книги / Методы повышения параметров БИС

ди, U —напряжение), а при миниатюризации напряжения у бипо­ лярных транзисторов, будучи довольно низкими, не снижаются, величина С0 возрастает в силу уменьшения ширины обедненных слоев, то для уменьшения времени задержки должна быть уве­ личена плотность тока «7. Для обеспечения работоспособности транзистора при повышенной плотности тока и предотвращения „прокола” базы при больших значенияхJ необходимо повышать уровень легирования [14,35].

Повышение уровня легирования приводит к уменьшению коэффициента усиления по току в силу снижения эффективнос­ ти инжекции эмиттера и частичной компенсации этого эффекта за счет уменьшения ширины запрещенной зоны базы. Возмож­ ность туннелирования между эмиттером и базой при высокой степени_легирования (более 1019 см~3^ и связанного с этим „проколом” базы ограничивает минимальную ширину базы (включая ширину обедненного слоя эмиттера) до величины 20 нм; ширина коллекторного обедненного слоя при этом составляет около 30 нм; предельное время пролета будет ограничиваться пониженными скоростями носителей в базе до величины около 1,8 пс. Предельные плотности тока ограничиваются влиянием сопротивлений, в первую очередь контактного сопротивления, а также явлением электромиграции. Они могут быть достигну­ ты, наряду с предельными значениями быстродействия и верти­ кальных размеров транзистора, при Т,мин ** 0,25 мкм. Дальней­ шее расширение пределов возможно за счет, разработки специ­ альных конструкций и технологии изготовления приборов.

6 силу физических ограничений на одновременное достижение высокого уровня всех важнейших параметров ИС развитие бипо­ лярных схем происходит в двух направлениях: увеличения быстродействия и повышения степени интеграции и функцио­ нальной сложности. Проводятся исследования по усовершенст­ вованию технологии и конструкции схем, созданию новых и мо­ дификации традиционных схемотехнических решений на уровне элементарных схем (вентилей), разработке системотехники БИС и СБИС [4,8,18, 25-27,123].

Развитие схемотехнических принципов построения биполяр­ ных ИС прошло через несколько этапов,характеризуемых типом используемых в ИС элементарных логических схем. Широкое распространение схем транзисторно-транзисторнойлогики (ТТЛ)

11

Рис. 2. Инжекционная структура

Рис. 3. Результаты экспериментального исследования (сплошная линия) и расчета (пунктир) быстродействия иижбкционного ключа при топологи­ ческих размерах 5 ( i ); Г (2); 25 (3)и 0,75 мкм (4)

в свое время было обусловлено тем, что в них достигалось повы­ шение быстродействия и сокращение занимаемой на кристалле площади; в современных ТТЛ-схемах обеспечивается дополни­ тельное увеличение быстродействия благодаря использованию барьеров Шоттки. Наибольшим быстродействием в настоящее лремя характеризуются схемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), по степени интеграции и функциональной сложности ос­ новными являются схемы интегрально-инжекционной логики (И2Л).

' Следует отметить, что технологические трудности создания биполярных БИС с большой плотностью элементов были связа­ ны с характерным для этих схем наличием большого числа ком­ понентов (обычно расположенных в отдельных изолированных карманах), контактных окон, межсоединений. Эффективным пу­ тем для резкого повышения степени интеграции биполярных БИС явилось использование функционально-интегрированных структур, позволившее значительно сократить количество ука­ занных элементов [103, 123], путем, например, совмещения ря­ да полупроводниковых областей различного назначения в один элемент, выполняющий несколько функций. На основе струк­ тур, содержащих инверсно включенные транзисторы, созданы И2Л-вентили — перспективные типы базовых элементов бипо­ лярных БИС и СБИС [8, 25, 103, 123, 150]. В И2Л-схемах вен­ тиль (рис. 2) представляет собой просто комплементарную пару биполярных транзисторов, занимающую на кристалле площадь одного обычного многоэмиттерного биполярного транзистора (в отличие, например, от ТТЛ-вентиля, содержащего несколь­ ко транзисторов, генераторы тока и резисторы) [103]. В та­ кой структуре коллектор р-п-р транзистора (выполняющего роль генератора тока и нагрузки) является одновременно базой

12

многоколлекторного п-р-п транзистора (т. е. обычного многоэмиттерного транзистора в инверсном включении); инжектором служит эмиттер р-п-р транзистора; общая, область проводимос­ ти /i-типа является общей шиной, базой р-п-р транзистора и эмиттерной областью п-р-п транзистора.

