ВВЕДЕНИЕ
С момента появления первых полупроводниковых микросхем (начало 60-х годов) микроэлектроника прошла путь от простейших логических элементов до сложных цифровых устройств, изготавливаемых на одном полупроводниковом монокристалле площадью около 1 см2. Для обозначения микросхем со степенью интеграции выше 104 элементов на кристалле в конце 70-х годов появился термин "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Уже через несколько лет развитие этих микросхем стало генеральным направлением в микроэлектронике.
В начале своего развития электронная промышленность представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки, и позволяла реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий была связана с процессом сборки. Основными этапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверки соединений между электронными компонентами. Функции и размеры устройств, которые могли быть реализованы на практике, ограничивались количеством используемые компонентов, их физическими размерами и надежностью.
Исторически сложилось так, что первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, как малые размеры и масса, а затем развитие техники ИС, позволяющей скомпоновать на поверхности кристалла значительное количество элементов, включая меж соединения, постепенно привело к возможности создания СБИС. Т.о. стало возможным не только "повышение экономичности" электронных схем, но и улучшение их характеристик с одновременным повышением надежности. Развитие техники и технологии СБИС обусловило весьма существенные вменения в специфике электронной промышленности, заключающееся в совершенствовании процесса изготовления ИС и методов их проектирования. Типичным фактором первой группы является совершенствование микро технологии. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемых законом пропорциональности размеров, так и улучшения их экономических (материальных и энергетических) показателей, связанных с уменьшением площади кристалла.
|
|
Исторически первым полупроводниковым материалом, использованным на ранних стадиях разработки полупроводниковых приборов, был германий. Совершенствование германиевой технологии сделало возможным создание ряда приборов, включая германиевые точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре германий был заменен кремнием, обладающим таким важным свойством, как возможность получения в окислительной среде тонкого, прочного и влагонепроницаемого диэлектрического слоя аморфной двуокиси кремния (SiO2).
В 60-х годах наибольшее распространение получили ИС на основе биполярных транзисторов. Начиная с 1975 г. на рынке превалируют цифровые ИС на основе МОП-структур. Преимущества ИС на основе МОП-структур:
Миниатюризация.
Низкое потребление мощности.
Высокий процент выхода.
Высокое быстродействие.
Высокий уровень технологичности.
В технологии СБИС степень интеграции превышает 215 элементов на кристалл. Уровень миниатюризации, который был использован при производстве процессора Intel Pentium в 1993 году, составлял 0,8 мкм, сейчас используются транзисторы с длиной канала 0,18 мкм, а в перспективе - разработка устройств с длиной канала в 0,13 мкм, что в плотную приближается к пределу физических ограничений на работу такого рода транзисторов.
|
|
Технология создания и получения сверхбольших интегральных схем с минимальными размерами в глубокой субмикронной области (0,25- 0,5 мкм к 2000 году) и наноэлектроника (полупроводниковые приборы с размерами рабочих областей до 100 нм к 2010 году) включают следующие основных направления:
технологию сверхбольших кремниевых схем с минимальными размерами в глубокой субмикронной области;
технологию сверхскоростных гетеропереходных приборов и интегральных схем на основе арсенида галлия, германия на кремнии и других соединений;
технологию получения наноразмерных приборов, включая нанолитографию.
При реализации этих направлений предусматривается создание сверхчистых монокристаллических полупроводниковых материалов и технологических реагентов, включая газы и жидкости; обеспечение сверх чистых производственных условий (по классу 0,1 и выше) в зонах обработки и транспорта пластин; разработка технологических операций и создание комплекса оборудования на новых физических принципах, в том числе кластерного типа, с автоматизированным контролем процессов, обеспечивающим заданную прецизионность обработки и низкий уровень загрязнения, а также высокую производительность процессов и воспроизводимость результатов, качество и надежность электронных элементов.
Технология сверхбольших интегральных схем обеспечивает разработку и промышленное освоение выпуска широкой номенклатуры интегральных схем, составляющих элементную базу высокопроизводительных ЭВМ, специализированной и бытовой радиоэлектронной аппаратуры, средств связи и телекоммуникаций, в том числе космического базирования. При данной технологии возможные минимальные рабочие размеры составляют 0,1-0,5 мкм и менее (до 70 нм к 2010 году), достигаются высокая производительность за счет использования пластин большого диаметра (200 и более мм) и полной автоматизации процессов, значительный процент выхода годных электронных приборов и высокая окупаемость вкладываемых в производство средств.
|
|
Кремниевая технология является основой создания элементной базы радиоэлектроники, вычислительной техники и средств автоматизации и связи широкого применения. Технология гетеропереходных интегральных схем благодаря высокому быстродействию этих приборов ориентирована на специализированные сверхскоростные применения, включая космическую технику, элементную базу суперкомпьютеров, технику связи и телекоммуникаций, а также специальную аппаратуру оборонного назначения.
