Введение

Современная микроэлектроника –– ключевая отрасль, определяющая экономический прогресс любой страны мира. Основу микроэлектроники составляет производство интегральных микросхем. Каждое новое поколение ИС связано с созданием принципиально новых подходов к технологии изготовления и новых технологических методов, отражающих последние достижения мировой науки. Текущий этап развития микроэлектроники связан со сверх- и ультра большими интегральными схемами. Мировой опыт говорит, что в среднем новая технология СБИС вводится каждые три года. С каждым новым поколением ИС их минимальный топологический размер уменьшается приблизительно на 70 %, размер чипа уменьшается примерно в 1,6 раза, в то время как технологический процесс усложняется на два критических уровня.

КМОП-технология в настоящее время является наиболее широко используемой для производства полупроводниковых приборов, а также имеет очень обнадеживающие перспективы на будущее.

КМОП-схемы позволяют иметь широкие допуски на технологические разбросы параметров и допускают большую гибкость в топологии. Следовательно, можно разработать средства автоматизированного проектирования, благодаря которым длительность полного цикла проектирования КМОП СБИС, от технических требований до топологии кристалла составит менее месяца. В связи с продолжающимся сокращением минимальных размеров топологических элементов ИС сегодня на одном кристалле можно выполнить 10⁸ транзисторов. Отрабатываемые в настоящее время в научно исследовательских лабораториях технологические новшества, применимые в КМОП-схемах позволят в скором времени увеличить это число еще на порядок. Недавно разработанные средства автоматизации производства обеспечивают сегодня выпуск КМОП-схем такого уровня сложности с выходом годных свыше 85 %.

КМОП-схемы отличаются высокой помехоустойчивостью, широким диапазоном рабочих напряжений и температур, малыми управляющими токами, пониженной потребляемой мощностью; к тому же для КМОП УБИС характерна простота проектирования. КМОП-схемы удобны для масштабирования до субмикронных размеров; они имеют более высокие рабочие показатели и надежность в сравнении с другими типами ИС.

Поставленная цель данного дипломного проекта состоит в исследовании и разработке методов межкомпонентной изоляции субмикронного КМОП технологического процесса.

Необходимо проанализировать свойства различных межкомпонентных изоляций, рассмотреть структуры наиболее перспективных методов, а также улучшить качество их изготовления.

1. Обзор литературы по твердотельным моп-структурам

1. Разновидности полупроводниковых моп-структур. Развитие моп технологии

Первые p-канальные МОП ИС изготавливались на кремниевых пластинах с ориентацией (111) и пороговые напряжения типовых p-канальных МОП-транзисторов с алюминиевыми затворами составляли примерно — 4 В. Крупным усовершенствованием технологии изготовления МОП ИС стало успешное применение поликристаллического кремния (или поликремния) в качестве материала затворов. Когда затвор делается из кремния, его можно осадить до формирования диффузионных областей истока и стока, причем сам этот затвор можно использовать как маску при формировании этих областей. При такой технологии достигается почти идеальное совмещение затвора с областью канала транзистора. Единственный участок перекрытия затвором истока и стока обусловлен поперечной диффузией примесных атомов; такое самосовмещение уменьшает паразитные емкости перекрытия и тем самым повышает быстродействие транзистора. Кроме того, при изготовлении транзисторов с самосовмещенными кремниевыми затворами величина Ф_мs получается такой, что инверсия поверхности кремния n-типа облегчается. Эта особенность кремниевых затворов позволила наладить производство p-канальных МОП-транзисторов с кремниевыми затворами на кремнии с ориентацией (111) с пороговыми напряжениями около — 2 В. Такое пороговое напряжение необходимо для того, чтобы обеспечить электрическую совместимость МОП-схем с биполярными схемами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ-схемами), что бывает необходимо при проектировании многих электронных систем. С точки зрения производства ИС технология кремниевых затворов имеет еще одно важное достоинство. Высокая температура плавления затворного материала позволяет полностью герметизировать МОП-транзистор в слое SiO₂. Такая герметизация не только отлично защищает чувствительную область канала МОП-транзистора и стабилизирует ее свойства, но и позволяет использовать поликристаллический кремний в областях за пределами затворов МОП-транзисторов. В этом поликремнии можно проложить дополнительный слой межсоединений, пересекаемых стандартными металлическими соединительными проводниками или даже проводниками другого слоя поликремния. На рисунке 1.1, показано поперечное сечение p-канального МОП-транзистора с кремниевым затвором с защитным покрытием из стекла, разработанного для МОП ЗУ с произвольной выборкой емкостью 1024 бит в 1970 г.