Конструкция И2Л-вентилей обусловливает такие достоинства БИС на их основе, как простота изготовления, высокий выход годных, чрезвычайно высокая плотность компоновки (в 10—100 раз больше, чем у других биполярных БИС), низкая мощность рассеяния (микро- и иановатгный диапазоны) при относительно высоком быстродействии (нано- и субнаносекундный диапазо­ ны) [26,123,149].

Развитием И2Л-технологии явилась И3Л-технология, в кото­ рой при изготовлении схем используются иэопланарпая изоля­ ция и ограничение эмиттеров окисными стенками, что способст­ вует повышению плотности упаковки и быстродействия схем.

Уникальные электрические характеристики могут быть дос­ тигнуты в случае функционально-интегрированных биполярно­ полевых структур (с функциональным интегрированием бипо­ лярного транзистора и полевого транзистора с управляющим р-п переходом; биполярного транзистора и полевого МОП гранэистора) [33]. Например, такие структуры могут быть изготов­ лены на одном кристалле с высоковольтными приборами.

Одним из способов усовершенствования биполярных ИС яв­ ляется введение в них диодов Шоттки [8, 103]. Основное назна­ чение этих диодов —ограничение степени насыщения биполяр­ ных транзисторов, уменьшение логического перепада, что приво­ дит к повышению быстродействия. Усложнение структуры схем и увеличение площади транзистора при этом незначительны. Дио­ ды Шоттки формируют в коллекторной или базовой областях транзисторов. Они могут быть выполнены, например, с общим катодом в одной коллекторной области или с общим анодом в одной базовой области. Для повышения быстродействия ИС при­ меняются, ненасыщенные переключающие транзисторы Шоттки.

Основной целью разработок новых структур биполярных схем и технологии их изготовления является снижение рассеиваемой мощности БИС и СБИС без ухудшения быстродействия, повы­ шение плотности упаковки. При этом одна из существенных сложностей связана с ограничениями, определяемыми рассеяни­ ем мощности (пока, например, биполярные СБИС памяти име­ ют типовые значения рассеиваемой мощности и плотности упа­ ковки худшие, чем МОП-схемы),

Процесс изготовления биполярных ИС состоит в формирова­ нии на единой полупроводниковой подложке структур отдель­

13

ных биполярных транзисторов (с соответствующими пассивны­ ми компонентами), создании изоляции между элементами и вы­ полнении межсоединений. Современные типовые технологичес­ кие циклы производства биполярных схем осуществляются на основе планарно-эпитаксиальной технологии в сочетании с раз­ личными методами изоляции и металлизации и включают опре­ деленные последовательности операций: механическую обработ­ ку (шлифовку, полировку) и очистку (травление) полупровод­ никовой подложки, окисление ее; создание рисунка схемы ме­ тодами микролитографии и последующие выполнения по данно­ му рисунку процессов выращивания эпитаксиального слоя (с очисткой его), диффузии легирующих примесей (или имплан­ тации), вакуумного нанесения покрытий [89, 105, 150, 161].

В значительной мере улучшение характеристик биполярных схем связано с применением высокоразрешающей микролито­ графии. Рис. 3 иллюстрирует, например, существешюе снижение времени задержки биполярной иижекциоиной схемы при умень­ шении топологических размеров при электронолитографии

[8].

