книги / Методы повышения параметров БИС

граничная частота крутизны	(4)
Л —1/fs*

Возможность работы МОП*траизнсторов в качестве управ­ ляющих и нагрузочных элементов позволяет создавать логи­ ческие элементы полностью на их основе, а способность МОПтранзисторов накапливать и хранить заряд в диэлектрике затво­ ра используется для создания запоминающих и динамических ло­ гических схем. Определенными соединениями элементарных МОП-транзисторных схем реализуются различные типы интег­ ральных схем. Достоинством их по сравнению с биполярными является повышенная плотность компоновки транзисторов на кристалле, поскольку истоки и стоки смежных транзисторов разделены встречно включенными р-п переходами и не требуется изоляция элементов [84,150].

Быстродействие логического МОИ-элемента определяется глав­ ным образом временем перезарядки суммарной емкости нагруз­ ки, состоящей из собственных емкостей МОП-транзисторов дан­ ного элемента и входных емкостей следующих каскадов [25]. При этом время задержки логического элемента тзд .связано с длиной канала LKaH и с подвижностью электронов /и,, зависи­ мостью

гэд ~ кан/Ми. (5)

иллюстрирующей необходимость обеспечения чрезвычайно ма­ лой длины канала, чтобы реализовать сверхскоростные МОП БИС, и возможность повышения быстродействия в два-три раза при использовании МОП-транзисторов с объемным каналом (за счет большей подвижности электронов в объеме полупроводни­ ка).

Для лучшего удовлетворения перечисленным требованиям разрабатываются различные типы МОП-приборов. Например, для запоминающих устройств эффективны МОП-транзнсторы с двой­ ным затворным диэлектриком или с плавающим затвором [49, 93,121, 150]. На основе использования под затвором двуслойно­ го диэлектрика из нитрида кремния Si3N4 (толщиной 60. ..80 нм) и тонкого окисла кремния БЮг (2...3 нм) созданы МНОП (ме- талл-нитрид-окисел-полупроводник)-транзисторы.

Лавинно-инжекционный МОП-прибор с плавающим затвором (ЛИЛЗ МОП) имеет два затвора (из металла или поликремния), расположенные один над другим над областью канала (рис. 6). [31,45, 46,49]. Этот составной затвор окружен двуокисью крем­ ния, что уменьшает утечки. Толщина слоя затворного диэлектри­

21

ш б л я ю щ и й			Пладаю ш ий
5i-3am lop			/ S i -затбор
щ	\ г	~
K i / T "				уч\	/ 7	|
1 с ж _			¥ \ ¥	*	*	* \
Г		ц
___ п *		J	\	Л ___0		\ _
Внедренный				Зат борны й
р - ш й				окисел

Рис. 6. Структура лавшшо-инжек- цнонного МОП-элемента

ка, находящегося под нижним (плавающим) затвором, состав­ ляет около 100 нм; слоя Si0 2 между верхним (управляющим) и нижним затворами — более 100 нм.

Логические МОП БИС содер­ жат несколько последовательно или параллельно соединенных МОП-транзисторов, причем в последнем случае возможно объе­ динение диффузионных областей истока и стока, позволяющее

уменьшить площадь схемы [93]. Очень высокое быстродействие логических вентилей при большой плотности элементов достига­ ется при использовании многостоковых и-канальных МОП-струк* тур (МС-МОП). В логической схеме такого типа входом являет­ ся общий затвор, что значительно повышает плотность монтажа, а несколько стоков являются выходами. Использование всего лишь одного базового элемента (МС-МОП-логической ячейки с переменным числом стоков) намного упрощает машинное про­ ектирование.

Структура МОП-приборов создается методами планарной тех­ нологии с использованием процессов окисления поверхности

. кремния (для создания диэлектрического слоя, изолирующего металлический затвор от полупроводниковой подложки, пасси­ вации поверхности и создания маски для последующих опера­ ций), фотолитографии (для вскрытия окон в окисле под исток и сток), диффузии легирующих примесей через окна в полупро­ водник (для формирования областей истока и стока) и металли­ зации (для создания затвора, контактов к истоку и стоку, меж­ соединений).

