с относительно большой толщиной (порядка 1,5 мкм), который получают при первичном окислении. Процесс изготовления МДП-ИМС с использованием толстого оксида называют МТОП - технологией (металл - толстый оксид - полупроводник).
Для более точного совмещения затворов с областью канала используют технологию изготовления МДП - транзисторов с самосовмещающимся (фиксированным) затвором на основе, например, поликристаллического кремния или молибдена.
Технология изготовления МДП-ИМС на транзисторах с фиксированными затворами основана на том, что после создания толстого оксида и вскрытия окон в нем для активных областей выращивают тонкий оксид под затвор, формируют затвор необходимых конфигурации и размеров, а затем области истока и стока. При этом материал затвора служит маской и тем самым осуществляется процесс самосовмещения затвора.
Существует два направления создания МДП-ИМС с фиксированным затвором: с помощью диффузии, когда используется затвор из кремния или молибдена, и с помощью ионного легирования, когда используется металлический затвор из алюминия.
Самосовмещенный МТОП – процесс является наиболее универсальным, позволяет получать ИМС с двумя и тремя слоями соединений и допускает широкий выбор материалов диэлектрика и затвора. Его особенностью является выращивание толстого защитного оксида и использование осажденного слоя нитрида кремния в качестве защитной маски при диффузии.
Последовательность формирования структуры МДП-ИМС по совмещенной толстооксидной технологии показана на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Последовательность формирования МДП-ИМС по самосовмещенной толстооксидной технологии
Процесс начинают с осаждения на подготовленную пластину слоя нитрида кремния Si3N4. Затем в этом слое с помощью фотолитографии вытравливают окна и проводят диффузию бора для получения областей истока и стока (рис. 3.18, а). Нитрид кремния, находящийся между истоками и стоками, защищают фоторезистом и производят травление незащищенного слоя Si3N4 (рис. 3.18, б). Далее выращивают слой толстого оксида (рис. 3.18, в), удаляют слой Si3N4 и термическим окислением создают тонкий слой оксида под затворы. Заканчивают процесс формированием затворов и внутрисхемных соединений для чего проводят обычную металлизацию алюминием (рис. 3.18, г). Основным преимуществом этого технологического процесса является отсутствие высокотемпературных операций после формирования подзатворного оксида. Кроме того, в МТОП - технологии возможно формирование затворов из поликристаллического кремния, что обеспечивает получение трехслойной системы соединений (диффузионной слой, алюминий и поликристаллический кремний). По этому технологическому процессу изготовляют в основном ИМС на МДП - транзисторах p-типа.
Технология с поликремниевыми затворами. Использование в качестве материала затвора (вместо алюминия) поликристаллического кремния позволяет получить в МДП - микросхемах структуры с самосовмсщенными затворами, снизить пороговое напряжение, (до 0,4 В) уменьшить площадь приборов почти вдвое и дает возможность создавать на одной подложке МДП и биполярные транзисторы. Особенностью технологического процесса является применение пленки поликристаллического кремния толщиной около 0.5 мкм, получаемой, как правило, пиролизом силана /9/.
Поликристаллический кремний - в отличие от алюминия - имеет высокие температуры плавления и может выполнять роль маски при диффузии примесей вплоть до температуры 1100 °С. При использовании ППК в качестве затворов и одновременно в качестве маскирующих пленок можно достичь самосовмещения затворов с областями истока и стока путем перестановки технологических операции формирования МДП - структур.
Последовательность технологических операций показана на рис. 3.19.
Процесс начинают с термического выращивания на пластинах p-типа толстого слоя оксида и последующих фотолитографии и удаления оксида с участков, на которых формируют диффузионные и затворные области. Затем термическим окислением создают оксид под затвор, наносят поликристаллический кремний и в процессе второй фотолитографии вытравливают затворные области транзисторов и кремниевые шины в местах будущих пересечений (рис. 3.19, а - ж).
Далее проводят диффузию примеси n-типа, формируя области истока и стока и диффузионные соединения (рис. 3.19, з). При более низких температурах на пластину осаждают слой стекла, получаемого разложением силана, а затем в этом слое с помощью фотолитографии вытравливают окна под контакты к поликристаллическому кремнию и диффузионным областям (рис. 3.19, и, к). На поверхность пластины напыляют алюминий и с помощью четвертой фотолитографии формируют внутрисхемные соединения (рис. 3.19, л). На заключительной стадии производят вплавление алюминия для обеспечения омического контакта с кремнием, после чего поверхность всей структуры покрывают слоем пассивирующего стекла.