В данной области разработок реализуются программы созда­ ния биполярных БИС и СБИС с уменьшенными минимальными размерами элементов, предусматривающие внедрение соответст­ вующего литографического оборудования (позволяющего в нас­ тоящее время снизить ширину линий до 2... 1,215 мкм и перейти к освоению субмикронных размеров), а также поиски наиболее подходящих для прецизионной литографии сплавов и методов их осаждения с целью создания металлизации. Показаны преиму­ щества замены диффузии ионным легированием в целях облег­ чения процессов создания областей эмиттера и базы, достиже­ ния требуемых параметров схем путем обеспечения заданного профиля легирования, контролируемых глубины легирования и концентрации примеси [8,26].

Большое внимание при разработке биполярных БИС и СБИС уделяется вопросу создания надежной изоляции элементов при условии обеспечения максимальной плотности их размеще­ ния на кристалле. Существует множество методов, по которым изоляция обеспечивается обратно смещенным р-П переходом, диэлектрическими материалами, воздушными промежутками, а также их комбинациями [в. 60.69.84. 105.107.150.161].

Метод изоляции р-п переходом насчитывает несколько моди­ фикаций, соответствующих различным диффузионным способам создания р-п перехода: разделительной диффузии, коллекторной изолирующей диффузии, базовой изолирующей диффузии, мето­ ду трех шаблонов, двойной диффузии (самоизоляции элементов

14

путем создания и-полостей) [84, 161]. Однако применение это­ го метода изоляции приводит, как правило, к снижению быстро­ действия схем, увеличению токов утечки, уменьшению пробив­ ного напряжения.

Интенсивно разрабатываются методы диэлектрической изоля­ ций: изоляция с помощью вертикальных стенок при ориентации кремния < 110>; частичная диэлектрическая изоляция; частичная диэлектрическая изоляция с планарной поверхностью; полная диэлектрическая изоляция [8, 60, 69, 105]. При использовании диэлектрической изоляции уменьшаются геометрические разме­ ры транзисторов и за счет снижения барьерных емкостей повы­ шается быстродействие. Например, при изопланарной диэлектри­ ческой изоляции может быть достигнута минимальная площадь

транзистора (•Утр) мин, что при ( ^ б ) мин == ОД мкм обеспечи­ вает (5тр) мин * 2 мкм2 [8].

Для получения полной диэлектрической изоляции чаще всего используется эпик-метод, по которому на подложке из поликристаллического кремния создаются монокристаллические области со скрытым и+-слоем, изолированные тонким (1 мкм) слоем Si02 (иногда слоем Si3N4, двойными слоями Si02— Si3KJ4, Si02-SiC) [60]. Недостатками этого метода являются его непригодность для создания транзисторов малых размеров, поскольку из-за наличия п-олоя большой толщины ( 5...7 мкм) оказывается большой величина сопротивления насыщения; на­ личие проводящей подложки.

В разрабатываемых в последние годы методах полной диэлек­ трической изоляции на основе окисленного пористого кремния [107] локальные области последнего образуются путем электро­ химической анодной обработки монокристаллического крем­ ния, обеспечивающей равномерность получаемого слоя по тол­ щине, с использованием избирательного маскирования слоем нитрида кремния. Для этого используется такое свойство моно­ кристалла кремния, по которому в темноте области с электрон­ ной проводимостью не переходят в пористое состояние, если напряжение формовки не превышает напряжения пробоя облас­ ти объемного заряда, а пористыми становятся только области с дырочной проводимостью.

Разработаны методы, в которых используется возможность выращивания эпитаксиального монокристаллического слоя кремния с заданными толщиной и типом проводимости на по­ верхности пористого кремния [107]. Ограничением в примене­ нии поликремния для изоляции является уменьшение рабочего частотного диапазона Схем вследствие возрастания потерь в нем при увеличении частоты.

15

При изоляции диэлектрическими материалами —стеклом, ситаллом, кремнием - устраняется недостаток эпик-метода, свя­ занный с различием температурных коэффициентов линейного расширения монокристаллического и поликристаллического кремния.

Метод изоляции воздушными промежутками обеспечивает получение элементов схем на едином конструктивном основа­ нии, изолированных друг от друга с боковых сторон воздушны­ ми зазорами [60,69,161].

