Разработка и исследование конструкции и технологии изготовления элементной базы КМОП базовых матричных кристаллов для реализации интегральных микросистем с напряжением питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Минский государственный политехнический колледж

Специальность 2 41 01-31 Микроэлектроника

Дипломный проект

Разработка и исследование конструкции и технологии изготовления элементной базы КМОП БМК для реализации ИМС с напряжением питания

2010



Введение

С применением БИС существенно улучшаются функциональные и технико-экономические характеристики электронной аппаратуры: повышаются быстродействие и надежность, снижаются потребляемая мощность, масса, габариты и стоимость, сокращаются сроки проектирования и подготовки производства.

БИС можно разделить на две группы: широкого применения (унифицированные) для электронной аппаратуры различного назначения (БИС памяти, микропроцессоры); частного применения, выполняющие специфичные преобразования информации в ограниченном классе электронной аппаратуры. Они реализуются как в виде полностью заказных (специализированных), так и в виде полузаказных (на основе БМК) микросхем.

Существенное сокращение номенклатуры достигается построением БИС, настраиваемых на заданную функцию программным способом (микропроцессоры). Однако во многих случаях их применение не обеспечивает необходимого быстродействия, поэтому в быстродействующих устройствах выгоднее применять БИС, выполняющие лишь одну определенную функцию. При этом выигрыш быстродействия может составлять 10 100 раз [1].

Широкая номенклатура специализированных БИС при приемлемых затратах на проектирование и производство достигается с помощью БМК. Базовый матричный кристалл представляет собой матрицу нескоммутированных элементов (транзисторов, резисторов и др.), электрические связи между которыми реализуются путем создания тонкопленочных межсоединений с помощью одного или нескольких заказных фотошаблонов. При изготовлении таких БИС используются полуфабрикаты в виде полупроводниковых пластин с заранее сформированными матрицами элементов. Производятся только заключительные технологические операции формирования электрического монтажа и предварительной защиты кристаллов. Применение заказных фотошаблонов слоев межсоединений позволяет изготовлять тысячи различных функциональных блоков на основе одного БМК.

Дополнительным преимуществом БИС на основе БМК по отношению к микропроцессорам является исключение цикла проектирования программных средств. Если весь процесс разработки БИС на основе базового кристалла от составления технического задания до получения работоспособных образцов может занять несколько недель, то отладка программных средств и комплексная наладка системы могут растянуть время проектирования даже простой микросистемы на несколько месяцев.

В настоящее время широко применяются БИС среднего и высокого быстродействия на основе БМК. Разработка таких БИС успешно проводится с помощью методов и систем автоматизированного проектирования, позволяющих существенно сократить цикл подготовки производства.

БИС на основе БМК имеют кроме всего прочего и свои недостатки: избыточность в площади кристалла, обусловленная спецификой его конструкции, неполным использованием логических вентилей матрицы и выводов кристалла; ограниченность возможность технологии в отношении интеграции и быстродействия схем.

Существует три подхода к решению задачи конструирования БИС на основе БМК. Во- первых, можно оперировать имеющимися базовыми кристаллами, приспосабливая их для разработки того или иного класса полузаказных БИС. Во- вторых, можно разрабатывать необходимые базовые кристаллы, исходя из особенностей реализуемых на их основе схем. Наконец третий, комплексный подход, предусматривает использование имеющихся и разработку новых базовых кристаллов в зависимости от требований, предъявляемых к классу БИС частного применения.



1. Анализ Технического задания на диплом

матричный кристалл интегральный схема

Структура БМК (Базового Матричного Кристалла) и методы проектирования схем на ее основе - один из методов проектирования электронной аппаратуры на регулярных матрицах, из которых можно строить комбинационные логические схемы путем соответствующих соединений.

Целью настоящей проекта было разработать конструкцию и технологический процесс создания элементной базы БМК, обеспечивающие следующие требования:

Реализация по КМОП- технологии;

Udsі21В;

Utn,p = 0,8 ±0,2В;

LканпккЈ4мкм;

Uпр. стабилитрона=6.4±0,2В;

При выполнении настоящего проекта основу был взят стандартный однокарманный КМОП-процессс одним уровнем металла, который был дополнен следующими техническими решениями:

для минимизации топологического расстояния между стоками МОП транзисторов формируются два кармана P- и N- типа;

требуемые проговые напряжения МОП транзисторов обеспечиваются ионным подлегированием фосфором канала NMOS-транзистора и бором PMOS транзистора;

для обеспечения требуемой величины напряжения пробоя сток-исток МОП транзисторов:

введены глубокие слаболегированные стоки P- и N- типа, которые формируются после создания затвора и спейсеров (пристеночные островки окисла по периметру затвора);

сильнолегированные стоки P- и N- типа топологически отнесены от затвора и локального окисла;

прогнозировалось, что выше приведенные технические решения по формированию слабо и сильнолегированных стоков P и N типа позволят получить требуемую величину пробоя МОП транзисторов при длине канала по затвору не более 4мкм;

для получения требуемого напряжения пробоя стабилитрона при обратном смещении введен специальный слой для формирования р-базы стабилитрона;

введение формирования слоев P и N -охраны обеспечило получение пороговых напряжений паразитных МОП транзисторов больше напряжения питания микросхем.

На рисунках 1 и 2 представлена вертикальная структура элементной базы БМК, которая разрабатывалась в рамках выполнения настоящего проекта.

Рисунок 1 - Вертикальная структура МОП транзисторов.

Рисунок 2 - Вертикальная структура стабилитрона.



2. Анализ принципов построения БМК

2.1 Классификация и особенности конструкций

Конструктивно базовый кристалл представляет собой заранее созданную матрицу ячеек с группами нескоммутированных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов, диффузионных полупроводниковых шин для реализации пересечений ). Изготовление матричной БИС с конкретным целевым назначением осуществляется с помощью одного или нескольких уровней металлизированных межсоединений. С помощью металлизации из элементов матрицы формируются функциональные элементы (логические вентили, триггеры, счетчики, регистры и др.) и соединения между ними, определяемые электрической схемой БИС.

