БТИИС_вопросы_к_экзамену

ДБС: конформно осаждается на интересующую нас поверхность методом PVD. Материал выбирается таким, чтобы металл, который мы пытаемся оградить от проникновения в область подложки, не диффундировал в слой – то есть его диффузионно-барьерные свойства к меди/алюминию. ДП может быть любой, так как малая толщина не приводит к значительному изменению паразитной RC.

Деградация ДБС: взаимодействие с вышележащим слоем с образованием соединения; химическое взаимодействие с нижележащим слоем; диффузия атомов слоя через слой без протекания химической реакции с элементами слоя, но реагирующих между собой.

Пассивный ДБС должен быть химически инертен – берут материалы, которые имеют большую отрицательную теплоту образования (нитриды, карбиды, бориды переходных металлов – TiN, TaC, TaN, ZrN, HfN).

Расходуемый ДБС необходим для образования интерметаллидов AB и BC, которые не реагируют друг с другом и прекращают реакцию между элементами A и C (то есть их дальнейшее расходование).

Факторы деградации тонких слоев: термодинамический (стремление к перемешиванию, статистическое явление + хим реакции; должен быть минимальным), кинетический (масштаб

31

воздействия ТРД-фактора в существующих условиях; необходимо учитывать его максимальные ограничения).

Критерии выбора материала ДБС:

Первый: уменьшение воздействия ТРД-фактора для снижения деградации вследствие химического взаимодействия (энергия Гиббса и энтальпия для возможных химических реакций должна быть положительной).

Второй: ограничение посредством воздействия лишь кинетического фактора. Чем больше поверхностная энергия межфазной границы, тем меньше вероятность диффузии атомов через границу. Поверхностная энергия тем больше, чем больше теплота сублимации материала.

Третий: создание стабильного аморфного материала.

24. Омические контакты. Требования к омическим контактам в структуре интегральной схемы. Металлизация, с. 61-69 Формирование силицид-

ных контактов. Свойства силицидом и методы их синтеза. Взаимодействие силицидов с кремнием. Металлизация, с. 74-154

Омические контакты – контакты металл-полупроводник, падение напряжения на котором пренебрежимо мало по сравнению с общим напряжением на образце и не должно приводить к существенному изменению характеристик прибора.

Контактное сопротивление измеряют с помощью трехконтактной тестовой структуры

– изготавливают три идентичных контакта к областям диффузионных резисторов, по падениям напряжения можно рассчитать контактное сопротивление. Самый распространенный вариант – четырехконтактный метод резистора Кельвина (крест Кельвина).

Требования к омическим контактам:

1.Высокая проводимость;

2.высокая электромиграционная стойкость;

3.одновременное обеспечение минимальных переходных сопротивлений контактов к кремнию n- и р-типа;

4.однородность границы раздела металл - кремний;

5.хорошая раскисляющая способность (эффективное растворение естественного окисла кремния);

6.малое проникновение металла в объем кремния;

7.согласование КТР материала с КТР кремния;

8.хорошая адгезия к Si и SiO2;

9.химическая инертность по отношению к SiO2 и другим диэлектрикам (ФСС, Si3N4 и

пр.);

10.возможность формирования самосовмещенного контакта;

11.возможность селективного травления по отношению к кремнию и SiO2;

12.тепловая устойчивость контактов при высокотемпературных обработках;

13.высокая коррозионная стойкость;

14.технологичность, т.е. возможность формирования контактов доступными сред-

ствами.

Силицидные контакты – контакты с использованием силицидов переходных металлов (Pt, Ti, Co, Ni)

Свойства силицидов:

малое удельное сопротивление;

низкую температуру образования;

32

малое количество кремния, поглощаемое при образовании единицы толщины слоя силицида;

наличие травителя для металла, селективного по отношению к силициду, Si и SiO2. Методы синтеза силицидов:

1)нанесением металла на кремний или поликремний путем испарения, распыления или электролитического осаждения с дальнейшей термообработкой;

2)совместным осаждением металла и кремния, распыляемых из двух независимых источников в желаемом соотношении на Si, поли-Si или SiО2;

3)осаждением на кремний, поликремний или SiO2 силицида, распыляемого из мишени, полученной горячим прессованием;

4)химическим осаждением из газовой фазы (Chemical Vapour Deposition) силицида при атмосферном или пониженном давлении.