С наступлением эры сверхбольших интегральных схем (СБИС) начались разработки и производство схем, содержащих до нескольких сотен тысяч приборов. Межсоединения для таких схем обычно делаются проводниками минимально возможного для данной технологии сечения. С уменьшением размеров соединительных проводников электропроводность поли­кристаллического кремния стала фактором, ограничивающим возможность его применения в качестве материала межсоединений.

При предельно достижимых на практике примесных концентрациях пленка поликристаллического кремния толщиной 0,5 мкм имеет поверхностное сопротивление около 20 Ом/квадрат.

Рисунок 1.1 –– Сечение фрагмента ИС, на котором показано применение поликристаллического кремния в качестве материала затвора р-канального МОП-транзистора (слева) и в качестве материала соединительного проводника (справа)

Получаемое при этом сопротивление соединительных проводников может быть причиной относительно больших RС-постоянных времени и значительных разбросов постоянных напряжений в СБИС. Один из методов уменьшения поверхностного сопротивления поликристаллического кремния — отжиг пленки с помощью лазера или в печи с нагревательной лампой в течение нескольких секунд, однако, в обоих случаях достигается лишь ограниченное улучшение. Другой метод, проработанный к настоящему времени более серьезно, предусматривает применение какого-либо другого материала, который сохранял бы свойственные поликремнию самосовмещение затворной области МОП-транзистора и возможность полной герметизации окислом, но имел бы меньшее поверхностное сопротивление. Чаще всего в качестве таких материалов используются силициды тугоплавких металлов, особенно вольфрама, тантала, титана и молибдена, или сами тугоплавкие металлы, например воль­фрам. Зачастую эти материалы осаждаются на поверхность тонкого слоя поликристаллического кремния, что позволяет полностью сохранить все положительные свойства границы раздела кремний-двуокись кремния над затворным диэлектриком. Такая замена единого слоя поликристаллического кремния позволяет ценой некоторого усложнения технологии изготовления ИС получить соединительные слои с поверхностным сопротивлением порядка 1 Ом/квадрат.

В начале становления МОП технологии изготовители приборов применяли технологические приемы и методы биполярной технологии и поэтому работали с кремниевыми пластинами с ориентацией (111), для которых уже были в совершенстве отработаны методы контроля диффузии примесей. Позднее, когда было более детально изучено влияние поверхностных состояний на свойства МОП-транзисторов, стало ясно, насколько важно снижать плотность этих состояний. Поверхностная плотность атомов для кремния с ориентацией (100) существенно ниже, чем для кремния с ориентацией (111), а доступные значения плотности граничных состояний в пластинах с окисным покрытием для кремния с ориентацией (100) в типовых случаях примерно втрое ниже. Благодаря такому снижению плотности состояний кремний с ориентацией (100) в настоящее время используется практически во всех разновидностях МОП -технологии. По мере совершенствования методов контроля граничных зарядов и дальнейшей модернизации технологии произошел также постепенный переход к производству n-канальных МОП-приборов, которые благодаря более высокой подвижности носителей обеспечивают более высокое быстродействие.