Как правило, основные функциональные элементы матрицы работают в режиме с малым потреблением энергии, обеспечивающим необходимое быстродействие. При выборе режимов функциональных элементов учитываются также требования к обеспечению помехоустойчивости. Буферные элементы, предназначенные для осуществления внешних связей матричной БИС, имеют повышенную мощность, при которой достигаются необходимое согласование по логическим уровням, нагрузочная способность и помехоустойчивость.

Для упрощения процесса проектирования и сокращения сроков разработки БИС на основе БМК широко применяются библиотечные наборы типовых функциональных элементов. Топология функционального элемента в виде фрагмента БИС разрабатывается заранее на основе элементов одной или нескольких рядом расположенных ячеек. Вся информации о топологии фрагментов хранится в банках данных системы автоматизированного проектирования (САПР) и используется в процессе автоматизированного проектирования матричной БИС.

Базовые кристаллы можно классифицировать по конструктивно- технологическим признакам, исходя из особенностей организации матрицы, ячеек матрицы и электрических связей.

Матрицы могут состоять из однородных или неоднородных ячеек. В базовых кристаллах для реализации цифровых БИС со степенью интеграции около 1000 вентилей используются обычно однородные ячейки. Применяется два способа организации ячеек матрицы БМК:

1. На основе элементов ячейки может быть сформирован один вентиль- базовый логический элемент, выполняющий элементарную функцию, например НЕ, И- НЕ, ИЛИ- НЕ с разветвлениями по входам или выходам. Для реализации более сложных структур используется несколько ячеек.

2. На основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный узел библиотечного набора. Типы элементов ячейки и их количество определяется электрической схемой самого сложного функционального узла.

Конструкции БМК и расположение структур ячейки должны быть выполнены с учетом необходимости прокладки трасс электрических сигнальных связей, шин питания и заземления.

Применяются две разновидности пластин- полуфабрикатов. В пластинах первого вида в слое защитного окисла вытравлены отверстия для доступа металла ко всем внутренним контактам, с помощью которых осуществляется электрическое соединение элементов ячеек матриц для формирования функциональных элементов и соединение последних для реализации заказной БИС. Пластина- заготовка полностью покрывается слоем металла. Другой разновидностью пластин- полуфабрикатов являются заготовки с матричными кристаллами, покрытые слоем защитного окисла. Для формирования окон в окисле и создания необходимого рисунка слоя межсоединений требуется два фотошаблона. В этом случае достигается более высокая плотность компоновки элементов и упрощается трассировка межсоединений, так как трассы межсоединений могут проходить над областями незадействованных контактов, покрытых слоем защитного окисла.

2.2 Библиотечный набор функциональных элементов

Для упрощения проектирования БИС на основе БМК широко используются библиотечные наборы функциональных элементов. Библиотечный набор должен обеспечить реализацию всех логических функций, характерных для данного класса устройств. В состав библиотечного набора могут входить как простые логические элементы типа И- НЕ, ИЛИ- НЕ, так и достаточно сложные узлы, широко применяемые в определенном классе аппаратуры, например различные триггеры, регистры, полусумматоры, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры, усилители и.

В практике конструирования БИС на основе БМК вручную используются аппликации фрагментов библиотеки, выполненные в определенном масштабе на прозрачном материале. Эти аппликации располагаются на чертеже поля базового кристалла.

Электрические характеристики функциональных элементов библиотечного набора определяются такими параметрами используемой элементной базы, как среднее время задержки, потребляемая мощность, абсолютная или относительная помехоустойчивость, перепад логических уровней и их абсолютные величины, коэффициенты объединения по входам и выходам, характеризующие возможность реализации функций от большого числа переменных, количество источников питания и требования к их параметрам.

Обобщенным параметром элементной базы является фактор качества, равный произведению потребляемой мощности на среднее время задержки.

Значение потребляемой элементом мощности ограничивает степень интеграции быстродействующих БИС.



2.3 Электрические связи в матричных интегральных схемах

В матричных БИС электрические связи осуществляются с помощью металлических, полупроводниковых и поликремневых шин. Наиболее распространены алюминиевые и молибденовые тонкопленочные шины. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполняются из алюминия, характеризующимся низким удельным сопротивлением. Шины из легированного моно- и поликристаллического кремния служат для реализации коротких слаботочных сигнальных цепей, так как эти шины обладают повышенным удельным сопротивлением.

Коммутационные шины БИС характеризуются такими паразитными параметрами, как сопротивление и емкость. Полупроводниковые шины представляют собой RC- структуры с распределенными параметрами, которые вносят задержки в передачу информационных сигналов.

В матричной БИС обычно часть ячеек остается свободной. В областях свободных ячеек прокладываются дополнительные трассы коммутационных проводников. Для осуществления пересечения коммутационных проводников в состав элементов ячейки иногда вводятся низкоомные элементы «подныривания» или конструкции активных элементов выполняются таким образом, чтобы у одной из полупроводниковых областей формировались два контакта на определенном расстоянии.

При разработке коммутационной сети необходимо стремиться к минимизации контактных переходов из слоя в слой, так как от количества переходов зависит выход годной продукции и надежность БИС.

Матрицы на основе КМОП- структур

БИС на основе комплементарных МОП- транзисторов, несмотря на достаточно сложную технологию производства, широко применяются в аппаратуре среднего быстродействия (тактовые частоты от 30 до 50 МГц) в тех случаях, когда основными являются требования малой потребляемой мощности и высокой помехоустойчивости. При изготовлении базового кристалла в качестве исходной берется подложка n- типа проводимости с удельным сопротивлением от 4 до 5 Ом*см, в которой формируется методом диффузии изолирующая p- область с поверхностной концентрацией бора (25)*1016 см-3. Далее последовательно изготавливают p+- области р- канального и n+- области n- канального транзисторов, а также контактную n+-область к подложке. Таким образом, требуется пять фотошаблонов вместо трех для базового кристалла на n- МОП- транзисторах и три операции введения примесей вместо одной. Однако средняя потребляемая мощность для КМОП- БИС в десятки и сотни раз меньше, чем для n- МОП- микросхем.