Взаимодействие силицидов с кремнием: в случаях разных металлов образуются разные силицидные соединения, которые в процессе сдвига и изменения межфазной границы претерпевают каскады последовательных превращений. Моделирование предполагает две упрощенные конфигурации: бесконечный источник металла или же бесконечный источник кремния. В целом, главное правило – образуется то соединение, формирование которого приводит к большему уменьшению плотности свободной энергии системы.

В первом случае, на примере Ni наблюдается последовательность Ni2Si → NiSi → NiSi2. Во втором случае: Ni2Si → Ni5Si2 → Ni3Si

Co: (CoSi+Co2Si) → CoSi → CoSi2 (избыток металла), Co2Si → CoSi → CoSi2 Ti: Ti5Si4 → TiSi2 → (Ti5Si3 + Ti5Si4 + TiSi) → Ti3Si (избыток металла)

И другие. См. «Металлизация ультрабольших ИС», Громов, Мочалов и др.

Основные требования к параметрам омических контактов в ИС

Для повышения быстродействия полупроводниковых устройств необходимо создавать контакты с минимально возможным переходным сопротивлением. Кроме того, важно обес-

33

печивать высокую воспроизводимость полученных значений сопротивления, а также их стабильность во времени и при термополевых воздействиях.

Анализ основных конструктивных вариантов изготовления активных элементов ИС позволяет сформулировать следующие основные требования к электрофизическим и технологическим параметрам материалов контактов:

25. Технология “Salicide”. Проблемы формирования контактных слоев. Выращивание оксида кремния на поверхности силицида.

Достоинство силицидов – это обра-

зование самосовмещенных контактов. Salicide-технология позволяет одновременно формировать самосовмещенные силицидные контакты к областям истоков и стоков и полицидные электроды затворов МОП-транзисторов.

Процесс “salicide” начинается с осаждения тонкого слоя переходного металла на полностью сформированные полупроводниковые приборы (например, транзисторы). Подложка нагревается, позволяя переходному металлу реагировать с открытым кремнием в активных областях полупроводникового прибора (например, истока, стока, затвора), образуя силицид переходного металла с низким сопротивлением. Переходный металл не реагирует ни с диоксидом кремния, ни с изоляторами из нитрида кремния, присутствующими на пластине. После реакции любой оставшийся переходный металл удаляется химическим травлением, оставляя контакты силицида только в активных областях прибора. Полностью ин-

тегрируемый производственный процесс может быть более сложным, включая дополнительные отжиги, поверхностную обработку или процессы травления.

Одна из серьезных проблем, возникающих в процессе формирования самосовмещенных силицидных контактов, связана с тем, что при термообработке вследствие латеральной диффузии кремния взаимодействие металла с кремнием наблюдается не только в области контакта, но и за его пределами, т.е. имеет место латеральный рост силицида. Для МОПструктур малых размеров это может привести к смыканию областей истока, стока и затвора.

Во избежание смыкания силицидных слоев стремятся понизить температуру отжига структур и длительность отжига, проводимого для формирования силицида, а термообработку осуществляют импульсным фотонным отжигом.

34

26. Технология многослойной металлизации на основе меди. Формирование медной металлизации путем прямой фотолитографии и сухого травления. Технология «damascene».

Принципиальное отличие технологии медной металлизации от алюминиевой состоит в способе формирования самих проводников. Если в алюминиевой металлизации проводники формируются, как указывалось выше, путем прямой фотолитографии по ПС, то в медной металлизации вначале осаждается слой внутриуровневого диэлектрика.

В этом слое с помощью фотолитографии и процесса сухого травления создаются траншеи, рисунок которых соответствует будущим медным проводникам. Далее последовательно наносятся тонкий ДБС методом конформного осаждения и слой меди одним из методов, позволяющих беспустотно заполнить указанные траншеи. После этого проводится операция планаризации, в процессе которой медь и ДБС удаляются с открытой поверхности диэлектрика и остаются только внутри траншей, в результате чего возникают медные проводники, со всех сторон кроме верха окруженные изолирующим диэлектриком.

