Модуль 7 «Анализ качества процессов микротехнологии» предусматривает освоение основных этапов оценки качества изделий и процессов микротехнологии на основе учета физико-химических особенностей процессов, группового метода обработки и групповых заготовок для типовых планарных процессов.

МОДУЛЬ 1

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗДЕЛИЙ МИКРОТЕХНОЛОГИИ

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 2

СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ 7

1. Интегральные микросхемы как объект производства 10

1.1. Структура и принцип действия кмоп микросхем 10

1.2. Технология кмоп микросхем 15

1.2.1. Формирование карманов p- и n- типа 15

1.2.2. Формирование изоляции 17

1.2.3. Формирование затвора и слаболегированных областей истока и стока 19

1.2.4. Формирование спейсера и глубокое легирование областей стока и истока 21

2.5. Формирование контактов 24

1.2.6. Формирование металлических проводников: 1-й слой металла 26

1.2.7. Формирование металлических проводников: 2-й слой металла 28

1.3. Масштабирование КМОП микросхем 29

1.4. Приложения 35

Приложение 1. Параметры металлических проводников в межсоединениях 35

Приложение 2. Особенности формирования медных межсоединений. 37

Приложение 3. Диэлектрические свойства материалов микротехнологии 40

Список литературы 42

Анализ изделий микроэлектроники с позиции технолога позволяет оценить комплекс требований к основным элементам технологической системы – к материалам (заготовок и элементов микроструктур), методам их формирования, применяемому оборудованию.

Поэтому первый модуль дисциплины «Процессы и оборудование микротехнологий» посвящен технологическому анализу типовых изделий микротехнологии – интегральной микросхемы и кремниевого микродатчика давления.

1. Интегральные микросхемы как объект производства

В первом разделе модуля «Технологический анализ изделий микротехнологии» приведены краткие сведения о принципе действия полупроводниковых приборов на примере МОП транзисторов, структура и принцип действия интегральной микросхемы на основе КМОП инвертора.

Основное внимание уделено рассмотрению маршрута и особенностей основных операций планарной технологии изготовления твердотельных интегральных микросхем.

1. Структура и принцип действия кмоп микросхем

Полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС) являются основным и, по сути, единственным массовым объектом современных микротехнологий.

Непрерывное совершенствование ИС является катализатором прогресса всех важнейших отраслей народного хозяйства, поэтому уровень и объемы производства ИС определяют научно-технический и оборонный потенциалы развитых стран.

Подавляющее большинство современных микросхем (и цифровых, и аналоговых) построено на полевых или МОП (металл - окисел - полупроводник) транзисторах.

Различают p-МОП (p-канальные) и n-МОП (n-канальные) транзисторы.

Структуры n и p-канальных МОП-транзисторов аналогичны и отличаются видом носителей (электроны и дырки соответственно), переносящих заряд от истока к стоку при приложении порогового напряжения.

Так, n-МОП обозначает транзистор, в котором области истока и стока имеют n-тип проводимости, сформированные в подложке p-типа. Область между истоком и стоком формирует канал, над которым размещен металлический или поликремниевый затвор, отделенный от канала диэлектриком – оксидом кремния.

Подача на затвор положительного напряжения создает электрическое поле, отталкивающее от него основные носители заряда p-типа - положительные дырки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура n-МОП транзистора

В то же время оно притягивает в область канала электроны. По достижении порогового напряжения количество электронов в канале существенно превосходит количество дырок – происходит инвертирование.

При этом образуется проводящий канал n-типа, соединяющий исток со стоком, причем подзатворный диэлектрик предотвращает попадание электронов в затвор.

Аналогично, p-МОП транзистор содержит исток и сток в виде областей p-типа в подложке n-типа, а основными переносчиками заряда являются дырки. Подача на затвор отрицательного напряжения ведет к инвертированию и формированию канала p-типа.

Рис. 1.2. КМОП инвертор а – принципиальная схема, б – структура

О
бъединение пары дополняющих друг друга (комплементарных) n-МОП и p-МОП транзисторов в единую КМОП структуру позволяет получить, например, схему инвертора, широко применяемого в современных микросхемах (рис. 1.2).

В инверторе транзисторы Т1 и Т2 соединены последовательно так, что к их затворам подведено общее входное напряжение V_in, а стоки имеют общий выход V_out (рис. 1.2, а).

В n-канальном транзисторе T1 подложка p-типа обозначена стрелкой, направленной внутрь, а в p-канальном транзисторе T2 подложка n-типа обозначена стрелкой, направленной наружу.

Подложка n-канального транзистора T1 соединена с землей, а на подложку p-канального транзистора Т2 подается напряжение питания V_dd (обычно около +5 В).

Инвертор работает следующим образом. При подаче высокого входного напряжения V_in (сопоставимого с V_dd) n-канальный транзистор Т1 включается (см. выше описание работы n-МОП транзистора).

Напряжение между затвором и подложкой p-канального транзистора Т2 при этом близко к нулю, поскольку и затвор и подложка имеют один и тот же потенциал V_dd. Поэтому транзистор Т2 будет выключен, а выходное напряжение будет низким.

Если же входное напряжение V_in будет низким (близко к потенциалу земли), n-канальный транзистор Т1 выключится. Напряжение между затвором и подложкой p-канального транзистора Т2 будет теперь равно -V_dd, поскольку потенциалы затвора и подложки равны 0 и +V_dd соответственно.

Поскольку пороговое напряжения p-канального транзистора составляет примерно V_t = - 2 В, то он включится и выходное напряжение будет высоким.

Таким образом, при подаче на вход инвертора высокого напряжения (логическая 1) получаем на выходе низкое напряжение – логический 0. Напротив, низкое напряжение на входе (логический 0) дает на выходе высокое напряжение – логическую 1.