Для реализации специализированной БИС на основе КМОП- базового кристалла применяется обычно одноуровневая металлизация. Однако в более сложных кристаллах используются двух- и трехуровневые металлизированные межсоединения. Изоляция между металлическими шинами осуществляется с помощью напыленного окисла кремния.

В базовых кристаллах наряду с матрицами нескоммутированных транзисторов широко применяются специализированные цифровые и аналоговые элементы и узлы. Это значительно повышает функциональную плотность БИС. Высококачественные аналоговые схемы можно реализовать не только с использованием разработанных базовых кристаллов, но и на основе типовых БМК.



3. Проектирование ИС на основе БМК

При реализации специализированных БИС для определенного класса аппаратуры решается задача выбора (или разработки) БМК с требуемыми характеристиками. Этот этап специфичен для полузаказных БИС и отсутствует в системах проектирования полностью заказных микросхем. Первостепенная важность этапа выбора базового кристалла объясняется тем, что реализация всех достоинств матричной БИС во многом определяется конструкцией и параметрами БМК.

На первом подэтапе производится перебор имеющихся кристаллов и анализ их на соответствие требуемому функциональному преобразованию информации. Речь идет о возможности реализации заданной функции с помощью проектируемой матричной БИС. Функциональные возможности БМК обусловлены числом логических элементов (или ячеек) и буферных элементов на кристалле, типом логических элементов или структурой ячеек, характеристиками буферных элементов и узлов библиотечного набора, количеством контактных площадок и др.

На следующем под этапе производится анализ отобранных БМК на соответствие электрическим параметрам. Основными из них являются быстродействие логических и буферных элементов, потребляемая мощность и нагрузочная способность.

Отобранные кристаллы, удовлетворяющие основным требованиям, подвергаются проверке на соответствие дополнительным требованиям. К ним относятся диапазон рабочих температур, радиационная стойкость, помехоустойчивость, надежность, требования к источнику питания и т. д.

Далее среди отобранных кристаллов, удовлетворяющих основным и дополнительным требованиям, проводится выбор оптимального варианта конструкции. Главным критерием такого выбора является стоимость, обусловленная технологией изготовления БМК и количеством масок (фотолитографией), необходимых для формирования заказного электрического монтажа. Если среди известных БМК не удается найти кристалл с необходимыми параметрами, возникает необходимость в новой разработке.



4. Разработка технологического маршрута изготовления БМК

Маршрут производства КМОП БМК, состоит из ряда технологических операций. Рассмотрим основные из них в применении к разрабатываемой схеме.

Процесс начинается с формирования партий пластин марки КЭФ- 4.5 с ориентацией (100), на каждой из которых лазерным лучем формируется определенный номер (ФОРМИРОВАНИЕ). Далее подложки проходят химическую обработку, представляющую собой травление окиси кремния в растворе азотной и плавиковых кислот в специальном резервуаре. Реакция травления кремния имеет электрохимическую природу. Травление представляет собой окислительно- восстановительный процесс с последующим растворением продуктов окислительной реакции. В травящей системе азотная кислота представляет собой окислитель, а плавиковая растворяет продукты окисления.

В зависимости от требуемого качества обработки поверхности и селективности травления в производстве опытных образцов БМК используются следующие типы травителей.

Выбор конкретного травителя производится также на основе подбора скорости травления к конкретному материалу (таблица 4.2).

Щелочное травление по своей природе анизотропно, так как скорость травления очень сильно зависит от ориентации. Протекание реакции определяется числом оборванных связей на поверхности. Лимитирующей стадией реакции щелочного травления является кинетика самой реакции, поэтому нет необходимости вращать подложки в растворе. По этой же причине, так как перенос молекул реагентов через граничный слой уже не влияет на протекание реакции, можно получать превосходную однородность травления. Как и в случае кислотного травления, щелочное травление проводится в растворе, в состав которого входят KOH и H2O или NaOH и H2O. Наиболее часто используют 45%- ный раствор KOH в H2O. Иногда при недостаточной глубине травления на поверхности подложки могут остаться повреждения, которые при последующей высокотемпературной обработке подложек могут привести к формированию, дислокаций, поэтому выбор травителя осуществляется в зависимости от ответственности операции.

Широко применяется также плазмохимическое травление (ПХТ) для обработки кремния и поликремния, нитрида кремния и металлизации. Плазмохимическим способом осуществляют удаление фоторезистивной маски.

Завершающей стадией химической очистки исходных подложек является обработка пластин в аммиачно-перекисной смеси.

4.1 Окисление

Окисление кремния необходимо производить в ходе всего технологического процесса производства БМК. Двуокись кремния используется для следующих целей: в качестве маски при ионной имплантации или диффузии легирующей примеси в кремний, для пассивирования поверхности структур, для изоляции приборов друг от друга (диэлектрическая изоляция в отличие от изоляции приборов р- n- переходами). Получить высококачественный окисел можно подбором основных параметров процесса. Кроме того, чтобы гарантировать надежность схемы, нужно знать зависимость электрических свойств окисла от технологических параметров процесса окисления . Помимо кинетики окисления исследованию подвергаются и такие характеристики окисла, как коэффициент преломления, состав окисла, скорость травления, плотность, пористость, упругие напряжения, величина напряженности электрического поля пробоя. Исследования показали, что свойства окисла в основном зависят от температуры окисления, а не от давления. Как правило с ростом температуры параболическая и линейная константы скорости реакции увеличиваются, но качество окисла снижается. Например, плотность окисла и коэффициент преломления уменьшаются, а скорость химического травления и остаточные напряжения увеличиваются по мере увеличения температуры в диапазоне от 700 до 1000оС. Диапазон изменения давления при этом составлял (от 5 до 10)*105 Па. Следует также отметить, что при выборе режима окисления необходимо учитывать зависимость скорости роста от ориентации подложки (100), а также проводить тщательную обработку поверхности перед процессом окисления, чтобы максимально уменьшить накопление на поверхности раздела Si- SiO2 вредных примесей (вода, натрий, элементы III и V групп, галогены). Выбор метода окисления определяется необходимой толщиной и свойствами формируемого окисла. Относительно тонкие окисные пленки и те окислы, для которых поставлено условие получения минимального заряда на границе раздела, выращиваются в сухом кислороде. Когда критичным параметром является содержание ионов натрия в пленках окисла, предпочтение отдается методу окисления в системе HCl- O2. При формировании толстых окисных пленок (>0.5 мкм) используют окисление во влажном кислороде.