Данный прием формирования медных проводников получил название «damascene» по аналогии с узорами, создаваемыми насечкой золотом на изделиях из дамасской стали.

Многослойная многоуровневая система металлизации с медными межсоединениями

Важно обратить внимание, что в отличие от алюминиевого, медный проводник со всех сторон обязательно должен быть окружен ДБС. Это необходимо для предотвращения диффузии меди в диэлектрик и далее в полупроводник, поскольку при наличии вышележащих слоев диффузия меди становится аномальной.

Однако и верх медных межсоединений также необходимо защитить диффузи- онно-барьерным слоем, но это трудно сделать с помощью традиционных проводящих ДБС, не закоротив межсоединения между собой. Наиболее простым вариантом решения отмеченной проблемы является нанесение тонкого диэлектрического ДБС по всей поверхности. Главным для этого слоя являются его диффузионно-барьерные свойства по отношению к меди. Диэлектрическая проницаемость этого материала может быть достаточно высокой, по сравнению с межуровневым или внутриуровневым диэлектриком, поскольку толщина данного слоя мала и не вносит заметного вклада в паразитную емкость и, как следствие, в RC-задержку сигнала.

Следующим является этап создания второго уровня межсоединений. Для этого наносится слой межуровневого диэлектрика, и в нем посредством фотолитографии и

35

сухого травления вскрываются межуровневые контактные окна-колодцы. Далее последовательно осаждаются конформный ДБС и медный ПС, заполняющий переходные окна, и производится операция планаризации, в результате которой медный слой и ДБС удаляются с поверхности СМУД, и остаются медные пробки, окруженные ДБС. После этого осаждается слой внутриуровневого диэлектрика, в котором вытравливаются траншеи, и на поверхность конформно наносится ДБС. Траншеи, покрытые ДБС, электрохимически заполняются медью, после чего проводится планаризация рельефа, и медные межсоединения второго уровня защищаются сверху тонким диэлектрическим ДБС.

Располагаемые выше уровни межсоединений имеют такую же структуру, поэтому описанный комплекс операций для формирования второго уровня повторяется в зависимости от количества уровней металлизации. Характерной особенностью формирования второго и последующих уровней является то, что медью заполняются и траншеи, и межуровневые контактные колодцы.

Данная технология получила название «dual damascene».

27. Технологии заполнения узких траншей и контактных колодцев медью.

1. Гальваническое осаждение меди (электрохимическое осаждение, ECD)

Наиболее распространённый метод, используемый в производстве полупроводников и многослойных ПП.

Процесс:

Подготовка поверхности: Очистка и активация стенок траншеи/колодца (травление, плазменная обработка).

Барьерный и затравочный слои: Нанесение Ta/TaN или Ti/TiN для предотвращения диффузии меди и улучшения адгезии. Затем – тонкий слой меди (PVD, CVD или

ALD).

Гальваническое осаждение: Медный электролит (CuSO + H SO + органические добавки) заполняет структуры под действием тока.

Полировка (CMP): Удаление избыточной меди с поверхности.

Преимущества:

Высокая скорость заполнения.

Хорошее качество осаждаемого слоя.

Проблемы:

Неравномерность заполнения в узких и глубоких структурах (риск образования пустот).

Требуется точный контроль состава электролита и режимов осаждения.

2.Физическое осаждение меди (PVD, CVD, ALD)

Используется для нанесения затравочных слоёв перед гальваникой или для заполнения очень мелких структур.

PVD (спуттеринг): Подходит для тонких покрытий, но плохо заполняет высокие соотношения сторон.

CVD (химическое осаждение из паровой фазы): Лучше для узких траншей, но тре-

бует высоких температур.

ALD (атомно-слоевое осаждение): Обеспечивает равномерное покрытие даже в наноструктурах, но медленное.

3.Прямое металлическое заполнение (безбарьерные технологии)

Исследуются методы осаждения меди без барьерных слоёв (например, с использованием специальных органических добавок или селективных процессов).

