TRfDAZqnfW

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФРАГМЕНТА ИМС

Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Специальные вопросы технологии интегральных микросхем»

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.382.8

Технологическое моделирование фрагмента ИМС: метод. указания к курсовой работе по дисциплине «Специальные вопросы технологии интегральных микросхем» / сост. О. В. Александров. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ

«ЛЭТИ», 2014. 28 с.

Представлены краткие сведения по моделированию основных технологических процессов изготовления ИМС: термического окисления слабо- и сильнолегированных слоев, ионной имплантации в одно- и двухслойной системах, ионного и диффузионного легирования с низкой и высокой концентрациями примеси, совместной диффузии легирующих примесей.

Предназначены для студентов специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» и направления 210100 «Электроника и наноэлектроника», обучающихся по дневной, очно-заочной (вечерней) и заочной формам обучения.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курсовая работа имеет своей целью закрепление и углубление знаний, полученных в лекционном курсе и на практических занятиях по дисциплине «Специальные вопросы технологии интегральных микросхем». Выполнение курсовой работы способствует развитию у студентов навыков самостоятельного решения инженерных задач, связанных с разработкой, расчетом и моделированием технологических процессов изготовления интегральных микросхем (ИМС), работой с научно-технической и справочной литературой. При выполнении курсовой работы студенты должны использовать лекционный материал по данной дисциплине, разделы предшествующих курсу дисциплин: «Технология материалов и изделий электронной техники», «Приборы функциональной электроники», «Проектирование полупроводниковых приборов и интегральных микросхем», «Вычислительная математика», а также литературу, список которой приведен в данных методических указаниях.

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Курсовая работа выполняется в соответствии с индивидуальным заданием, максимально приближенным к современным разработкам ИМС. Задание предусматривает разработку, расчет и моделирование технологического процесса изготовления фрагмента ИМС – логического элемента.

Форма задания соответствует «Положению об организации курсового проектирования в институте» [1]. Индивидуальное задание включает: тему работы, исходные данные, содержание пояснительной записки и перечень графического материала; даты выдачи задания, контрольной проверки, представления и защиты выполненной курсовой работы.

Исходными данными для технологического моделирования фрагмента ИМС являются:

–тип логики/технологии логического элемента;

–логическая функция элемента;

–способ межэлементной изоляции;

–параметры подложки и/или эпитаксиального слоя;

–ключевые конструкторско-технологические параметры элементов;

–название моделируемых технологических процессов с указанием расчетных параметров.

Задание на курсовую работу выдается в течение первых двух недель, предусмотренных учебным графиком по данной дисциплине.

3

2.ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ

ИСОДЕРЖАНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Готовая курсовая работа состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка выполняется на одной стороне листа формата А4 (210 × 297), рекомендуемый объем – не более 25 с. печатного текста. Оформление пояснительной записки и графической части работы должно быть выполнено в соответствии с нормативными документами [1], [2] и ГОСТ 7.32–81. Пояснительная записка должна включать титульный лист, оглавление, задание, перечень принятых в работе обозначений, основную часть, заключение и список используемой литературы. Основная часть работы должна содержать: описание технологического маршрута, расчет режимов и параметров основных технологических операций, моделирование технологических процессов. Графическая часть работы должна содержать: электрическую схему логического элемента, топологический чертеж и поперечное сечение кристалла, пооперационные поперечные сечения, графики моделируемых зависимостей. Курсовая работа оформляется в виде единой брошюры, состоящей из пояснительной записки и графической части. Все используемые в работе справочные данные должны иметь ссылки на литературные источники.

Заданием на курсовую работу предусмотрена контрольная проверка для обеспечения систематической работы студентов, выявления возможных ошибок и коррекции работы. По окончании курсовая работа представляется руководителю в срок, не позднее указанного в задании, и автор допускается к защите. Защита курсовой работы проводится перед комиссией, назначенной заведующим кафедрой. При защите студент должен дать пояснения по существу работы, обосновать выбор технологических решений, расчетных соотношений и алгоритмов.

3.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

3.1.Выбор электрической схемы фрагмента ИМС

Вкачестве фрагмента ИМС в курсовой работе взят логический элемент (ЛЭ) цифровой ИМС. Выбор электрической схемы ЛЭ осуществляется на основании исходных данных – типа логики/технологии и вида логической функции. Схемы ЛЭ цифровых биполярных, МОП и КМОП ИМС можно найти в соответствующих курсах лекций, а также в книгах [3]–[5].

4

3.2. Топологический чертеж и поперечное сечение кристалла

При построении топологического чертежа кристалла с фрагментом ИМС следует придерживаться следующих правил. Расположение элементов ИМС на чипе должно обеспечивать минимальные длины и паразитные емкости межсоединений, минимальное число слоев металлизации. Контактные площадки должны размещаться в областях, свободных от элементов ИМС, по периметру чипа. Геометрия резисторов должна соответствовать их номинальному сопротивлению. Поперечное сечение кристалла должно проходить через разнотипные элементы по линии, указанной на топологическом чертеже, и располагаться непосредственно под чертежом. Области разного типа на топологическом чертеже и поперечном сечении необходимо отметить цветом или штриховкой с соответствующими пояснениями.