Для примера в таблицах 4.3, 4.4 приведены основные интервалы проведения процесса пирогенного окисления Si на HCl при температуре 850 °С на подложках разной кристаллической ориентации.

4.2 Осаждение Si3N4

В процессе изготовления микросхем БМК нитрид кремния используется в качестве маске при локальном окислении кремния, что обусловлено низкой скоростью окисления самого нитрида кремния. Поэтому при создании фотолитографического рисунка по маскирующему покрытию на основе нитрида кремния и последующем термическом окислении закрытые маскирующей пленкой слои не окисляются.

Химическое осаждение нитрида кремния осуществляют за счет реакции между дихлорсиланом и аммиаком при пониженном давлении и температуре в интервале 700- 800оС. Преимущество метода осаждения при пониженном давлении заключается в хорошей однородности формируемых пленок и высокой производительности используемого оборудования . Были проведены эксперименты по термическому выращиванию пленок нитрида кремния путем выдерживания кремниевых подложек в аммиачной атмосфере при температуре в интервале 1000- 1100оС. Однако образующиеся пленки содержат кислород и имеют слишком малую толщину.

Основные параметры процесса нанесения нитрида кремния приведены в таблице 4.5.

Получаемый нитрид кремния, химически осажденный при температуре 700- 900оС, представляет собой аморфный диэлектрик, содержащий до 8% водорода. Коэффициент преломления нитрида кремния составляет 2.01, а скорость травления в разбавленных растворах плавиковой кислоты- менее 1 нм/мин. Оба этих параметра используют для определения качества осаждаемых пленок. Удельное сопротивление пленок нитрида кремния при комнатной температуре составляет около 1016 Ом*см. Нитрид кремния представляет собой надежное препятствие для диффузии ионов натрия.

4.3 Фотолитография

С помощью устройства экспонирования выполняют несколько операций. Во- первых, жестко закрепляют пластину и шаблон после того, как рисунок шаблона совмещен с предшествующим изображением, уже перенесенным на пластину. Во- вторых, с помощью этих устройств операция экспонирования обеспечивается источником облучения. Применение некоторых экспонирующих устройств, например электронно- лучевых систем, позволяет выполнять третью операцию проводить экспонирование пластин непосредственно, без использования шаблона. Выбор экспонирующего устройства осуществляется по рабочим характеристикам: разрешению, точности совмещения и производительности. Разрешение определяется минимальным размером элемента, который может быть неоднократно перенесен на резист толщиной не менее 1 мкм. Точность совмещения является мерой плотности расположения последовательных уровней шаблона, а производительность определяется количеством кремниевых пластин, которые могут быть экспонированы в течение часа.

Выбор резиста производится с учетом ответственности операции. Учитывается фоточувствительность и прочность, способность противостоять воздействию окружающей среды при плазменном травлении, адсорбционная способность и растворимость, а также множество других характеристик. В качестве негативного резиста при оптической литографии применяют циклополиизопреновый полимер, смешанный с фоточувствительным соединением, в качестве позитивного- также из основного полимерного материала и фотосенсибилизатора, но абсолютно по- другому реагирующего на воздействие экспонирующего облучения.

После экспонирования поизводится УФ- дубление на специальном аппарате.(таблица 4.8). Ненужные участки резиста стравливаются и схема поступает на операцию контроля. Уход размера зависит от:

- типа элементов:

- светлый элемент на темном фоне,

- темный элемент на светлом фоне,

- набор элементов;

- плотности упаковки;

- величины минимального размера (начиная с 2 мкм).

4.4 Ионное легирование

4.4.1 Технологические особенности

В открытый фотолитографией «карман» производится ионная имплантация легирующей примеси. Основным преимуществом технологии ионной имплантации является возможность точного управления количеством внедренных атомов примеси. Нужную концентрацию легирующей примеси в кремнии в диапазоне от 1014до 1021 см -3 получают после отжига мишени (нагрева до выбранной температуры в интервале 600- 1000оС). Кроме того, можно легко управлять профилем распределения внедренных ионов по глубине подложки. С точки зрения управления концентрацией легирующей примеси в диапазоне от 1014 до 1018 см -3 ионная имплантация имеет явное преимущество над методами химического осаждения. Маски для ионной имплантации могут быть изготовлены из любых материалов, используемых в производстве СБИС, таких, как фоторезист, окислы, нитриды, поликристаллический кремний и т.д. Процесс ионной имплантации, проводимый в вакууме, относится к категории «чистых и сухих процессов».

Одним из наиболее существенных недостатков данного метода является эффект геттерирования (введенные с примесью дефекты захватывают нежелательные атомы примеси). Поэтому, чтобы избежать этого эффекта необходимо осуществлять тщательный подбор дозы имплантируемых ионов и не допускать разброс значения данного параметра. Подбор дозы также зависит от множества других факторов, которые нужно учитывать при последующем производстве. При ионном легировании внедряется примесь и соответственно происходит изменение сопротивления структуры. В таблице 4.11 приведена зависимость поверхностного сопротивления Rs от дозы и энергии легирующей примеси.

