3.2.5. Технология комплементарных мдп-имс (кмдп - технология)
Один из способов существенного повышения быстродействия логических МДП-ИМС, базирующихся на стандартной технологии, - создание комплементарных МДП (К-МДП)-структур, в состав которых входят МДП-транзисторы с каналами p- и n-типов, сформированные на общей подложке.
Эта технология позволяет создавать логические микросхемы со сверхмалым потреблением мощности в статическом режиме, высокими помехоустойчивостью и быстродействием.
Технологическая схема получения КМДП – структур с оксидным диэлектриком показана на рис. 3.23.
Процесс начинается с формирования в подложке n-типа диффузионного «кармана» p-типа (рис. 3.23, а) служащего в дальнейшем подложкой для n-канального транзистора. После этого с помощью диффузии бора в подложку n-типа создаются стоковая и истоковая области p-канального транзистора (рис. 3.23, б), а с помощью диффузии фосфора в p-карман – стоковая и истоковая области n-канального транзистора (рис. 3.23, в). Последующие маскирование и травление оксида проводятся в местах, где будет формироваться особочистый подзатворный диэлектрик (рис. 3.23, г). Затем в обоих приборах вскрываются окна под оксид затвора, который выращивается термически одновременно в обеих структурах (рис. 3.23, д). Наконец, вскрываются контактные окна к диффузионным областям и подложкам и формируется соединительная металлизация (рис. 3.23, е).
Рассмотренный метод основан на базовой МДП – технологии, однако он сложнее и включает три операции диффузии и шесть операций литографии. Поэтому К-МДП - приборы характеризуются меньшим процентом выхода годных и более высокой стоимостью. В этих приборах общая площадь структуры заметно увеличена за счет диффузионных «карманов» p-типа. Для получения n-канальных транзисторов, работающих в режиме обогащения с пороговым напряжением около 2В, требуется выдержать концентрацию бора в приповерхностной области «кармана» на уровне (2...5) -1016 см-3 для компенсации влияния положительного заряда в оксиде. Это довольно сложная задача, так как в процессе высокотемпературной обработки происходит диффузия бора в оксид и обеднение приповерхностных слоев полупроводника. Поэтому, несмотря на все преимущества К-МДП-ИМС (в том числе быстродействие, достигающее 40 МГц), они находят в настоящее время относительно ограниченное применение и используются главным образом в тех случаях, когда стоимость изделий не имеет существенного значения (например, в военной и космической электронике).
Рис. 3.23. Схема КМДП - технологии
Некоторые изменения в технологии К-МДП-ИМС уменьшают трудности их производства. Так, для формирования «карманов» p-типа можно проводить эпитаксию кремния p-типа в предварительно вытравленных углублениях. Это способствует созданию p-области с практически постоянной по глубине концентрацией бора и снижению степени его перераспределения во время высокотемпературной обработки.
С целью упрощения КМДП – технологии успешно применяется КНС – процесс.
КМДП – технология на диэлектрических подложках - одно из перспективных направлений в изготовлении КМДП-ИМС. Весьма эффективным технологическим методом уменьшения паразитных емкостей является применение изолирующих монокристаллических подложек из сапфира, на поверхности которого выращивается тонкий (1 мкм) эпитаксиальный слой монокристаллического кремния - кремний на сапфире (КНС). Отдельные МДП - транзисторы формируются в изолированных друг от друга островках, что позволяет уменьшить паразитные связи между компонентами.
Последовательность операций изготовления КМДП-ИМС на сапфире представлена на рис. 3.23.
Подложка ИМС для технологии КНС изготавливается из высококачественного монокристалличёского сапфира (Al2O3), выращенного по методу Чохральского, разрезанного по плоскости (110) и отполированного до высокой степени чистоты поверхности. Первый этап ТП - эпитаксиальное выращивание на сапфировой подложке пленки монокристаллического кремния толщиной 0,6 мкм, ориентированного по плоскости (100). Слой кремния легируется в процессе выращивания примесью n-типа с концентрацией, обеспечивающей получение p-канальных обогащенных МДП - транзисторов с заданным пороговым напряжением.
На поверхности кремния формируется тонкий защитный слой термического SiO2, на который осаждается из газовой фазы двухслойная структура, содержащая пленки Si3N4 и SiO2. Пленка нитрида применяется в последующих этапах ТП в качестве защитной маски при окислении и диффузии. В результате осаждении получается многослойная структура (рис. 3.23, а).