4.Альтернативные методы

Суперконформное осаждение: Использование специальных добавок в электролит, обеспечивающих ускоренное осаждение на дне траншеи.

Электроосаждение с импульсным током: Улучшает равномерность заполнения.

Наночастицы меди: Заливка коллоидными растворами с последующим спеканием

36

(пока в разработке).

Ключевые требования к технологии:

Отсутствие пустот и дефектов.

Хорошая адгезия к подложке.

Минимальное сопротивление контакта.

Гальваническое осаждение остаётся основным методом, но для передовых технологических узлов (менее 10 нм) комбинируют ALD, CVD и улучшенные электролиты для бездефектного заполнения.

28. Особенности процессов литографии. Фигуры совмещения. Разрешающая способность. Особенности субмикронной литографии. Основные понятия и тенденции. Иммерсионная литография КУФ-диапазона. Литография ЭУФ-диапазона. Импринтинг. Электронная литография. Технология электронно-лучевой литографии. Ионная литография. Рентгеновская ли-

тография. – Данилина, стр. 47-96

Литография – метод переноса технологических рисунков на подложку СБИС с помощью полимерных фоточувствительных покрытий. В процессе засветки фоторезиста происходит как образование связей, так и их разрушение – доминирование того или иного процесса определяется химическим составом ФР, температурой и др. параметрами.

Фигуры совмещения – для визуального контроля.

Разрешающая способность определяется дифракционным пределом. Разрешение – это размер наименьшего элемента, который мы можем воспроизводимо и стабильно получать.

Основная тенденция – уменьшение длины волны, для КУФ диапазона используются эксимерные лазеры, для ЭУФ – импульсные источники лазерной плазмы (подогрев оптическим лазером и формирование плазмы обычным углекислым). Дополнительные решения – фазосдвигающие шаблоны (вычислительная литография), коррекция эффектов близости за счет дополнительных элементов (таких же, как компенсирующие уголки в МЭМС), АОП, контрастирующих пленок.

Иммерсионная – подается жидкость под область эксимерной засветки (растровая), предел ТН 36 нм. У жидкости (деионизованная вода) показатель преломления больше, чем у воздуха.

ЭУФ – 13 нм излучение, проблема поглощения атмосферой реактора, поэтому оптика только на отражение. Подогрев Xe – Nd:YAG импульс (ИК), затем поджог плазмы на углекислотном лазере. Оптика – многослойные зеркала Mo||Si.

Импринтинг – электронным пучком + РИТ вырезается профиль, затем кладется на слой ФР, засвечивается – ползучем точную копию шаблона. Плюсы: низкая стоимость всего, широкий диапазон норм для одной установки, высокое разрешение (до 22нм).

Контактная литография: ФШ плотно прижимается, микронная технология, разрешающая способность – 400-1000 нм.

Проекционная: есть зазор, нужен переход на УФ + программируемая/вычислительная литография Электронная: ФР чувствительный к потоку электронов, подбирается его температура,

чтобы избежать расфокуса и переотражений. Бывает последовательной (векторная или сканирующая) и проекционной. Важно! Перемещается именно координатный стол. Растровое – замощение всей пластины, но включение лишь там, где нужно. Векторное – непрерывное излечение, которое сразу направляется на нужные области пластины (на порядок быстрее)

37

Рентгеновская литография: мягкий рентген (0.5-4 нм), без прозрачных материалов – специальные многослойные рентгеновские линзы Ионная: бомбардировка ионами, отсутствие дифракции, меньше рассеяние, малое угловое

рассеяние. Проблема с истопниками, так как яркости источников ионов очень малы (исправляется использованием жидких оловянных источников).

29. Конструкция типовых субмикронных транзисторов. LDD – МОП транзистор. Технология напряженного кремния.