Измерение Rs проводится на спутниках КДБ-12 <100> для ионного легирования фосфором и КЭФ-4,5 <100> для ионного легирования бором после экспресс- отжига 1050 °С, 20 мин в N2.

Для увеличения содержания свободных носителей заряда и уменьшения разупорядочения кристаллической структуры подложки при имплантации бора и фосфора производится отжиг. Тщательное исследование процесса отжига имплантированных структур приводит к выводу о том, что влияние отжига на аморфные слои и на точечные и линейные радиационные дефекты различно. Одной из основных проблем технологии ионного легирования является определение минимальных температуры и времени отжига, необходимых для полной активации доноров и акцепторов при условии полного устранения остаточных дефектов. В связи с этим возникает другая проблема- достижение полной электрической активности легирующих примесей без значительного протекания диффузии атомов примеси. Вторая проблема связана с необходимостью получения очень мелких p- n- переходов. Параметры процесса отжига определяются дозой и видом имплантированных ионов.

4.5 Напыление металла

В данном технологическом процессе наиболее оправданным является использование металлизации со структурой Al + 1% Si. Это позволяет при необходимых параметрах уменьшить термодиффузию и прокол МОП- структуры.

4.6 Создание межслойной изоляции

Разработанный технологический маршрут изготовления микросхемы БМК с иллюстрацией эволюции вертикальной структуры элементной базы представлен на рисунках 1 - 20.

Рисунок 1 - Окисление под нитрид d=425Е, наращивание нитрида кремния d=0.12 мкм



Рисунок 2 - Фотолитография «карман», ПХТ нитрида кремния, ионное легирование бора

Рисунок 3 - Отжиг 1050°С, окисление d=0,29мкм, снятие Si3N4, ионное легирование фосфора

Рисунок 4 - Разгонка кармана 1200°С 2ч О2 + 16ч N2

Рисунок 5 - Фотолитография «разделение», ПХТ нитрида, снятие фоторезиста.



Рисунок 6 - Фотолитография «Р охрана», ионное легирование бора

Рисунок 7 - Фотолитография «п охрана», ионное легирование фосфора

Рисунок 8 - Снятие фоторезиста, отжиг 1050°С N2 60мин, локальное окисление 1000°С d=1,4мкм, снятие нитрида кремния, поднитридного окисла, окисление предварительное d=425Е.

Рисунок 9 - Фотолитография «подлегирование канала NMOS транзистора», ионное легирование фосфора



Рисунок 10 - Снятие фоторезиста, фотолитография «подлегирование каналаPMOS транзистора», ионное легирование бора

Рисунок 11 - Снятие фоторезиста, снятие предварительного окисла, окисление под затвор d=750Е, наращивание поликремния d=0,6 мкм, фотолитография «затвор», ПХТ поликремния, снятие фоторезиста

Рисунок 12 - Нанесение СТО d=0,63 мкм, отжиг СТО 850°С O2 30мин, АПХТ СТО.

Рисунок 13 - Фотолитография «N- стоки», ионное легирование фосфора



Рисунок 14 - Фотолитография «Р- стоки», ионное легирование бора

Рисунок 15 - Отжиг р- стоков, п- стоков

Рисунок 16 - Окисление поликремния-1 d=425Е, наращивание нитрида d=600Е, наращивание поликремния-2 d=0,33мкм, ионное легирование бора, отжиг поликремния-2 850°С O2 , фотолитография «поликремниевый резистор», АПХТ поликремния, АПХТ нитрида кремния, снятие фоторезиста

Рисунок 17 - Фотолитография «Р+ стоки», ионное легирование бора



Рисунок 18 - Фотолитография «N+ стоки», ионное легирование фосфора

Рисунок 19 - Снятие фоторезиста, отжиг р+/п+ стоков, окисление пирогенное 1000°С d=0.1 мкм, нанесение БФСС d=0.85 мкм, оплавление БФСС, фотолитография «контакты», ПХТ БФСС, снятие фоторезиста, оплавление контактов

Рисунок 20 - Освежение контактов, напыление металла, фотолитография «металл», ПХТ металла, снятие фоторезиста, нанесение пассивирующего слоя, фотолитография «пассивация», ПХТ пассивирующего слоя, вжигание, контроль ВАХ.



5. Разработка эскизного ТП с использованием программы SSUPREM-3

Одна из наиболее широко используемых одномерных программ моделирования процессов называется SUPREM (Stanford University Process Engineering Modeling Program- программа технического моделирования процессов). Входными данными для программы SUPREM является описание характеристик процессов, включающее последовательность времен, температур, окружающих газовых смесей и других параметров, характеризующих диффузию, окисление, ионное легирование, осаждение и травление. Выходными данными программы является одномерное распределение примесей в кремнии и в некоторых расположенных на нем слоях, таких, как SiO2 или поликремний. Принципиальная структура программы SUPREM построена так, что технологические операции могут моделироваться или индивидуально, или последовательно друг за другом. При этом распределение примесей, получаемое после какой- либо операции, используется в качестве входных данных для следующей операции. В программу включены детализированные модели нелинейной диффузии, сегрегации примесей при окислении, испарения на границе раздела газ- твердая фаза, эффектов, связанных с движением границы Si- SiO2 под растущим слоем двуокиси кремния, с образованием скоплений примеси в процессе диффузии, с зависимостью окисления от концентрации легирующих примесей, а также модели эпитаксиального выращивания кремния, ионного легирования и некоторые другие модели, выходящие за рамки явлений первого порядка, которые могут быть рассмотрены аналитически.



Результаты моделирования имеют следующий вид (рисунок 5.15.8).

Рисунок 5.1 - Профиль распределения концентрации бора в Р-кармане, который сформирован в подложке КЭФ-4,5.

Рисунок 5.2- Профиль распределения концентрации фосфора в N- кармане.



Рисунок 5.3 - Профиль распределения концентрации бора в слое «Р-охрана» под локальным окислом.