После этого путем ФЛ создается заданная конфигурация кремниевых «островков». Для формирования на кремнии наклонных ступенек используется анизотропный травитель. После стравливания примерно половины исходной толщины кремниевой пленки (рис. 3.24, б) оставшийся кремний термически окисляется на всю глубину вплоть до поверхности сапфира (рис. 3.24, в).
Полученный оксид обеспечивает как и хорошую изоляцию, так и планарность кристалла при всех последующих операциях.
Рис. 3.24. Схема КМДП КНС - технологии
Затем выполняется селективное травление исходного слоя Si3N4, с помощью которого формируется конфигурация затворных областей МДП - транзисторов (рис. 3.24, г). Для имплантации ионов бора в участки кремния, отведенные под n-канальные транзисторы, служит маска из толстого слоя фоторезиста. Ионы бора переводят кремнии под слоем нитрида и все остальные незащищенные участки кремния в материал p-типа с концентрацией примеси, обеспечивающей получение n-канальных транзисторов с заданным пороговым напряжением.
После снятия маски из фоторезиста на пластину осаждается источник атомов фосфора для формирования диффузионных n-областей. Этот источник представляет собой пленку легированного фосфором оксида - фосфоросиликатное стекло (ФСС). С площадок, где должны быть сформированы диффузионные области p-типа, ФСС снимается фотолитографией. Затем диффузией создаются области n - и p-типов (рис. 3.24, д).
После разгонки введенных примесей осаждённые оксидные пленки удаляются и заменяются новым осажденным слоем оксида. В этом слое вытравливаются с некоторым запасом окна в местах расположения затворных областей, которые должны обеспечивать последующее удаление еще оставшегося над затворами слоя Si3N4 (рис. 3.24, е) После этого удаляются слон Si3N4 и лежащий под ним слой SiO2 и выращивается с особой тщательностью подзатворный оксид. Для снижения дрейфа характеристик оксид стабилизируется обработкой HCl.
При помощи шестого маскирования и травления формируются контактные окна к кремниевым «островкам». Затем напыляется тонкий слой алюминия, в котором создается структура межсоединений (рис. 3.24, ж).
Сапфир - очень хороший изолятор, поэтому токи утечки, паразитные емкости между областями МДП - транзисторов и подложкой и емкостные связи между соседними транзисторами отсутствуют. Паразитной емкости между проводниками разводки и подложкой также не существует. Эти особенности данного конструктивно-технологического варианта дают существенный выигрыш в параметрах микросхем.
Технология «кремний на сапфире» позволяет повысить быстродействие по сравнению с монолитными микросхемами в 3...5 раз, что связано в основном со снижением паразитных емкостей. Малые площади вертикальных p-n переходов обусловливают высокую радиационную стойкость микросхем. Наиболее полно все эти преимущества реализуются при изготовлении БИС.
Трудности технологии заключаются в создании надежной разводки из-за сильно развитого поверхностного рельефа структуры, высокой стоимости сапфировых подложек.
Технология КМДП-ИМС на диэлектрических подложках имеет несколько разновидностей. Так, иногда применяют подложки из кристаллической шпинели, структура которой близка к кремнию, а способность к автолегированию меньше чем у сапфира.
Тем не менее наиболее распространенной остается КНС - технология. По мере снижения стоимости подложек и повышении качества тонкого эпитаксиального слоя кремния на сапфире освоение этого технологического направления в производстве различных типов МДП-ИМС быстро развивается.
КМДП – технология с ППК – затворами. Выше была подробно рассмотрена самосовмещенная МТОП – технология с ППК - затворами. Схема технологического процесса для случая формирования КМДП – структур представлена на рис. 3.25.
Особенностью технологии является применение пленки поликристаллического кремния ((ППК) толщиной около 0,5 мкм в качестве затворов и одновременно маскирующих слоев (рис. 3.25, е). Это позволяет достичь самосовмещения затворов с областями стока и истока путем перестановки технологических операций формирования КМДП – структур.
Методом фотолитографии из ППК формируют шины затвора шириной 3...5 мкм и проводники первого (если не считать диффузионных шин) слоя межэлементных соединений. Диффузия примесей, проводимая после формирования дорожек из ППК (рис.3.25, з), приводит к формированию областей истоков и стоков и одновременно к легированию ППК, что снижает его поверхностное сопротивление. Шины затвора из ППК защищают при диффузии области каналов от проникновения акцепторной примеси, благодаря чему области истока и стока автоматически совмещаются с затвором и обеспечивается перекрытие затвором этих областей менее 1 мкм. После осаждения защитного и изолирующего слоев (рис.3.25, и) формируют второй уровень разводки (рис.3.25, л) из алюминия.