Одна из главных технологических задач состоит в получении высококачественного слоя диэлектрика под затвором, посколь­ ку граничный слой между диэлектриком и полупроводником является областью канала [105]. В основном, как отмечалось выше, здесь применяется двуокись кремния, удовлетворяющая требованиям обеспечения нужных функций диэлектрика и значе­ ний параметров приборов, а также технологичности. В некото­ рых случаях используется напыленный слой нитрида кремния и окись алюминия.

В технологии получения затвора распространен метод самосовмешенного затвора, позволяющий примерно на порядок снизить емкости перекрытия затвор-исток и затвор-сток и таким обра-

22

зом повысить быстродействие [20, 138, 150]. Особенность мето­ да состоит в том, что затвор создается до образования слоев ис­ тока и стока и используется как маска для формирования пос­ ледних. Преимуществами по сравнению с затворами из алюми­ ния обладают поликремниевые и молибденовые затворы, являю­ щиеся хорошими защитными масками при проведении диффу­ зии бора для образования истока и стока. В МОП-транэисторах с затворами из этих материалов также достигается уменьшение по­ рогового напряжения вследствие снижения (до нуля в случае лоликремниевого затвора) контактной разности потенциалов меж­ ду кремниевой подложкой и затвором. Однако при этом отмеча­ ются и трудности реализации субмикронных размеров затворов на поликремнии, обусловленные размерами зерна.

При изготовлении МОП БИС обычно используется самосовмещенный толстоокисный технологический процесс, называемый МТОП-технологией, а также самосовмешенный процесс с исполь­ зованием ионного легирования и изопланарный [105]. При МТОПтехнологии с целью предотвращения токов утечки между диф­ фузионными областями металлизацию выполняют по окислу с относительно большой толщиной (порядка 1,5 мкм), который образуется при первичном окислении кремния. МТОП-техноло- гия позволяет осуществлять самосовмещение затвора: после соз­ дания толстого окисла и вскрытия в нем активных областей вы­ ращивается тонкий слой окисла (0,1 мкм) под затвор, затем формируются затвор и диффузионные области истока и стока.

При диффузионно-ионной технологии области стока и истока получают диффузионным способом до выращивания тонкого окисла, а ионное легирование применяют для создания встроен­ ного канала, что обеспечивает самосовмещение затвора. Подоб­ ный способ образования канала p -типа после формирования ос­ новной МОП-структуры используется для изготовления нагру­ зочных транзисторов, работающих в режиме обеднения. В изопланарной технологии для получения МОП-транэисторов с крем­ ниевыми затворами используется МТОП-технология, сами же транзисторы формируют на меэаобдастях, окруженных слоем окисла кремния и выступающих над утопленной неактивной по­ верхностью подложки, в результате чего повышается плотность размещения транзисторов на подложке, уменьшаются паразитные проводимости между ними, улучшается качество металлизации.

Как показывает анализ путей повышения быстродействия МШтранзисторов, определяемого такими факторами, как крутизна характеристики, паразитные емкости и пороговые напряжения, существует ряд возможностей и в то же время ряд ограничений

23

при переходе в субмикронную область размеров элементов [18,51, 57,73,85]. Так, с уменьшением геометрических размеров происхо­ дит в основном уменьшение емкостей прибора (например, собст­ венной емкости затвора, емкостей р-п переходов), что способствует повышению быстродействия, однако при этом возможны и паразитные эффекты, например связанное с краевыми полями увеличение емкостей межсоединений узких металлических шин над большой 'кремниевой плоскостью. Уменьшение длины кана­ ла транзистора 1 кан до величины менее 5 мкм (в целях увеличе­ ния крутизны характеристики) без изменения остальных геомет­ рических размеров в МОП-тразисторах обычной конфигурации вызывает, в частности, увеличение токов утечки, что, например, недопустимо для динамических схем.

Повышение уровня параметров МОП БИС с помощью миниа­ тюризации достигается путем пропорционального уменьшения всех геометрических размеров схемы.

В общем случае для сохранения характеристик и работоспо­ собности МОП-приборов при уменьшении их размеров следует пропорционально уменьшать в к раз такие физические парамет­ ры, как длина канала LKaH) толщина затворного окисла <7Д, ши­ рина канала lVKaH, величина боковой диффузии 1 ДИф и глубина переходов хпер [124]. При этом концентрация примеси в под­ ложке должна быть увеличена в к раз, а напряжение питания уменьшено соответственно в К раз. Этот принцип комплексной миниатюризации положен в основу так называемой высокока­ чественной технологии МОП БИС.