Рисунок 5.4 - Профиль распределения концентрации бора в слое «Р- охрана» под локальным окислом.



Рисунок 5.5 - Профиль распределения концентрации фосфора в области канала PMOS-транзистора.

Рисунок 5.6- Профиль распределения концентрации бора в области NMOS-транзистора.



Рисунок 5.7 - Профиль распределения концентрации бора в области Р+ стоков PMOS-транзистора.

Рисунок 5.8 - Профиль распределения концентрации фосфора в области N+ стоков NMOS-транзистора.



6. Оптимизация отдельных технологических операций изготовления кристалла БМК

6.1 Оптимизация блока формирования спейсеров

Требуемый уровень пробивных напряжений сток-исток МОП транзисторов ?21В (Iут=10мкА) при длине канала по поликремнию LКАН ПКК=4мкм был обеспечен формированием глубоких N-/Р- стоков по спейсерам. Для формирования спейсеров использовалась пленка среднетемпературного окисла (СТО), которая осаждалась после формирования поликремниевого затвора. В результате последующего анизотропного плазмо-химического травления пленки СТО по периметру боковых стенок ПКК-затвора формировались островки пленки СТО (спейсеры). Назначение спейсеров - уменьшить боковой уход (уход под затвор) глубоких слаболегированных N-/Р- стоков МОП транзисторов и тем самым обеспечить требуемый уровень пробивных напряжений сток-исток МОП транзисторов. На рисунке 6.1 для примера приведена вертикальная структура NMOS транзистора со спейсерами.

Рисунок 6.1 Вертикальная структура NMOS транзистора со спейсерами.



Для отработки техпроцесса формирования спейсеров и с целью оценки воспроизводимости геометрических параметров спейсеров было выполнено следующее:

1) пластины со сформированными ПКК-затворами разбили на три группы;

2) на каждой группе пластин в отдельном процессе осаждалась пленка средне температурного окисла (СТО);

3) анизотропное плазмо-химическое травления пленки СТО также выполнялось в отдельных процессах;

4) контроль геометрических размеров спейсеров проводился методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на сколе пластин.

6.1 Оптимизация блока формирования N+ стоков

Также одним из технических решений по обеспечению требуемого уровня пробивных напряжений сток-исток МОП транзисторов ?21В (Iут=10мкА) при длине канала по поликремнию LКАН ПКК=4мкм, это формирование сильно легированных N+/Р+ сток-истоковых областей МОП транзисторов, отнесенных как от ПКК-затвора, так и от локального окисла.

Наиболее важно было найти оптимальный вариант по формированию N+ сток-истоковых областей NMOS транзистора, обеспечивающий с одной стороны требуемый уровень пробивных напряжений сток-исток, а с другой стороны гарантирующий омический контакт с низким сопротивлением алюминия к сток истоковым областям NMOS транзистора.

В рамках эксперимента были опробованы две дозы ИЛ фосфора в слой «N+ стоки»: Д=1000мкКл/см2 и Д=500мкКл/см2 и два варианта последующей термообработки перед нанесением БФСС:

1) 1000C сух О2 300А;

2) 850C сух О2 30мин.

Все опробованные технологические варианты в том числе и вариант ИЛ фосфором N+ -стоков дозой 500мкКл/см2 с последующим подлегированием контактов дозой 500мкКл/см2 обеспечил выполнение требований на сопротивление тестового резистора в слое «N+ стоки» , контактное сопротивление Al- N + и величину напряжения сток-исток NMOS транзистора.

1) - для дозы ИЛ Р в N+ - стоки 500мкКл/cм2 , контакты подлегировались фосфором дозой 500мкКл/cм2.

6.3 Оптимизация блока формирования базы (р-типа) стабилитрона

Р-база стабилитрона, см. рисунок 6.2, формировалась до выращивания подзатворного окисла ИЛ бора по режиму Д=200мкКл/см2 Е=75кэВ через окисел толщиной 0,1мкм с последующей термообработкой 1000C N2 120мин.

Рисунок 6.2- Вертикальная структура стабилитрона.

Естественно, что последующие термообработки на маршруте изготовления БМК влияют на напряжение пробоя стабилитрона при обратном смешении. Требование на величину пробивного напряжения стабилитрона при обратном смещении (диод, реализованный на слоях «Р+ подлегирование» - «N+ стоки») обеспечивается только для варианта термообработки перед нанесением БФСС 1000С сух О2 300.



7 Исследование и оптимизация режимов ионного легирования канала МОП транзистора

В качестве материала затвора и межсоединений широко используется поликремний, сильнолегированный примесью проводимостью n- типа, что связано с его способностью хорошо выдерживать высокотемпературную термообработку. Сопротивление поликремния может приводить к значительной задержке сигнала, проходящего по таким шинам. Не так давно для уменьшения сопротивления стали использоваться тугоплавкие металлы и их силициды- как совместно с поликремнием, так и без него. К преимуществам метода, когда используется нанесение силицидов тугоплавких металлов на поверхность легированного поликремния (такая структура получила название полицид), относится общее снижение поверхностного сопротивления такой структуры от 3 до 10 раз при сохранении хорошо изученного раздела поверхности поликремний- SiO2. Для использования определенных силицидов непосредственно на поверхности подзатворного окисла, обладающих большей работой выхода, чем n+- кремний, необходимы соответствующие изменения метода легирования областей канала. После осаждения с помощью фотолитографии происходит формирование затворов.

Для успешного проектирования любой МОП ИС первый по значимости вопрос контроля пороговых напряжений МОП- приборов--это обеспечение возможности надежно изготавливать как обогащенные, так и обедненные МОП- транзисторы в зависимости от требований к элементам схемы. В большинстве конкретных приложений требуются обогащенные МОП- транзисторы. Это означает, что для р- канальных МОП- транзисторов VТ должно быть отрицательным, а для n- канальных МОП- транзисторов--положительным. Выполнить указанное требование для р- канальных приборов достаточно просто, тогда как для n- канальных МОП- транзисторов это может быть сопряжено с определенными трудностями. Анализ уравнений для пороговых напряжений обоих типов приборов показывает справедливость этих замечаний. При VS= VB= 0 уравнения для пороговых напряжений можно записать в следующем виде :

UTN = UFB+2??P?+?Qd? /CОХ (7.1)

UTP = UFB-2??N?-?Qd?/CОХ) (7.2)

В обоих уравнениях Qd есть поверхностная плотность обедненного заряда в режиме, когда поверхность полупроводника инвертирована.