3.3. Разработка технологического маршрута

Технологический маршрут изготовления фрагмента ИМС разрабатывается на основе анализа исходных данных к курсовой работе, указывающих на тип технологии, способ изоляции элементов и характеристики отдельных технологических процессов и операций. Маршрут представляет собой последовательный перечень технологических операций по изготовлению ИМС с указаниием условий проведения, заданных режимов и получаемых контролируемых параметров этих операций. Примеры построения технологических маршрутов изготовления ИМС различного типа и технологии приводятся в лекциях по данной дисциплине, а также в книгах [6], [7]. Для наглядности ключевые операции технологического маршрута следует снабдить пооперационными сечениями кристалла.

3.4. Моделирование операций технологического маршрута

При описании разработанного технологического маршрута необходимо рассчитать (промоделировать) режимы проведения основных технологических операций (температуру, время, состав газов) и значения выходных контролируемых параметров (толщины оксида, глубины залегания p– n-перехода, слоевого сопротивления) полупроводниковых структур. Расчеты и моделирование соответствующих режимов операций и параметров структур проводятся по формулам и выражениям, приводимым в лекционном курсе и на практических занятиях по данной дисциплине, а также в разд. 5 или, например, в книгах [6], [8]. При их использовании необходимо четко представлять, при каких допу-

5

щениях эти соотношения получены, в какой области справедливы, степень приближенности описания реальных технологических процессов.

3.5.Заключение курсовой работы

Взаключении курсовой работы необходимо:

1)проанализировать разработанный технологический маршрут, сравнить его с типовым, указать его особенности, достоинства и недостатки;

2)проанализировать результаты моделирования технологического процес-

са, сопоставить их с заданными конструкторско-технологическими параметрами.

4.СТРУКТУРЫ БИПОЛЯРНЫХ И МОП ИМС

4.1.Биполярный планарно-эпитаксиальный транзистор

Биполярный планарно-эпитаксиальный транзистор (рис. 4.1) изготавли-

вается на пластинах монокристаллического сильнолегированного n+-кремния

1 ориентации (111), на которых выращивается эпитаксиальный n-слой 2, ле-

гированный фосфором в процессе выращивания. После термического окис-

ления на поверхности пластин вырас-

тает пленка термического диоксида кремния 3, в которой с помощью фо-

толитографии вскрываются окна под базу. База (Б) 4 создается локальной диффузией (или имплантацией) бора.

Вторая стадия диффузии (или пост-

имплантационный отжиг) проводится в окислительной среде, так что на по-

верхности базы вырастает пленка оксида кремния, в которой с помощью фо-

толитографии вскрываются окна под эмиттер. Эмиттер (Э) 5 создается диф-

фузией (или имплантацией) фосфора или мышьяка. С помощью фотолито-

графии вскрываются окна к базе и эмиттеру под омические контакты, кото-

рые создаются нанесением пленки металла (Al или Au) с последующей фото-

литографией 6. Омический контакт к коллектору (К) 7 создается нанесением металла на обратную сторону пластины. Такая структура транзистора обес-

печивает низкое сопротивление коллектора при достаточно высоком напря-

жении пробоя p– n-перехода Б– К.

6

4.2. Биполярная ИМС с изоляцией p– n-переходом

Биполярная ИМС с изоляцией p– n-переходом (рис. 4.2) изготавливается на подложке p-типа 1 ориентации (111). В ней методом локальной диффузии

(или имплантации) создаются области – будущие скрытые n+-слои 2. На подложке выращивается эпитаксиальный n-слой 3, в который проводится локальная диффузия бора на глубину толщины

эпитаксиального n-слоя, образующая раз-

делительные p+-области 4. В образовавшиеся карманы, изолированные друг от друга p– n-переходами, проводится глубокая диффузия фосфора до соеди-

нения со скрытым n+-слоем. Таким об-

разом, образуется область глубокого n+-

коллектора 5. Затем создаются область p+-базы 6, область n+-эмиттера 7 и омические контакты к областям Э, Б, К и подложке (П). В данной структуре контакт к коллектору формируется с лицевой стороны пластины. Области скрытого n+-слоя и глубокого n+-коллектора служат для уменьшения сопротивления коллектора. Изоляция между карманами обеспечивается обратносмещенными p– n-переходами: p-подложка – эпитаксиальный n-слой (или скры-

тый n+-слой) в вертикальном направлении и разделительная p+-область – n-кар- ман в боковом направлении.

4.3.Изопланарная биполярная ИМС

Визопланарной биполярной ИМС (рис. 4.3) боковая изоляция между карманами обеспечивается диэлектриком – толстым диоксидом кремния, выращенным термическим окислением в водяном паре под давлением в несколько атмосфер. Маской для термического окисления служит пленка нитрида кремния, которая впоследствии удаляется. Для сохранения планарности предварительно вытравливаются канавки в кремнии на глубину примерно в половину толщины эпитаксиального слоя, так что после окисления канавка полностью заполняется диоксидом кремния. Канавки с диоксидом кремния заменяют раздели-

7

тельные p+-области (см. рис. 4.2), они не требуют зазоров с областями p-базы и глубокого n+-коллектора. Поэтому такая изопланарная структура с боковой диэлектрической изоляцией позволяет значительно сократить латеральные размеры элементов биполярной ИМС, а следовательно, увеличить степень интеграции.