К трудностям перехода к каналам субмикронных размеров, кроме необходимости развития высокоразрешающего техноло­ гического оборудования для литографии и сухого травления, от­ носится влияние на характеристики приборов эффектов корот­ кого канала (эффектов второго порядка), учет которых требует внесения изменений в стандартную технологию, расчет и проек­ тирование БИС [25,104,124,149].

Обнаружено, например, что пороговое напряжение транзисто­ ра с коротким каналом снижается из-за того, что обедненные области стокового и Потокового переходов создают часть заря­ да ионизированной примеси в подложке, которую в приборах с длинным каналом создает поле затвора. В то же время при уменьшение ширины канала дополнительный заряд ионизирован­ ной примеси, создаваемый краевыми электрическими полями, вызывает возрастание порогового напряжения. В результате по­ вышается чувствительность характеристик прибора к неточнос­ тям технологического процесса.

Наблюдаются эффекты второго порядка, связанные с умень­ шением степени изоляции между истоком и стоком при умень-

24

Рис. 7. К наблюдению эффектов второго затвора (в) и объем­ ного сквозного обед­ нения (б)

шении длины канала. В обогащенном МОП-транэисторе вследст­ вие этого происходит снижение напряжения сквозного обедне­ ния, что приводит к повышешно тока утечки. Механизмами та­ кого эффекта являются сквозное обеднение через затвор (рис. 7, а) и объемное сквозное обеднение (рис. 7, б) [124]. Для пер­ вого характерно, что линии электрического поля, начинающиеся

вр-п переходе стока, заканчиваются на границе окисел-кремний

вобласти канала и сток, действуя как паразитный второй затвор, вызывает инверсию в канале с нижней стороны. При этом нап­ ряжение сквозного обеднения линейно падает с уменьшением длины канала. В случае второго механизма электрическое поле истока достигает стока и вызывает протекание тока; напряже­ ние такого сквозного обеднения пропорционально квадрату дли­ ны канала. Уменьшение данного эффекта в приборах с коротким каналом может быть достигнуто, например, путем уменьшения толщины окисла.

При использовании в приборах с коротким каналом относи­ тельно больших напряжений питания электрические поля могут быть настолько велики, что электроны, движущиеся от истока к стоку, возбуждаются до энергий, превышающих равновесную теп­ ловую энергию решетки кремния и начинают взаимодействовать с оптическими фононами [27]. В результате электрон-фононных взаимодействий электроны быстрее теряют энергию, подвижность их снижается при увеличении напряжения и происходит насыще­ ние дрейфовой скорости. Этот эффект приводит к тому, что у МОП-транзистора, работающего в режиме насыщения, ток стока увеличивается с ростом напряжения на затворе полшейному зако­ ну, а не по обычному квадратичному. Поэтому для получения за­ данного тока следует увеличивать геометрические размеры тран­ зистора. Способом уменьшения упомянутого эффекта является понижение напряжения литания.

При коротких каналах вследствие сильных полей может воз­ никать генерация „горячих” электронов, у которых соответст­ вующая их энергии температура превышает равновесную темпе­ ратуру кристаллической решетки. „Горячие” электроны могут’

25

Рис. 8. К наблюдению эффекта захвата заряда ловушками в затворном окисле МОП-приборов (в), который может вызвать постоянный сдвиг по­ рогового напряжения (б):

1 - до работы под напряжением; 2 - после работы под напряжением

преодолеть потенциальный барьер на границе окисел — крем­ ний и оказаться захваченными ловушками (рис. 8) [124], что мо­ жет привести к повышению порогового напряжения и снижению надежности прибора [94, 104, 124, 149]. Этот паразитный эф­ фект значительно уменьшают снижением плотности электронных ‘ловушек путем тщательной обработки затворного окисла и уменьшением питающих Напряжений.

Следует заметить, что уменьшение толщины затворного диэ­ лектрика, способствующее увеличению крутизны характеристи­ ки и, как показано выше, уменьшающее эффекты второго по­ рядка, имеет свои ограничения, так как приводит к возрастанию собственной и паразитной емкостей транзистора, что вызывает снижение, быстродействия, повышает вероятность пробоев р-п перехода сток -подложка и окисла между стоком и затвором [85,104,149,150].