Основным преимуществом рассмотренной технологии является уменьшение взаимодействий между паразитными структурами, что достигается за счет использования соединительных слоев с пороговыми напряжениями, превышающими рабочие напряжения в МДП-ИМС. Это исключает возможность образования участков с высокими утечками и с большими емкостями, возникновение которых обусловлено инверсией электропроводности под затвором.
Применение самосовмещенной толстооксидной технологии для изготовления МДП-ИМС на транзисторах n-типа с кремниевыми затворами обеспечивает высокую надежность всей ИМС вследствие особого расположения соединений и защиты отдельных областей структуры как в процессе изготовления, так и при эксплуатации.
Процесс с использованием молибденовых затворов аналогичен предыдущему. Основные этапы такой технологии показаны на рис. 3.19. Процесс начинают с создания на поверхности кремниевой пластины n-типа защитного толстооксидного слоя толщиной 1,3 мкм. С помощью фотолитографии проводят селективное удаление оксида в местах формирования областей истока, стока и затвора. В полученных окнах термическим оксилением создают оксид под затвор толщиной 0,1 мкм, после чего на пластину осаждают сплошной слой молибдена.
Затем проводят фотолитографию и травление молибдена, в результате чего формируют металлические затворы и первый слой соединительной металлизации над толстым слоем оксида (рис. 3.20, а).
После этого на пластину наносят слой легированного бором стекла, из которого при температуре 1100°С проводится диффузия. Бор диффундирует в кремниевую подложку только сквозь тонкий оксид затвора. При этом толстый оксид и молибден
Рис. 3.19. Последовательность формирования МДП-ИМС по самосовмещенной МТОП – технологии с поликремниевыми затворами: а – окисление кремниевой пластины - типа; б – фотолитография для снятия окисла со всей поверхности пластины, кроме локальных областей будущих транзисторов; в – ионное внедрение бора во вскрытые области для снижения вероятности формирования инверсионных паразитных транзисторов с последующим повторным окислением; г – фотолитография для вскрытия окон под области МДП – транзисторов и диффузионных шин; д – формирование подзатворного диэлектрика окислением в сухом кислороде; е – нанесение пленки поликристаллического кремния из газовой фазы; ж – повышение проводимости пленки поликристаллического кремния путем диффузионного легирования фосфором, формирование кремниевых затворов и шин методом фотолитографии; з – легирование фосфором областей стока, истока с последующим окислением и одновременной разгонкой фосфора; и - нанесение межслойной изоляции (пленки ФСС или окисла кремния); к – фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям стока, истока кремниевым затворам и шинам; л – напыление пленки алюминия и фотолитография для формирования рисунка металлической разводки и контактных площадок
служат защитными масками, сквозь которые бор не проникает. Тем самым достигается самосовмещение затвора. Области, легированные бором, образуют исток и сток транзистора (рис. 3.20, б).
Рис. 3.20. Последовательность формирования МДП-ИМС по самосовмещенной толстооксидной технологии на транзисторах с молибденовыми затворами
На последнем этапе с помощью фотолитографии осуществляют одновременное вскрытие контактных окон к молибдену и диффузионным областям, проводят осаждение алюминия и фотогравировкой по алюминию формируют завершающий слой соединений (рис. 3.20, в). Особенностью этого процесса является отсутствие диффузии в шину затвора, которая имеет место в процессе с кремниевыми затворами. Это обеспечивает потенциально более высокий выход годных МДП - структур. Кроме того, как и в предыдущем случае, фоторезист не попадает на диэлектрик затвора, благодаря чему снижаются опасность его загрязнения и нестабильность порогового напряжения.
Изопланарный процесс. В одном из вариантов технологии производства МДП-ИМС на p-канальных транзисторах используют изопланарный процесс, что позволяет, как и в биполярной технологии, обеспечить высокую плотность размещения элементов, повысить их характеристики. В сформированной структуре МДП - транзистора существенно повышено быстродействие за счет снижения паразитных емкостей (чему способствует толстый окисел) и уменьшения длины канала. Эта технология МДП - структур совместима с изопланарной технологией и может быть использована для формирования БИС с биполярными и МДП - транзисторами.