Следующим крупным новшеством в МОП технологии стало ее дополнение методом ионного легирования для подгонки пороговых напряжений. При введении примесных атомов в область канала МОП-транзистора можно очень точно установить заданное значение заряда обедненного слоя Q_d. Такой способ позволяет с помощью операции ионного легирования точно задать пороговое напряжение транзистора уже после формирования его затворного окисла. В первом приближении это изменение порогового напряжения V_t определяется по формуле:

_, (1.1)

где N — поверхностная плотность примесных атомов (доза), введенных в приповерхностный слой кремния.

Применение ионного легирования позволило освоить надежное производство n-канальных МОП-приборов. Оно также позволило применять в производстве кремниевые подложки, не опасаясь паразитной инверсии поверхности в периферийных областях кристаллов под защитным окислом. Чем меньше примесная концентрация в кремнии, тем меньше паразитные емкости между активными областями МОП-транзистора и кремниевой подложкой. Кроме того, с уменьшением примесной концентрации увеличивается поверхностная подвижность носителей. В настоящее время, типовые n-канальные МОП-приборы обычно делаются на кремнии с ориентацией (100) и Na=10¹⁵ cм^-3. Для таких приборов поверхностная подвижность достигает 800 см²/(В.с).

Основное преимущество МОП-транзисторов перед биполяр­ными транзисторами — свойственная им самоизоляция; это означает, что соседние транзисторы (не считая эффектов второ­го порядка) никак не взаимодействуют друг с другом, если меж­ду ними не образуется поверхностный канал. Это свойство МОП-транзисторов устраняет необходимость в специальных карманах, изолированных pn-переходами, которые применяются в обычных биполярных ИС, и дает значительную экономию площади кристаллов МОП-схем по сравнению с биполярными схемами. По этой причине интегральные схемы с самой высокой плотностью элементов изготавливаются в настоящее время именно по МОП технологии. В реальных интегральных схемах на МОП-приборах для предотвращения образования паразитных каналов под соединительными линиями требуются специальные меры защиты. Обычно защита обеспечивается повышением пороговых напряжений в областях за пределами активных приборов, которое достигается двумя способами: во-первых, путем применения толстого окисла за пределами активных приборов и, во-вторых, путем повышения примесной концентрации под защитным окислом. Эти способы ограничения паразитных каналов эффективно реализуются с помощью метода локального окисления (LOCOS-технология), описанного ниже. Схематически основные особенности МОП-транзистора, изготовленного по LOCOS-технологии, представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 –– Особенности структуры МОП-транзистора с поликремниевым затвором, изготавливаемого с применением метода ионного легирования и метода локального окисления LOСOS

На этом рисунке показано сочетание легирования ионами мышьяка с диффузией фосфора, с помощью которого формируются истоковый и стоковый электроды прибора, и результаты легирования ионами бора для повышения порогового напряжения в периферийных областях (в областях ИС, где нет активных приборов). Такая конструкция МОП-транзистора обеспечивает идеальное самосовмещение защитного окисла с каналоограничительной областью, а также сглаживание ступенек на защитном окисле, благодаря которому на вышележащих проводниках отсутствуют разрывы и изломы. Эти переходные сглаженные участки, которые сами по себе являются преимуществом данной технологии по указанным причинам, сегодня становятся ограничением на пути создания микроминиатюрных МОП-транзисторов, так как в типовом случае длину такой сглаженной ступеньки не удается сделать меньше примерно 1 мкм.

Ясно, что развитие МОП технологии вовсе не завершено. Этапы этого развития, описанные в представленном кратком обзоре, сопровождались уменьшением минимальных размеров структуры прибора с примерно 10 до 2,5 мкм, при этом количество элементов в ИС выросло с нескольких тысяч до сотен тысяч. Реалистические прогнозы на предстоящее десятилетие предсказывают 5-кратное сокращение минимальных размеров элементов (до примерно 0,5 мкм) и создание ИС, содержащих миллионы приборов. Выход на эти рубежи требует дальнейшего совершенствования технических решений и технологических процессов [1].