К числу трудностей реализации повышения параметров БИС путем уменьшения геометрических размеров элементов относят­ ся не только необходимость формирования прецизионных ри­ сунков схем .и применения более совершенных прочих техноло­ гических процессов, но и необходимость решения целого ряда проблем проектирования, разработки технологии и схемотехни­ ки таких БИС (например, оптимизации топологии, обеспечиваю­ щей минимально "возможную длину соединительных шин для уменьшения задержки) [18,39,73,94]. При этом немаловажную роль играют вопросы экономической оправданности принимае­ мых мер, несомненно повышающих стоимость производства, обеспечения высокого выхода годных и высокой надежности приборов.

Применяя метод комплексной миниатюризации и осуществ­ ляя переход к субмикрошюй области размеров, можно достичь 26

повышения показателей МОП БИС, по быстродействию прибли­ жающихся к биполярным. Например, для кольцевого генерато­ ра путем уменьшения ширины линий до 1 мкм, толщины окис­ ла —до 25 нм и глубины переходов —до 0,25 мкм, а также изме­ нения концентрации легирующих примесей достигнуто сверхвы­ сокое быстродействие n-канальных МОП ИС на кремнии: задерж­ ка вентиля составляла 40 пс, мощность рассеяния -1,25 мВт/вентиль, произведете быстродействие X мощность — 0,05 пДж [48]. Для изготовления таких экспериментальных ИС использо­ ваны рентгено-лучевая литография со специальной настройкой установки, травление реактивным распылением материала и осу­ ществлено моделирование технологии с помощью ЭВМ. Совер­ шенствование этой технологии позволило изготовить пригод­ ные для создания СБИС МОП-транэисторы с каналами длиной 0,25 мкм, имеющие время переключения 20...30 пс [49]. Пу­ тем выбора профилей концентрации легирующих примесей устранено влияние "эффектов короткого канала, связанных со сквозным обеднением. Теоретические расчеты дают для МОПтранзисторов с длиной канала 0,25 мкм предельное время пере­ ключения 4 пс, что сравнимо с быстродействием приборов на ар­ сениде галлия и переходах Джозефсона. При наличии нагрузки время переключения таких МОП-транзисторов может составить 100... 200 пс.

Описываемые в [34] разработки субмикронной технологии ориентированы на использование оптической литографии (пре­ дельные возможности которой еще не исчерпаны) с применени­ ем ультрафиолетового источника излучения, заменой Фотолито­ графии без изменения масштаба непосредственным пошаговым репродуцированием с уменьшением масштаба, а также на ис­ пользование сухого травления (реактивного ионного травления для поликремния, двуокиси кремния, нитридных пленок и плаз­ менного травления для алюминия, кремния, резиста), замену поликремниевого затвора кремнием и ниобием и другие меры. Были экспериментально изготовлены МОП-транзисторы с мини­ мальной длиной канала 2...0,15 мкм. При этом достигнута высо­ кая однородность порогового напряжения вплоть до длины ка­ нала 0,25 мкм и отмечено быстрое снижение его с дальнейшим уменьшением длины канала.

Показана возможность уменьшения эффективной длины ка­ нала с использованием метода двойной диффузии [79, 93, 94, 124,150]. С помощью такой технологии изготавливаются У-МОП и Д-МОП приборы. Достоинством ее является то, что при относи­ тельно нежестких топологических проектных нормах (5... 6 мкм) обеспечиваются такие же высокие характеристики приборов,

'27

как и при длине канала 1 мкм в высококачественной техноло­ гии л-МОП БИС.

В V-МОП-приборах это достигается за счет вертикальной структуры V-МОП-транэистора и создания в области канала сложного примесного профиля, который уменьшает эффективную длину канала. Транзистор формируется в области верти­ кального углубления в кремниевой пластине, создаваемого пу­ тем анизотропного травления (рис. 9) [79]. V-обраэное углубле­ ние вытравливается на поверхности кремния и проходит через слои л+- и p-типа. Канал прибора образуется на боковых поверх­ ностях углубления. При этом исток создается под затвором и стоком, не занимая площади на поверхности кристалла; кроме того, он служит одновременно заземлением, вследствие чего не требуются специальные заземляющие межсоединения;