Технология производства МДП - микросхем с поликремниевыми затворами является наиболее перспективной для массового производства быстродействующих БИС и СБИС. Дальнейшее развитие технологии КМДП - микросхем идет в направлении использования новых перспективных материалов для создания многослойных (до 10 слоев) пленочных структур поверх полупроводникового материала.
КМДП – технология с ППК – затворами и многоуровневой разводкой - современный технологический процесс, позволяющий получить КМДП - микросхемы высокой степени интеграции и отличного качества. От технологии производства КМДП БИС, описанного выше, настоящий процесс отличается наличием дополнительных операций по формированию второго уровня поликремния.
Схема технологического процесса показана на рис. 3.26.
Исходным материалом для КМДП - микросхем выбирается кремний n-типа с ориентацией (100). Первым шагом является создание термическим окислением маскирующего окисла и, после фотолитографии, проводится ионное легирование бором локальных участков кремниевой пластины, предназначенных для формирования n-канальных транзисторов (рис. 3.26, б). Сразу же после этого выращивается подзатворный окисел, а поверх него наносится нитрид кремния (рис. 3.26, в). После фотолитографии по нитриду проводится путем ионного внедрения через слой окисла подлегирование соответствующих участков поверхности кремния вначале бором, затем фосфором (рис. 3.26, д). После проведения операции локального окисления кремния с целью получения толстого окисла нитрид кремния, служивший маской при локальном окислении кремния, удаляется и на покрытую окислом кремниевую пластину наносится пленка поликристаллического кремния, которая после фотолитографии и плазмохимического травления остается только над участками будущих затворов будущих n- и p- канальных МДП - транзисторов (рис. 3.26, е). Поверхность поликремниевых затворов и дорожек покрывают тонким слоем термического окисла. Последовательное проведение операций фотолитографий и ионного легирования структур вначале бором (рис. 3.26, ж), а затем фосфором (рис. 3.26, з) формирует области истоков и стоков p- и n-канальных транзисторов и одновременно приводит к легированию поликремниевых затворов и шин соответствующими примесями p- и n-типа.
Преимущества такого выбора материалов и последовательности проведения операций заключается в следующем: нитрид кремния и поликремний защищают подзатворный окисел от воздействия технологических сред на всех этапах производства; пленки поликремния p- и n-типов используются в качестве уровней разводки; поликремний выполняет роль маски при имплантации истоковых и стоковых областей, чем и достигается самосовмещение края затвора с краями областей
Рис. 3.25. Последовательность технологических операций при производстве КМДП - микросхем с поликремниевыми затворами: а - окисление кремниевой пластины p-типа; б - фотолитография для вскрытия окон под диффузию примеси p-типа и формирования областей размещения n-канальных транзисторов; в - ионное внедрение бора во вскрытые области, окисление и одновременная разгонка бора; г - фотолитография для вскрытия окон под области n-канальных транзисторов, диффузионных шин и охранных колец; д - формирование подзатворного окисла кремния; е - нанесение пленки поликристаллического кремния и фотолитография по поликристаллическому кремнию для формирования кремниевых затворов и шин; ж - фотолитография для вскрытия окон под легирование областей стоков, истоков p-канальных транзисторов, p-шин и охранных n-колец и проведение загонки бора ионным легированием; фотолитография для вскрытия окон под легирование областей стоков, истоков n-канальных транзисторов, n-шин и n-охранных колец и проведение загонки фосфора ионным легированием; з - окисление и одновременная разгонка примесей в ионно легированных слоях; и - нанесение фосфоросиликатного стекла (межслойная изоляция); к - вскрытие окон под контакты методом фотолитографии; л - напыление алюминия и фотолитография для формирования металлических проводящих дорожек, перемычек на затворы и контактных площадок
Рис. 3.26. Последовательность технологических операций производства КМДП БИС с использованием поликремниевых затворов и резисторов и многоуровневой разводки: 1 – пленка SiO2; 2 – фоторезист; 3 – пленка Si3N4; 4 – ППК (первый уровень); 5 – ППК (второй уровень); 6 – ФСС; 7 – слой защитного диэлектрика; 8 – алюминиевые проводники
истока и стока. При таком способе формирования структуры транзисторов минимальная длина канала определяется только возможностями фотолитографического процесса по поликремнию, в связи с чем использование прецизионных методов литографии (рентгенолитографии, электронолитографии) в сочетании с плазмохимическим травлением позволяет получить каналы субмикронных размеров.