Разновидностями такого метода являются метод балочных выводов, используемых одновременно в качестве подложки и электрических соединений элементов схемы; декаль-метод, при котором пластина кремния с созданными на ней элементами НС спаивается с диэлектрической (стеклянной) подложкой и эле­ менты схемы разделяются воздушными промежутками с по­ мощью фотолитографии и локального глубшшого травления; метод „кремний-на-сапфире (или на шпинели)*’ когда на сапфи­ ровой подложке, обладающей диэлектрическими свойствами, с помощью гетероэпитаксии, фотолитографии и локального трав­ ления создаются островки тонкого слоя (1_1,5 мкм) монокрйсталлнческого кремния, в которых с помощью обычной тех­ нологии создаются структуры элементов ИС, изолированные воздушными зазорами и диэлектрической подложкой. Последний метод успешно применяется для создания сверхбыстродействую­ щих И2Л-схем с торцевой структурой. Ограничение его приме­ нения для создания обычных планарных элементов ИС связано с высокой плотностью дислокаций и сильной зависимостью удель­ ного сопротивления от толщины слоев выращенного на сапфире кремния, а также с уменьшением времени жизни носителей при уменьшении толщины этих слоев.

Комбинированные методы, при которых изоляция у основа­ ния элементов осуществляется обратно смещенными р-п перехо­ дами, а боковая —с помощью диэлектрика, позволяют сохранить достоинства диэлектрических методов изоляции, сравнительно уменьшить сложность и трудоемкость технологии, сократить площадь диэлектрических областей [84, 105]. Такая изоляция осуществляется с помощью изопланарного, эпинланарного или полипланариого процессов [103,105].

Одним из методов улучшения параметров биполярных схем является применение поликремния для создания эмиттеров, ре­ зисторов и межсоединений. Использование, например, поликрем- ,пневого эмиттера способствует защите монокристаллической базовой области и устранению эффекта ее вытеснения под леги­ рованной фосфором эмиттерной областью в стандартных п-р-п

16

Рис. 4. Последовательность операций при создании транзисторных структур с приподнятыми электродами

транзисторах, который приводит к увеличению внутреннего соп­ ротивления базы и снижению эффективности эмиттера. Примене­ ние высокоомных поликремниевЫх резисторов обеспечивает ма­ лую рассеиваемую Мощность с сохранением высокого быстро­ действия; Использование поликремния для создания омических контактов к областям эмиттера и коллектора транзисторов (вместо алюминиевых контактов, характеристики которых ста­ новятся неудовлетворительными при уменьшении геометричес­ ких размеров приборов) является одним из путей решения проблемы контактов.. При этом эффективными оказались так называемые интегральные схемы с приподнятыми электродами (рис. 4) [8]. По такой технологии размеры базы транзистора уменьшаются примерно в два раза (по сравнению с обычной тех­ нологией), что приводит к повышению плотности компоновки

17

схем и к увеличению быстродействия в силу уменьшения емкос­ ти перехода коллектор - база и сопротивления базы.

Достигнутые параметры биполярных схем достаточно высоки. Так, наибольшее быстродействие их составляет 300...700 пс/вентйль при мощности рассеяния в несколько десятков и единиц ~ милливатт на вентиль (ЭСЛ-схемы) [5, 14, 33, 35]. Теорети­ чески показана возможность уменьшения задержки в случае ЭСЛ-схем до 30 пс/вентиль. Для схемы непороговой логики экспериментально получено время задержки 85 пс/вентиль при энергии переключения 0,19 пДж; созданы И3Л-схемы субнаносекундного диапазона. Дальнейшее улучшение показателей бипо­ лярных схем связано с использованием арсенида галлия и гете­ роструктур (см. п. 1.4).

1.2. МОП БИС

Развитие миниатюризации МОП БИС привело к созданию сов­ ременной высококачественной технологии и-канальных МОПприборов, по которой выполняется^пропорциональное уменыне* йие геометрических размеров элементов стандартных МОП-схем с кремниевыми затворами [25, 104, 124, 138, 149]. Быстрое внедрение этой технологии в производство обусловлено тем, что она является развитием достаточно освоенной простой и недоро­ гой традиционной технологии и в то же время позволяет достичь высоких, значений параметров приборов, удовлетворяя задаче производства сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем.