Обычно напряжение плоских зон отрицательно как для n- канального, так и для p- канального МОП- транзисторов. Так как все остальные слагаемые в уравнении (7.1) тоже отрицательны, UTp, несомненно, получается отрицательным и поэтому при изготовлении обогащенных р- канальных МОП- транзисторов особых трудностей не возникает. Однако для n- канального прибора сумма двух последних слагаемых в (7.1) должна быть больше UFB, так как только при этом условии можно получить обогащенный МОП- транзистор. Этим требованием устанавливается нижний предел на допустимую примесную концентрацию для n- канальных приборов. При толщине окисла 100 нм и поверхностной плотности Qf/q около 1011 см-2 уровень примесной концентрации, обеспечивающий работу транзисторов на границе области работоспособности, достаточно низок и составляет порядка 1015см-3. Чтобы заложить при проектировании коэффициент запаса (т. е. получить пороговое напряжение около 1 В), примесную концентрацию следует выбрать порядка 1016 см-3. Такая высокая примесная концентрация в целом нежелательна, так как она приводит к большим емкостям относительно подложки и сравнительно низким пробивным напряжениям переходов. Данная проблема осложняется еще тем, что бор, который обычно используется в качестве примеси р- типа, подвержен при выращивании окисла эффекту сегрегации в окисел. В результате сегрегации примесная концентрация Na в приповерхностной области уменьшается по сравнению с ее уровнем в подложке. Другой способ изменения порогового напряжения в нужном направлении--уменьшение Сох с помощью увеличения толщины затворного окисла. Однако такое решение проблемы нежелательно, так как оно приводит к уменьшению коэффициента усиления МОП- транзистора.

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 Qd . 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 Vt определяется по формуле:

Vt=qN/Cox, где: N -- поверхностная плотность примесных атомов (доза), введенных в приповерхностный слой кремния;

q - заряд электрона;

Cox - удельная емкость подзатворного окисла.

Применение ионного легирования позволило освоить надежное производство n-канальных МОП- приборов.

Изменить пороговое напряжение можно также с помощью подачи напряжения смещения на подложку, которое дает сдвиг VT . Этот метод (иногда называемый смещением подложки) используется в целом ряде промышленных n- канальных МОП- схем.

Напряжение смещения на подложку подается от внешнего источника или генерируется непосредственно внутри ИС с помощью дополнительной схемы.

Обычно требуется, чтобы пороговое напряжение обоих типов транзисторов находилось примерно на одном и том же уровне и было ниже 1В. Выполнение этих требований обеспечивает функционирование КМОП-схем при низких уровнях напряжений (VDD>VTn+|VTp|) и более высокий уровень тока стока при больших значениях VDD.

Однако для выполнения отмеченных условий необходимо провести соответствующую регулировку параметров схемы. Если в разных типах приборов для затвора используется один и тот же материал (например n+ поликремний), то разность работ выхода электронов ЦMS будет отличаться для n- и p-канальных транзисторов. Такая разница приводит к ассиметрии пороговых напряжений обоих типов транзисторов.

Отметим, что невозможно получить |VTp|<0,7В только за счет уменьшения уровня легирования N-кармана в области канала для p-канальных транзисторов, в то время как для n-канальных приборов можно достичь выполнения соотношения VTn<0,7В путем подбора уровня легирования P-кармана в области канала. Для того, чтобы обеспечить требуемую величину порогового напряжения МОП транзисторов с поликремниевым п+ затвором, р-канальных в частности, используют неглубокую ионную имплантацию бора в область канала.

При разработке эскизного маршрута формирования кристалла БМК оптимизировались режимы подлегирования каналов МОП транзисторов

Для дозы легирования бором р- кармана 1,4 мкКл\см2 Е= 100 кэВ значение собственного порогового напряжения NMOS-транзистора получено в диапазоне 0,97 - 1,14В. Для дозы доза легирования фосфором n- кармана 0,6 мкКл\см2 Е= 30 кэВ значение собственного порогового напряжения PMOS-транзистора составило 1,69 - 1,98В.

Однако, чтобы обеспечить работоспособность ИМС, реализованных на БМК, необходимо было обеспечить получение величины пороговых напряжений МОП транзисторов в диапазоне (0,8 0,2)В.

Из анализа величин собственных пороговых напряжений МОП транзисторов следует, что для обеспечения требования (0,8 0,2)В необходимо снижение пороговых напряжений ионным легированием малых доз примеси в канал МОП транзисторов:

в канал NMOS-транзистора - фосфора;

в канал PMOS-транзистора - бора;

Варьирование дозы ИЛ фосфора в канал NMOS транзистора в пределах 0 - 0,06 мкКл/см2 обеспечило получение параметра Ut в диапазоне: 0.64 - 1,14 при требовании (0,8 0,2)В.

Таким образом опробованные дозы ИЛ фосфора обеспечили получение параметра Ut NMOS транзистора в пределах требований, а для PMOS транзистора доза ИЛ бора в канал была скорректирована c 0.1 - 0,2 мкКл/см2 на 0,28 -0,32мкКл/см2 , что обеспечило выполнение требований на пороговое напряжение PMOS транзистора, см. таблицу 7.1.

Зависимости порогового напряжения Ut МОП транзисторов от доз подлегирования в канал представлены на рисунках 7.17.2.

Рисунок 7.1 - Зависимость порогового напряжения PMOS-транзистора L/W=4/50мкм от дозы ионного легирования бора в канал.