4.4. МОП ИМС с металлическим затвором

Все МОП ИМС изготавливаются на пластинах кремния ориентации (100), имеющих минимальный заряд на границе раздела Si–SiO 2. При изго-

товлении n-канальных МОП ИМС (рис. 4.4) сначала на пластинах кремния p-типа формируются сильнолегированные противоинверсионные или так называемые p+-стоп-слои 1. Затем созда-

ются n+-области стока (С) 2 и истока (И) 3 МОП-транзистора. Между ними вскрывается окно и выращивается тонкий подзатворный диоксид кремния 4. Затвором (З) служит металлизация 5, которая формируется вместе с омическими контактами к областям С, И и подложке (П). По-

движность носителей тока в n-канальных МОП-транзисторов выше, чем в p- канальных, и поэтому n-канальные МОП ИМС имеют меньшие размеры, чем p-канальные.

4.5.МОП ИМС с поликремниевым затвором

Вструктуре МОП ИМС с поликремниевым (поликристаллическим) за-

твором (рис. 4.5) можно реализовать самосовмещение затвора с областями стока и истока. Для этого после формирования p+-стоп-слоев 1 выращивают подзатворный диоксид кремния 2, на ко-

торый наносят поликремниевый затвор 3.

Формирование областей стока 4 и истока

5 осуществляют ионной имплантацией фосфора через тонкий подзатворный ди-

оксид (показано пунктиром) с последую-

щим постимплантационным отжигом. Мас-

кой при этом служит поликремниевый за-

8

твор и толстый (полевой) диоксид кремния. Длина канала при самосовмеще-

нии равна ширине затвора за вычетом боковой диффузии примеси в областях стока и истока.

4.6.LOCOS МОП ИМС

Вструктуре LOCOS (local oxidation

of silicon) МОП ИМС (рис. 4.6) p+-стоп-

слои 1 создаются на дне канавок, грани-

чащих с областями стока 2 и истока 3.

Дно канавок легируется бором с помо-

щью ионной имплантации, а канавки за-

полняются диоксидом кремния 4 с помо-

щью локального окисления с использованием нитрида кремния в качестве маски. Такая структура с заглубленными p+-стоп-слоями позволяет суще-

ственно уменьшить размеры элементов МОП ИМС.

4.7.КМОП ИМС

Вструктуре КМОП ИМС (рис. 4.7) n- и p-канальные МОП-транзисторы формируются на одном кристалле. Для этого в n-подложке формируются глубокие p-карманы 1 со слабым леги-

рованием. Это достигается имплантацией малой дозы бора с последующей длительной высокотемпературной об-

работкой. Формиро-вание p+-областей стоков/ истоков p-МОП-транзисторов 2 может осуществляться одновременно с формированием p+-стоп-слоев n-МОП-

транзисторов 3. Соответственно, формирование n+-областей стоков/истоков n-МОП-транзисторов 4 может осуществляться одновременно с формированием n+-стоп-слоев p-МОП-транзисторов 5.

4.8.ДМОП ИМС

Вструктуре ДМОП ИМС (рис. 4.8) подзатворная p-область 1 и n+-об-

ласть истока 2 формируются двойной (double) диффузией (или имплантаци-

ей) донорной (P или As) и акцепторной (B) примесей в одно окно в диоксиде

9

кремния на n– -подложке. Этим достига-

ется малая длина канала, равная пример-

но ширине базы вертикального n+– p– n– -

транзистора. Область n+-стока 3, которая может формироваться одновременно с об-

ластью n+-истока, создается на некотором удалении от истока. Исток контактирует с

индуцированным каналом, управляемым затвором, через n−-подложку и обо-

гащенный поверхностный n+-слой. Последний образуется под действием по-

ложительного заряда в пленке диоксида кремния.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИИ ИМС

Целью технологического моделирования является построение адекватной модели технологического процесса для того, чтобы, варьируя исходные (входные) параметры процесса, получить требуемые конечные (выходные) параметры структур. Технологическое моделирование позволяет предсказать результаты технологического процесса и определить оптимальные условия и режимы его проведения, не осуществляя дорогостоящих экспериментов, экономя время, энергию и материалы.

5.1. Ионная имплантация

Обычно для описания профиля распределения имплантированной примеси в мишени пользуются симметричной функцией Гаусса двух параметров – среднего проецированного пробега Rр и среднеквадратичного разброса (страг-

глинга) проецированных пробегов ∆Rр:

где Q – количество внедренной примеси, или доза имплантации, ион/см2. Реальные распределения имплантированной примеси как в кристалличе-

ской, так и в аморфной мишенях несимметричны относительно Rр и описы-

ваются функцией Пирсона f(x) четырех параметров: пробега Rр, страгглинга ∆Rр, ассиметрии G(SK) и затухания B [6], [8]:

10