Для цельности изложения приведем очень краткое описание основной структуры стандартных МОП БИС и технологии их изготовления, хотя результаты теоретических и практических разработок в данной области достаточно полно изложены в науч­ ной литературе [84,93,105,150,161].

Как активные, так и пассивные элементы МОП БИС создают­ ся на основе структуры металл-окисел (как правило, Si0 2) — полупроводник, которая способна действовать как транзистор, конденсатор, резистор и в силу этого может быть использована в устройствах различного функционального назначения.

МОП-транзистор является униполярным (с использованием перемещения только основных носителей) полевым прибором, работающим по принципу изменения проводимости припо­ верхностного слоя полупроводника вследствие изменения кон­ центрации носителей под действием электрического поля. Тран­ зистор содержит металлический электрод (затвор), на кото­ рый подается сигнал для создания поперечного электрического

18

а б

Рис. 5. Структуры МОП-транэистора с индуцированным (а) и со встроен­ ным л-каналом (б)

поля, управляющего удельной проводимостью указанного выше слоя; два расположённые у торцов электрода (исток и сток), между которыми создается продольное электрическое поле, вы­ зывающее дрейф носителей к стоку. Участком, по которому про­ текает рабочий ток транзистора, является приповерхностный (в области между окислом и полупроводником) канал п- или p-типа проводимости. Канал, как правило, является индуциро­ ванным, т. е.. наводится как инверсионный слой под действием управляющего напряжения на затворе (рис. 5, а) ; иногда исполь­ зуются транзисторы со встроенным каналом, создаваемым, нап­ ример, с помощью иошого легирования (рис. 5, б). В настоящее время получили распространение л-канальные транзисторы (не­ смотря на более сложную технологию по сравнению с р-каналь- ными). как более перспективные по быстродействию (в силу большей подвижности электронов по сравнению с подвижностью дырок) и уменьшению порогового напряжения, при котором образуется индуцированный канал ( за счет того, что образова­ нию и-канала способствуют, а р-канала —препятствуют элект­ роны, поступающие в приповерхностный слой от донорных при­ месей, наличие Которых вблизи границы с кремнием свойствен­ но S i0 2) [150].

Величина многих параметров МОП-транзистора зависит от его

топологических размеров [5, 13, 14, -29, 31]. К таким парамет­ рам относятся, в частности, удельная емкость затвор - канал (которая влияет на управляющую способность затвора)

и стоком, £/д и ед —соответственно толщина й диэлектрическая

' 19

проницаемость диэлектрика; д —приповерхностнаяподвижность носителей.

От величины s0, а следовательно, от геометрических размеров элементов транзистора, зависят рабочий ток / с, сопротивление канала /?как, крутизна s и внутреннее сопротивление гс в облас­ ти насыщения транзистора и другие параметры:

где С/зи - смещение на затворе относительно истока; U0 —по­ роговое напряжение; UQ - напряжение на стоке; q - элементар­ ный заряд; N —концентрация примеси; е„ —диэлектрическая проницаемость полупроводника. При более точном рассмотре­ нии характеристик МОП-транзистора учитывается эффект изме­ нения длины канала под действием напряжений на электродах.

Переходные и частотные характеристики МОП-транзистора определяются значениями его емкостей, например барьерных емкостей р-п переходов истока и стока, зависящих от площадей последних; паразитных емкостей металлического электрода от­ носительно слоев истокаи стока, обусловленных частичным перек­ рытием истока и стока затвором в силу недостаточной точности

технологического процесса; емкости затвора С3 = С € WKaH X

X Z,KaH (между затвором и каналом), а также межэлйстродных емкостей.

Перезаряд межэлектродных емкостей через внешние сопро­ тивления и перезаряд емкости С3 через сопротивление канала

вызывают инерционность ответа МОП-транзистора на скачкооб­ разные изменения управляющего напряжения С/зи на затворе и в силу этого ограничивают быстродействие прибора.

Постоянная времени крутизны, характеризующей изменения рабочего тока транзистора:

20