Следующим шагом в технологии является нанесение второго слоя полнкремния (рис. 3.26, и), на основе которого формируются резисторы с очень высокими номиналами (мегаомы) сопротивлений, необходимых, например, при создании ячеек памяти. Это позволяет уменьшить токи утечки в ячейке, ведет к уменьшению ее размеров, повышению быстродействия. Далее следует стандартное окончание технологического процесса: осаждение металлической пленки сплава алюминий - кремний (около 1 % Si), формирование алюминиевых контактов к областям монокристаллического и поликристаллического кремния (рис. 3.26, к) и формирование разводки, пассивация схемы фосфоросиликатным стеклом, нанесение слоя защитного диэлектрика, фотолитография для вскрытия окон в диэлектрике над контактными площадками и над дорожками для скрайбирования, сборочные операции.
3.2.6. Н-МДП - технология
Н-МДП - технология - это высококачественная n-канальная технология, основанная на принципе пропорциональной миниатюризации. В ее основу положена толстооксидная самосовмещенная технология формирования n-канальных транзисторов с затворами из поликристаллического кремния, где области истока и стока и соответственно минимальная длина канала формируются имплантацией ионов мышьяка. Применяя при этом обычные процессы литографии и травления, получают транзисторы с длиной канала 2 мкм и толщиной подзатворного диэлектрика из оксида кремния толщиной 40 нм. Этим достигается высокое быстродействие, сравнимое с быстродействием биполярных БИС, при сохранении преимуществ МДП-БИС - высокой плотности упаковки и малой потребляемой мощности. Изготовляемые по Н-МОП - технологии кристаллы БИС ЗУ емкостью 4 К бит имеют площадь менее 14 мм2, время считывания информации 22 нс и потребляемую мощность 500 мВт. Дальнейшее совершенствование данной технологии направлено на получение транзисторов с длиной канала менее 1 мкм путем использования непосредственного пошагового репродуцирования уменьшенных рисунков на пластины и новых процессов литографии. Это позволит создать СБИС ЗУ емкостью 64 К бит, 256 К бит и 32-разрядные микропроцессоры в одном кристалле.
Разновидностью n-канальной технологии является технология изготовления БИС на МДП - транзисторах с затвором Шоттки. В таких транзисторах барьер Шоттки формируют путем создания локального контакта материала затвора к каналу МДП - транзистора. При этом в качестве материала затвора применяют силицид кремния, а разводку выполняют на основе многослойных структур (Mo - Au, Mo - Pt, Ti - Pt - Au и др.). Алюминий, который наиболее часто используют для создания барьера Шоттки на кремнии n-типа, в качестве материала затвора не применяют ввиду существенной растворимости кремния в алюминии, взаимодействия алюминия с оксидом, электромиграции алюминия и крупнозернистости структуры его пленок.
Процесс изготовления БИС на МДП - транзисторах с затвором Шоттки состоит из ряда операций, выполняемых в такой последовательности:
окисление для создания толстого маскирующего оксида;
фотолитография для вскрытия окон под исток, сток и канал;
окисление для создания тонкого подзатворного диэлектрика;
имплантация фосфора и бора через тонкий слой SiO2 для формирования области канала;
термообработка;
фотолитография для вскрытия окон под исток, сток и барьер Шоттки;
напыление материала затвора (Pd2Si или PtSi);
фотолитография для формирования затвора;
имплантация - самосовмещенное формирование истока и стока;
напыление материала разводки;
фотолитография для получения определенной конфигурации разводки;
термообработка.
По данной технологии изготовляют БИС
быстродействующей памяти. Например,
БИС емкостью 4 К бит размещаются на
кристалле размером
мм, имеют время считывания 25-75 нс.
3.2.7. V-МДП - технология
Эта технология является разновидностью n-канальной технологии, в основу которой положено анизотропное травление кремния с целью формирования V – образных канавок, на боковых поверхностях которых создаются n-канальные V-МДП – структуры. V-МДП – процесс позволяет добиться рекордных результатов по плотности размещения элементов. По сравнению с n-МДП-технологией V-МДП-процесс при формировании логических микросхем экономит примерно 40 % площади кристалла за счет площадей истоковых электродов и земляных шин. Это достигается тем, что в отличии от описанных выше планарных двумерных структур V-МДП–технология вносит в конструкцию вертикальное измерение, позволяя формировать исток прибора под его затвором и стоком.