Особенностью изопланарной технологии является изоляция МДП – структур слоем SiO2 и использование толстооксидной самосовмещенной технологии для получения МДП - транзисторов в изолированных областях. При такой технологии все активные области МДП-ИМС - области истоков, стоков, каналов и диффузионные соединения - формируют на мезаобластях, окруженных слоем оксида кремния и выступающих над утопленной неактивной поверхностью подложки. При этом мезаобласти покрывают двойным диэлектрическим слоем, состоящим из слоя нитрида кремния, осажденного на слой оксида, что защищает мезаобласти от последующей неглубокой диффузии при формировании локальных областей p-типа и от локализованного выращивания толстого оксида. Благодаря этому слою достигается самосовмещение диффузионных областей.
Формирование структуры МДП-ИМС по изопланарной технологии осуществляют следующим образом (рис. 3.21).
Сначала поверхность пластины n-типа подвергают термическому окислению для получения толстого слоя оксида, поверх которого наносят слой Si3N4. Используя фотолитографию и селективное травление, формируют мезаобласти (рис. 3.21, а). Затем в вытравленные кремниевые области проводят диффузию акцепторов на небольшую глубину (рис. 3.21, б). Такое селективное легирование поверхности подложки повышает удельную плотность заряда в приповерхностных областях и тем самым увеличивает паразитное пороговое напряжение. В вытравленных областях, не защищенных Si3N4, термическим окислением создают изолирующие слоем SiO2 области (рис. 3.21, в). Процесс термического окисления проводят так, чтобы наращиваемый оксид образовывал с предварительно нанесенным оксидом гладкую поверхность. Для формирования мезаобластей, проведения термического окисления и селективного легирования требуется только одна фотолитография.
После этого слой Si3N4 удаляют, с помощью фотолитографии в защитном толстом оксиде вскрывают окна под области истока, стока и затвора и по самосовмещенной технологии формируют МДП - структуры. Заканчивают процесс металлизацией (рис. 3.21, г, д).
Рис. 3.21. Последовательность технологических операций формирования структуры МДП-ИМС по изопланарной технологии с использованием толстого окисла
Преимущества изопланарной технологии:
а) получение мезаструктур, изолированных слоем SiO2, позволяет уменьшить паразитные проводимости между отдельными транзисторами и повысить плотность их размещения;
б) селективное легирование под толстым оксидом улучшает электрические характеристики МДП - транзисторов и дает возможность уменьшить расстояние между диффузионными областями соседних транзисторов до 5 мкм, что также повышает плотность размещения транзисторов на подложке;
в) упрощается совмещение металлических контактов с диффузионными областями, так как последние граничат не с подложкой, а со слоем SiO2; при этом площадь под контакты может быть существенно уменьшена;
г) полученные структуры с гладкой поверхностью позволяют легко осуществлять металлизацию с минимальной высотой ступенек по поверхности, выполнять алюминиевые шины шириной и зазорами менее 5 мкм, тем самым повышается выход годных и плотность упаковки ИМС.
Таким образом, изготовленные по изопланарной технологии МДП-ИМС обладают высокой плотностью размещения элементов и улучшенными электрическими характеристиками (благодаря искусственно созданным высоким пороговым паразитным напряжениям). Такие МДП-ИМС легко выполняют совместно с ИМС на биполярных транзисторах.
Самосовмещенный процесс с использованием ионного легирования. Ионное легирование в технологии МДП-ИМС применяют в двух случаях: для самосовмещения затвора с диффузионными областями и для получения МДП - транзисторов, работающих в режиме обеднения с низким пороговым напряжением.
В первом случае для изготовления МДП-ИМС используют так называемую комбинированную диффузионно-ионную технологию. Согласно этой технологии, основные этапы формирования структуры осуществляют по обычной технологии, при этом области истока и стока создают диффузионным способом до выращивания тонкого оксида. Ионное легирование применяют на последней стадии формирования ИМС, когда выполняют встроенный канал в промежутке между областями стока и затвора или (и) истока и затвора. При этом достигается самосовмещение затвора.
Во втором случае ионное легирование также используют на последней стадии изготовления ИМС, когда МДП - структуры уже сформированы, например по толстооксидной технологии. При этом часть структуры подвергают ионному легированию, с помощью которого между областями истока, и стока p-типа формируют встроенные каналы p-типа. Это позволяет получать транзисторы, работающие в режиме обеднения, которые используют в качестве нагрузочных элементов. Тем самым достигается улучшение схемных параметров ИМС.
Ионное легирование применяют также для осуществления операции «загонка» при формировании «карманов» в КМДП - технологии.
По рассмотренным технологическим процессам изготовляют подавляющее большинство цифровых и аналоговых ИМС массового потребления. Дальнейшее совершенствование процессов МДП-технологии направлено на уменьшение геометрических размеров МДП – структур и повышение их быстродействия.