Нанотехнология станет промышленной приблизительно начиная с 2010 года, что откроет перспективу создания принципиально нового поколения приборов и интегральных схем на новых физических эффектах и приведет в дальнейшем к коренным преобразованиям во многих областях деятельности, в первую очередь - в науке, образовании, управлении производством, в том числе при создании микро роботов, персональных средств связи, глобальных телекоммуникаций, вычислительных устройств на нейросетевых принципах.
N-МОП СБИС ТЕХНОЛОГИЯ
Основы технологии производства n-МОП СБИС
Транзистор на основе структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МОП) является одним из наиболее широко используемых элементов СБИС. Первый транзистор, работающий на эффекте поля, был продемонстрирован в 1960 году. Сначала полевые транзисторы с двуокисью кремния в качестве подзатворного диэлектрика формировались на подложке n- типа проводимости. Затем из-за большей подвижности электронов, чем у дырок при формировании сверхбольших быстродействующих интегральных схем стали использовать n- канальные транзисторы, формируемые на p- подложке.
Рассмотрим основные технологические этапы производства n-МОП СБИС на примере создания логического вентиля И-НЕ с двумя входами.
Принципиальная схема вентиля (инвертора) приведена на рисунке.
Схема состоит из последовательно соединенных двух транзисторов, работающих в режиме обогащения (нормально закрытых) и одного транзистора, работающего в режиме обеднения (нормально открытый). Все транзисторы располагаются между шиной источника питания Vdd и заземляющей шиной Vss. Затворы первых двух транзисторов служат входами схемы, а затвор третьего транзистора, соединенный с истоком второго, является выходом инвертора.
Нормально открытый транзистор служит источником тока для двух остальных. Выходное напряжение имеет низкое значение (логический нуль) только в том случае, когда оба первых транзистора открыты, т.е. на их затворы подан высокий потенциал - логическая единица.
Подложка. В качестве подложки выбирают кремний p- типа проводимости легированный бором КДБ (100) с концентрацией примеси 1015 - 1016см-3. Выбор такой концентрации обусловлен несколькими причинами. С одной стороны уменьшение содержания примеси приводит к снижению чувствительности порогового напряжения к напряжению смещения на подложке и уменьшению емкости p-n переходов, приводя к увеличению быстродействия транзистора. С другой стороны возрастает концентрация неосновных носителей, вызывающих рост тока утечки через обратно смещенный p-n переход, что может привести к соприкосновению областей пространственного заряда стока и истока транзистора (прокол). Одним из вариантов решения этого противоречия является выращивание слаболегированных эпитаксиальных кремниевых слоев на сильнолегированной подложке, имеющей малую концентрацию неосновных носителей.
Ориентация кремниевой подложки (100) имеет преимущество по сравнению с (111), заключающееся с более высокой подвижности электронов, обусловленной низкой плотностью поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик.
2.2 Этапы технологического процесса.
Этап.
Ионная имплантация бора для создания изоляции между транзисторами с помощью p-n переходов.
На поверхность кремниевой подложки наносятся промежуточный слой термической двуокиси кремния и слой нитрида кремния, играющий роль маски при последующем локальном окислении кремния. Далее с помощью процесса литографии на поверхности вытравливаются окна, в которые осуществляется ионная имплантация бора. Иногда имплантацию осуществляют через слой окисла для уменьшения концентрации примеси в подложке и глубины ее проникновения.
Этап.
На этом этапе проводятся следующие технологические операции:
- локальное окисление кремния (ЛОКОС процесс);
- формирование подзатворного окисла (после удаления промежуточных
слоев двуокиси и нитрида кремния);
- имплантация бора для регулировки порогового напряжения нормально
закрытых транзисторов; -
- формирование окна под скрытый контакт.
Этап.
На данном этапе проводится ионная имплантация мышьяка для формирования канала нормально открытого транзистора. Использование мышьяка вместо фосфора обусловлено меньшей его глубиной в полупроводниковую подложку.
Этап.
Проводится нанесение поликристаллического кремния с его последующим легированием мышьяком. Поликремний выполняет роль будущих затворов, предотвращает p- каналы от дальнейшей перекомпенсации акцепторной примеси мышьяком и служит материалом для последующего соединения стока и затвора нормально открытого транзистора. На этом этапе достигается самосовмещение стоков, истоков и затворов.
Этап.
Заключительный этап формирования схемы. На нем осуществляются:
- литография под металлизацию к стокам и истокам транзисторов
- нанесение фосфор силикатного стекла (ФСС). ФСС предотвращает диффузию ионов натрия, сглаживает рельеф поверхности, производит дополнительную активацию примеси.
- формируется пассивирующий диэлектрический слой (окисел или плазмохимический нитрид кремния)