Последовательность этапов формирования V-МДП-структур показана на рис. 3.27.
Для выполнения этого технологического процесса требуется семь фотолитографий (включая формирование металлизации) - на одну больше, чем в типовой технологии n-МДП-микросхем, однако две фотолитографии не требуют особо точного совмещения фотошаблонов (аналогично некоторым фотолитографическим процессам в изопланарной технологии).
Рис. 3.27. Последовательность технологических операций производства V-МДП БИС: 1 - эпитаксиальный слов; 2 - фоторезист; 3 - нитрид кремнии; 4 - окисел кремния; 5 - ионно - легированный бором слой; 6 - диффузионно - легированный бором слой; 7 - поликремний; 8 - алюминий
Изготовление V-МДП - приборов начинается с легирования бором поверхности сильно легированной пластины n+-типа и последующего выращивания на пластине эпитаксиального слоя n-типа толщиной примерно 3 мкм (рис. 3.27, а). Следующий этап процесса - осаждение двуокиси кремния и нитрида кремния, после чего проводят фотолитографию для вскрытия тех участков, в которые будет проводиться имплантация ионов бора (рис. 3.27, б). Таким образом, формируют два тонких слоя p-типа, верхний образуется за счет ионного легирования бором, а нижний - за счет диффузионного легирования подложки перед эпитаксией.
После проведения операции ионного легирования и удаления фоторезиста методом локального окисления выращивают толстый защитный окисел (рис. 3.27, в). На следующем этапе проводится фотолитография по оставшемуся слою нитрида кремния, в процессе которой всюду, кроме областей формирования V-МДП-транзисторов, n-МДП-транзисторов и резисторов, вскрываются окна под ионное легирование для получения областей n+-типа. Формирование этих стоковых областей проводится имплантацией ионов мышьяка (рис. 3.27, г). Далее проводится второе локальное окисление для создания толстого окисла над только что полученными ионнолегированными областями (рис. 3.27, д).
В заключение проводят травление V-образных углублений, выращивание подзатворного окисла, осаждение пленки поликремния, травление контактных окон, нанесение пленки алюминия и создание второго уровня разводки (рис. 3.27, е).
В этом технологическом процессе одновременно могут быть сформированы приборы МДП – микросхем, показанные на рис. 3.28.
Кроме V-МДП-транзистора процесс позволяет формировать обычные n-канальные МДП-транзисторы с плавающим потенциалом подложки и нагрузочные резисторы. Толстый окисел над стоковыми областями обеспечивает их самосовмещение с затворами как в V-МДП, так и в n-МДП-транзисторах, снижая паразитные емкости перекрытия. Основной довод в пользу нагрузочных резисторов в этих схемах вместо нагрузочных транзисторов - возможность сократить на одну число операций фотолитографии, такой резистор выполняет роль нагрузочного n-МДП-транзистора. Поликремний, образующий затворы V-МДП- и n-МДП-транзисторов, при формировании конструкции резистора служит маской при имплантации примесных ионов. Легирующая примесь, обеспечивающая получение n-МДП-транзисторов, внедряется в кремниевую пластину без маски еще до осаждения поликремния, тогда как примесь, с помощью которой формируется резистор, - после осаждения и травления поликремния. Вот это и позволяет исключить один фотошаблон для формирования МДП - структуры.
Рис. 3.28. Варианты полупроводниковых приборов, формируемых в V-МДП БИС одновременно с V-МДП - транзистором
Рассмотренный процесс позволяет получить четыре слоя разводки: диффузионные шины, поликремний, металлическую разводку и шину земли (кремниевую пластину). Сочетая обычный n-канальный МДП - транзистор и резистор, можно сформировать совмещенную структуру n-МДП-транзистора с резистором (рис. 3.28). В ней при ионном легировании областей истока и стока одновременно легируется и пленка поликремния, осуществляющая при операции легирования роль маски, а при функционировании прибора - роль затвора и роль резистора. Эта структура обладает малыми паразитными емкостями p-n-переходов и перекрытий затвором областей истока и стока. Все перечисленные и изображенные на рис. 3.28 элементы МДП - микросхем хорошо дополняют V-МДП-транзистор, позволяя создавать микросхемы с оптимальными параметрами.