1.3. Технологічні процеси виробництва мдн імс

Основним елементом більшості сучасних інтегрованих мікросхем (цифрових і аналогових) є польовий транзистор (рис. 1.24) із ізольованим заслоном типу метал – діелектрик – напівпровідник (МДНПТ - MISFET), який може виконувати функції як резистора, так і конденсатора. Якщо ізоляцію заслону в силіцієвих ІМС виконують діоксидом силіцію, то такі ІМС позначають МОН (MOS) (метал – оксид - напівпровідник) ІМС, якщо - складним діелектриком, що включає оксид та нітрид силіцію, то позначають МДН ІМС.

Двадцять років тому інтегровані мікросхеми рівною мірою створювали як на польових, так і біполярних транзисторах, але швидкий прогрес у науці і технології дозволив створити високотехнологічні наномініатюрні МДН інтегровані транзистори, які за своїми параметрами значно перевершили біполярні і стали визначати прогрес мікроелектроніки.

Основні технологічні досягнення сучасних МДН ІМС пов’язані з їх цифровим застосуванням для створення великих (ВІС) і надвеликих (НВІС) інтегрованих мікросхем. Для виробництва ВІС і НВІС стає виправданим застосування складних і дорогих методів виготовлення, за яких досягають значного збільшення швидкості роботи мікросхем і щільності упакування, а розсіювана потужність зменшується.

Базова структура МОНПТ, запропонована ще в 1960 році, залишається практично незмінною і донині. На поверхні напівпровідникової пластини силіцію високотемпературним оксидуванням створюють тонкий шар діоксиду силіцію, на який осаджують метал чи інший матеріал з доброю провідністю. Така тришарова структура (рис. 1.24) і дала назву транзисторові - Метал-Оксид-Напівпровідник (МОН). Електрод, розміщений над діоксидом силіцію, називають заслоном. У перших розробках ІМС для заслону транзисторів використовували алюміній, для сучасних МДН транзисторів такими матеріалами є високолегований полікристалічний силіцій, вольфрам, молібден і ін. Під заслоном у приповерхневому шарі напівпровідника в процесі виробництва або в процесі функціонування створюють канал, який з’єднує між собою дві області одного типу провідності, які називають витоком і стоком. Процесами створення або переривання каналу керує заслін транзистора.

До областей витоку і стоку формують омічні контакти, через які подають електричну напругу на транзистор. Якщо канал під заслоном створено, то через нього протікає струм транзистора. Поверхню кристалу для захисту від зовнішніх впливів покривають товстим шаром діелектрика.

На рис. 1.24 зображено p – канальний МДН транзистор, у якого заслін виконано із полікристалічного силіцію з високим рівнем легування акцепторною домішкою. Області витоку і стоку самосуміщені із заслоном, а поверхня транзистора захищена діоксидом силіцію.

Відстань між витоком і стоком називають довжиною каналу транзистора. Це важливий параметр, який визначає розміри транзистора, ступінь інтеграції, швидкодію і енергоспоживання мікросхеми. Із зменшенням довжини каналу зменшуються геометричні розміри транзисторів, площа кристала, паразитні ємності, зростає швидкодія і знижується енергоспоживання мікросхеми.

У сучасних транзисторів довжина каналу менша, ніж довжина заслону. Тому довжина заслону нині стала важливим конструкцівним параметром, що визначає прогрес у зменшенні розмірів транзисторів і збільшенні ступеня інтеграції мікросхем. За останні 30 років довжину заслону транзистора зменшили в 200 разів, - з 10 мкм на початку 70-х років милого століття до 50 нм у 2006 році. Мінімальні розміри елементів будуть продовжувати швидко зменшуватися і до 2012 року досягнуть 30 нм. Прогрес у зменшенні розмірів елементів мікросхем дозволив реалізувати масове виробництво мікропроцесорів Intel Pentium 4 з тактовою частотою більше 2,5 ГГц на МОН транзисторах з довжиною каналу 60 нм і товщиною підзаслінного діоксида силіцію 1,5 нм. Нині комерційно доступною є технологія з мінімальними горизонтальними розмірами елементів 0,13 мкм.

Кожен технологічний крок у напрямку зменшення розмірів елементів ІМС викликає багато проблем у конструюванні і виробництві, які доводиться вирішувати для забезпечення теоретично прогнозованих характеристик транзистора. Будь - яке поліпшення одних параметрів призводить до погіршення інших, причому зі зменшенням розмірів взаємний вплив параметрів стає усе сильним.

У технології виготовлення МДН ІМС реалізується самоізоляція МДНПТ, тому відсутні спеціальні технологічні операції ізоляції, спрощується технологія виготовлення, зменшуються розміри МДНПТ, збільшується ступінь інтеграції. Однак при зменшенні розмірів транзисторів і відстаней між ними необхідність ізоляції стає актуальною, тому більшість сучасних технологічних процесів виготовлення МДН ІМС використовують для створення ізолювальних областей технології локального оксидування і технології ізоляції глибокими ізолювальними канавками або їх комбінації.

Внутрішні з'єднання виконують мідною або алюмінієвою металізацією, високолегованими дифузійними провідниковими областями в силіції, полікристалічними високолегованими силіцієвими провідниками та ін. Кількість шарів металізації сучасних МДН ІМС наближається до десяти, виготовлення яких є складною технічною і технологічною проблемою.

Відповідальною ТО виготовлення МДН ІМС є створення діелектричного шару під заслоном, який повинен мати високу електричну міцність і відносну діелектричну проникність, мінімальну величину і стабільність заряду.

Залежно від типу електропровідності каналу МДНПТ поділяють на n – канальні і p – канальні. Тому базовими технологіями виробництва МДН мікросхем є технологічні процеси виготовлення МДН ІМС із каналами n – або p – типу. Комплементарні МДН (КМДН) мікросхеми об’єднують у одній структурі МДН транзистори із каналами обох типів провідності. Базові технологічні процеси їх виготовлення включають основні ТО виробництва як n – канальних, так і p – канальних мікросхем. В ІМС використовують МДНПТ з убудованими і індукованими каналами, що вносить деякі різновиди в технологічні схеми ТП.

Технологічні процеси виготовлення МДН ІМС класифікують за типом МДНПТ, типом ізоляції транзисторів, матеріалом напівпровідникової основи, заслону та підзаслінного діелектрика і способом створення основних областей МДН - структур. Для виготовлення МДН ІМС найчастіше застосовують наступні типові технологічні процеси: самосуміщена товстооксидна технологія; самосуміщена технологія з використанням йонного легування; LOCOS – технологія; ізопланарна технологія; V - технологія; технологія “силіцій на сапфірі” (СНС); технологія “силіцій на діелектрику” (СНД) та ін.