Отметим важное обстоятельство. Для формирования инвертора в виде микросхемы на едином кремниевом кристалле необходимо учесть, что подложки транзисторов Т1 и Т2 имеют разный тип проводимости: p и n соответственно.

При этом кремниевые подложки, полученные из монокристаллических слитков, имеют вполне определенный тип проводимости по всему рабочему полю.

Для решения этой проблемы в подложке создается локальная область с противоположным типом проводимости – карман (см. рис. 1.2, б), в которых формируется один из транзисторов (часто – оба).

Отметим, что в инверторе помимо контактов к стокам, истокам и затворам транзисторов формируются также контакты к подложке и к выделенному в ней карману. Так, p-подложка n-канального транзистора Т1 соединена с землей.

Напротив, n-карман p-канального транзистора Т2 подключен к источнику питания V_dd (примерно +5 В). Таким образом, каждый транзистор имеет четыре контакта к своим активным элементам. При этом исток всегда подключен к подложке (или карману) и имеет с ней один потенциал.

Поскольку p-подложка подключена к земле, а n-карман – к положительному потенциалу, они образуют обратно смещенный p-n переход, предотвращая протекание между ними электрического тока.

КМОП структуры современных ИС, в частности, инверторы, имеют минимальные размеры структур в диапазоне 65-180 нм. Переход в нанометровый диапазон привел к существенному усложнению КМОП структуры (рис. 1.3).

Прежде всего, это касается подложки. В рассматриваемом примере слой, в котором сформированы карманы МОП транзисторов – это эпитаксиальный слой p- типа толщиной 2 -5 мкм, который наращивается на сильно легированную пластину кремния p+ типа.

Сочетание сильно- и слаболегированных слоев кремния позволяет предотвратить «защелкивание» транзисторов и уменьшает вероятность их деградации.

В слаболегированном эпитаксиальном слое выполнен не только n-карман (как на рис. 1.2, б), но дополнительно и p-карман, в которых формируются соответствующие МОП транзисторы (рис. 1.3, а, б).

В p-кармане выполнен транзистор n-МОП типа, который включает две сильно легированные близлежащие области n+ типа (исток и сток). Над узкой промежуточной областью между стоком и истоком размещен тонкий (200 нм и менее) изолирующий слой диоксида кремния SiO₂ – подзатворный диэлектрик. На него нанесен слой металла или легированного поликремния n+ типа (poly Si), который служит управляющим электродом – затвором.

По обеим сторонам поликремниевого затвора сформированы спейсеры – разделители, которые изолируют его от стока и истока.

В p-кармане выполнен транзистор n-МОП типа, который включает две сильно легированные близлежащие области n+ типа (исток и сток). Над узкой промежуточной областью между стоком и истоком размещен тонкий (200 нм и менее) изолирующий слой диоксида кремния SiO₂ – подзатворный диэлектрик. На него нанесен слой металла или легированного поликремния n+ типа (poly Si), который служит управляющим электродом – затвором.

По обеим сторонам поликремниевого затвора сформированы спейсеры – разделители, которые изолируют его от стока и истока.

а

б

Рис. 1.3. Структура (а) и топология (б) современного КМОП инвертора

На верхние поверхности стока, истока и затвора локально нанесен силицид (например, силицид кобальта CoSi₂) для обеспечения электрического контакта к этим элементам.

В современных МОП-транзисторах повсеместно используются мелкие слаболегированные области (LDD - Lightly Doped Drain), которые продлевают области истока и стока в сторону канала. Концентрация примеси (фосфор и бор) этой области составляет 4·10¹⁸ - 8·10¹⁸ см^-3, в то время как в n+ областях она достигает 5·10¹⁹ –1·10²⁰ см^-1.

Транзистор p-МОП типа аналогичен ранее рассмотренному транзистору n-МОП типа, за исключением того, что в нем исток и сток – это две сильно легированные области p+ типа, а сам он выполнен в кармане n типа. Кроме того, затвор транзистора p-МОП типа выполнен из поликремния p+ типа.

Напомним, что активные области двух транзисторов КМОП ИС разделены изоляцией из оксида кремния SiO₂.

Геометрические параметры КМОП инвертора приведены в таблице 1.1.

ПАРАМЕТР	ЗНАЧЕНИЯ
Толщина подзатворного диэлектрика, нм	3
Минимальная ширина затвора, нм	140
Толщина поликремния, нм	250
Допустимые рассовмещения, нм	25
Шаг проводников на 1 уровне металлизации, нм	500
Толщина проводников на 1 уровне металлизации, нм	480
Шаг проводников на 2 уровне металлизации, нм	640
Толщина проводников на 2 уровне металлизации, нм	700
Габариты контактных площадок, мкм	100х100

Параметры КМОП инвертора Таблица 1.1

1. Технология кмоп микросхем

В технологическом процессе КМОП микросхемы можно выделить несколько важных этапов, на которых формируются:

• изоляция между областями p- и n- канальных транзисторов,

• карманы p- и n-типа,

• области истока, стока и затвора,

• контакты к активным областям,

• многослойная металлизация.

1.2.1. Формирование карманов p- и n- типа

Создание КМОП структуры обычно начинается с выделения активных зон – карманов p-и n-типа (см. рис. 1.3), в которых будут размещаться, соответственно, n-МОП и p-МОП транзисторы.

Предварительно на поверхность пластины из монокристаллического кремния ориентации (100) p+ типа проводимости наносится эпитаксиальный слой p- типа с удельным сопротивлением 5-50 Ом∙см. Именно в этом слое и формируется активная структура ИС.