Рисунок 7.2 - Зависимость порогового напряжения NMOS-транзистора L/W=4/50мкм от дозы ионного легирования фосфора в канал.



8. Исследование и оптимизация режимов отжига слабо легированных стоков

Технологический маршрут формирования транзисторов со спейсерами обеспечивает получение необходимых значений Ids, Uds, причем минимальное наблюдаемое значение Uds(NMOS) составило 28.8 В, Uds(PMOS) -30.6В.Для обеспечения требуемых параметров ВАХ элементной базы, в частности, величины порогового напряжения и напряжения пробоя сток-исток МОП транзисторов, проводилась оптимизация режимов ионного легирования канала МОП транзисторов и оптимизация режимов отжига слаболегированных Р- / N- стоков.Для обеспечения работы ИМС, реализованных на БМК, в диапазоне Епитания=3 - 20В, необходимо было получить напряжение пробоя сток-исток МОП транзисторов 21В Iут=10мкА. Причем, необходимо было обеспечить данное требование на минимальной длине канала, что минимизирует влияние паразитной емкости затвор - канал.

Для обеспечения данного требования в конструкции МОП транзисторов использовались следующие технические решения:

1) глубокие слаболегированные n-/p- стоки, которые формируются после создания поликремниевого затвора по спейсерам;

2)сильнолегированные n+/p+ стоки, которые (топологически) отнесены от затвора и локального окисла.

В рамках выполнения настоящего проекта проводились эксперименты по оптимизации блока формирования слаболегированных n-/p- стоков и исследования по выбору оптимальной длины канала МОП транзисторов.

При оптимизации блока формирования слаболегированных n-/p- стоков кроме режимов отжига варьировалась :

- доза легирования бором n- стоков : D1= 4 мкКл\см2 Е= 80 кэВ; D2= 6 мкКл\см2 Е= 80 кэВ;

- доза легирования бором p- стоков : D1= 6 мкКл\см2 Е= 30 кэВ; D2= 8 мкКл\см2 Е= 30 кэВ.

По результатам контроля параметров ВАХ МОП транзисторов, формирование слаболегированных n-/p- стоков которых варьировалось в соответствии с таблицей 8.1, были выбраны оптимальные варианты:

- доза легирования фосфором n- стоков D2= 6 мкКл\см2 Е= 80 кэВ;

- доза легирования бором p- стоков D2= 8 мкКл\см2 Е= 30 кэВ.

- режим разгонки слаболегированных n-/p- стоков 1050С N2 t=120мин.

Вышеуказанные режимы формирования слаболегированных n-/p- стоков обеспечили получение напряжения пробоя сток-исток МОП транзисторов 21В при длине канала по поликремнию 4мкм.

Зависимости пробивного напряжения сток - исток NMOS, PMOS транзисторов от длины канала, полученные на пластинах, изготовленных по разработанному технологическому процессу, представлены на рисунках 8.1- 8.2.

Рисунок 8.1- Зависимость пробивного напряжения NMOS транзистора от длины канала.



Рисунок 8.2 - Зависимость пробивного напряжения PMOS транзистора от длины канала.



9. Сбережение топливно-энергетических ресурсов

В настоящее время объем мирового потребления энергии непрерывно и быстро возрастает, что является следствием процесса индивидуализации, роста населения, увеличения энергозатрат на добычу природных ресурсов и работу транспорта и другого, в результате чего быстро сокращаются имеющиеся запасы нефти и газа во всем мире.

Виды используемых энергоресурсов

Несмотря на значительное развитие топливодобывающей промышленности, топливный баланс в течение многих лет является весьма напряженным: опережающими темпами растет потребность в топливе и часто оно расходуется расточительно.

Все энергосберегающие мероприятия могут быть объединены в две группы:

снижающие расход энергоресурсов при выполнении технологических процессов и экономящие энергоресурсы, расходуемые в жилищно-коммунальном хозяйстве и общественных зданиях, и при обеспечении условий для выполнения этих процессов.

Топливно-энергетические ресурсы - совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике.

Энергосбережение - это организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расходов и потерь топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи, переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации.

Различают два вида энергосберегающих мероприятий:

1) мероприятия, непосредственно связанные с работой систем отопления,

2) вентиляции и кондиционирования воздуха: повышение уровня теплозащиты зданий различного назначения, совершенствование герметизации и тепловой изоляции технологического оборудования, совершенствование технологических процессов, использование вторичных энергоресурсов для технологических нужд. Применение энергосберегающих мероприятий этого вида всегда приводит к уменьшению мощности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;

2) мероприятия, снижающие затраты тепловой или электрической энергии при работе этих систем; повышение КПД котельных установок, автоматизация и диспетчеризация работы систем, совершенствование их проектных решений, использование вторичных энергоресурсов для нагрева приточного воздуха или воды.

В настоящий момент на заводе используется большое количество установок и приборов различного назначения и его использование безусловно ведёт к большим затратам энергетических ресурсов, что несомненно ведёт к необходимости уменьшать их энергопотребление. Но не всегда возможно приобрести установку, которая потребляет меньше энергии, приходится работать на старых, объём используемых энергоресурсов одной установкой составляет примерно 1.6 кВт/ч, что естественно очень много, поэтому сбережение энергетических ресурсов, является очень важным пунктом.

Использование вторичных энергоресурсов и отходов.

В воздухе, удаляемом из производственных зданий, часто содержатся различные продукты, которые после их улавливания могут снова использоваться для выработки соответствующей продукции. Для улавливания таких вторичных продуктов устанавливают дополнительное оборудование.

Вторичные энергетические ресурсы - это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса, в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства, и не применяемое в этом энергетическом процессе.

Основными пунктами в процессе рассмотрения мероприятий по энергосбережению являются:

- снижение расчетных потерь теплоты здания;

-повышение эффективности потребления энергии жилыми и общественными зданиями;

- снижение расхода энергии при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха производственных зданий.