LDD – lightly doped drain. Особенность состоит в наличии мелких слаболегированных областей между стоком и истоком – она нужна для получения плавного перехода, тогда напряженность поля снижается, уменьшается количество горячих электронов. Таким образом, снижаются DIBL-эффект, эффект модуляции длины канала (CLM-эффект), повышаются значения прокола, инжекционного и лавинного пробоя транзистора. Глубина областей стока и истока составляет ~50-100 нм для транзисторов с длиной канала 250 нм. Уменьшение длины канала до 10 нм приводит к увеличению сопротивления слоев стока и истока до 10кОм/квадрат, что ограничивает нагрузочную способность транзистора. Толщина поликремниевого затвора составляет ~300 нм.

Область SDE (source-drain-extension или же область ореола) формируется путем ионной имплантации под затвор под 20-30° (до 90°) к нормали. Использование ореола, вместе с тем, приводит к увеличению влияния короткоканальных эффектов.

38

Напряженный кремний – предложена Intel для 90-нм процессоров (2003 г.). Растяжение решеток при осаждении кремния на SiGe приводит к значительному (в 1,7 раза) увеличению подвижности носите-

лей. Нанесение нитрида кремния приводит к растяжению решетки (увеличение подвижности элек-

тронов), а нанесение SiGe – к сжатию (увеличении подвижности дырок).

39

30. Транзисторы технологии «кремний-на-изоляторе» Частично обедненные КНИ МОПТ. Полностью обедненные КНИ МОПТ. Ультратонкие КНИ МОПТ. Сравнение полностью и частично обедненных КНИ МОПТ. Масштабирование КНИ МОПТ. (+см. Зебрев, с. 189-206)

КНИ – решение для уменьшения токов утечки, увеличения быстродействия, увеличения степени интеграции (изолирующие канавки убираются, освобождается место под элементов), повышения радстойкости (сбой возникает только если частица попадет непосредственное в область канала) и увеличения предельной рабочей температуры (тепловой пробой ЭДП устранен).

У КНИ активная область транзистора представляет собой тонкую пленку между стоком и истоком, изолированную со всех сторон окислом: BOX (buried oxide) изолирует от подложки, а STI (вертикальная изоляция) предотвращает тиристорный эффект между двумя соседними транзисторами. BOX в первую очередь устраняет паразитную емкость, которая ранее образовывалась их p-n-перехода строка/истока и подложки.

Технологии изготовления: smart-cut

(М. Брюэл, Soitec, 1995, наращива-

ние оксида, наращивание подложки, имплантация водородом, переворачивание пластины и крепление ее на переносную пластину, нагрев с формированием пузырьков воды, «взрыв» слоя, химико-механическая полировка, отрезание пластины от переносной подложки), ионное внедрение (SIMOX, имплантация

кислорода при 200 кэВ с высокими дозами, отжиг), сращивание пластин.

Еще вариант технологии: UktraCMOS – рост КНС, затем аморфизация переходного слоя путем каналированной загонки ионов кремния, затем отжиг при 1100°C (верхний монокристаллический слой выступает в роли затравки).

Деление на FD и PD связано с толщиной базы и толщиной обеднения: полное обеднение достигается тогда, когда толщина обедненной области больше толщины базы. Кроме того, так как база располагается на диэлектрике и не имеет каких-либо внешних контактов, может возникать эффект плавающей базы (который проявляется, в частности, в эффекте нежелательной памяти заряда базы). Однако база имеет емкостную связь с выводами транзистора.

Частично обедненный КНИ (PD-SOI, partially depleted) – пленка кремния толщиной ~100 nm, имеют очень большие подпороговые утечки

Полностью обедненный КНИ (FD-SOI, fully depleted) – сверхтонкие пленки кремния ~15 nm, без недостатков PD-SOI, но удорожают стоимость процессора на 10%. У них обедненная область занимает всю толщину кремниевого тела. ОНЗ – дырки, - втягиваются в область ЭДП источка, что приводит к локальному открытию истока в прямом направлении, после чего дырки рекомбинируют с электронами истока – так, в FD-SOI не возникает накопление ОНЗ, эффекты плавающего потенциала затвора практически отсутствуют.

Сравнение FD/PD: FD имеют большую крутизну, меньшие паразитные емкости, отсутствие эффекта плавающей базы. Но они же менее технологичны и более трудны для изготовления.

40