Структура V-МОП-прибора формируется на поверхности силь­ но легированной кремниевой пластины и+ -типа с помощью ряда последовательно проводимых технологических операций (рис. 10,*а-е): создание слояр-тйпа (толщиной менее 1 мкм) путем тчгффузии бора в поверхность п*-подложки; эпитаксиальное вы­ ращивание слоя я-типа; осаждение двуокиси кремния и нитрида кремния; удаление нитрида кремния на определенных участках и проведение на последних имплантации ионов бора, в результа­ те чего здесь создается слаболегированный р-спой; выращивание защитного окисла путем локального окисления; формирование стоковых п*-областей с помощью вскрытия окон методом фото­ литографии и имплантации ионов мышьяка; создание толстого окисла над диффузионными областями методом локального окисления; травление V-образных канавок, пересекающих спои и+- и p-типов; выращивание затворного окисла, осаждение полйкремния; травления контактных окон, создание металлизации [79]. Размеры V-образного углубления определяются только ши­ риной окна в окисле и кристаллографической структурой кремния.

На открытых боковых поверхностях углубления находится канал V-МОП-транзистора, длина которого представляет собой расстояние между истоком и стоком вдоль этой поверхности. Эффективная длина канала и пороговое напряжение транзистора определяются более высоким пороговым напряжением нижнего р-слоя. Область я-типа служит для уменьшения емкости стокисток, предотвращения сквозного обеднения транзистора и за­ щиты прибора от характерного для обычных и-МОП-транэисто- ров с коротким каналом снижения порогового напряжения под действием напряжения на стоке.

Величина И^ан МОП-транэистора,представляющая собой пери­ метр углубления в области p-слоя, превышает ширину канала

28

1>ис. 9. Форма V-МОП^гран-	С
знстора

Рис. 10. Последовательность изготовления V-МОП-транзнс- тора

5Юг

обычных ;?*МОП-приборов. Поэтому такие транзисторы имеют более высокое усиление, так как для транзисторов с короткими каналами, работающих в режиме насыщения скорости электро­ нов, коэффициент усиления

К — CQVh>

где С0 — удельная емкость затвора; V a —предельная скоройь электронов.

Достоинством описанных приборов являются отсутствие теп­ лового пробоя и эффектов „горячих” электронов, практически полное отсутствие потребления статической мощности по вхо­ ду. V-МОП-приборы, как и другие приборы МОП-типа, допуска­ ют дальнейшую миниатюризацию в целях улучшения их характе-

29

рнстнк. Так, при пропорциональном уменьшении всех парамет­ ров V-МОП-приборов в к раз потребляемая мощность уменьша­ ется в к2 раз, произведение мощность X быстродействие улуч­ шается в кг раз.

С помощью описанного технологического процесса можно из­ готавливать не только V-МОП-транэисторы, но и планарные «-ка­ нальные МОП-траиэисторы, резисторы и «-МОП-транзисторы, совмещенные с резисторами.

При такой технологии достигается высокая плотность упаков­ ки, благодаря чему она пригодна для создания запоминающих устройств очень высокой информационной емкости. Применение в V-МОП-структуре поликремниевого плавающего затвора поз­ воляет создавать на основе таких элементов программируемые ПЗУ, в которых программирование производится путем инжекции „ горячих” электронов из стоковой области канала через зат­ ворный окисел на плавающий затвор и соответствующего накопле­ ния эарща наэтом затворе до величины, обеспечивающей пребыва­ ние транзистора в закрытом состоянии [79].

Д-МОП-приборы имеют планарную конструкцию. Получение малой эффективной длины канала в них достигается за счет фор­ мирования методом самосовмешенной двойной диффузии обо­ гащенного МОП-прибора с каналом 1 мкм последовательно с обед­ ненным МОП-прибором, имеющим относительно длинный ка­ нал (порядка 5 мкм) [6, 93, 124, 150]. При создании Д-МОП- транзистора (рис. И) [6] происходит двойная диффузия приме­ сей р- и л-типа в одно и то же окно в окисле со стороны истока и одна диффузия примеси «-типа со стороны стока. За счет того, что в канале, кроме сильно легированной p-области, имеется сла­ бо легированная tr-область, глубина канала открытого прибора оказывается порядка 1 мкм и меньше. По этой технологии, как и при создании V-МОП-приборов, применяют ионное легироваmie, обеспечивающее требуемое распределение примесей, а также процесс селективной изоляции окислом, позволяющий повысить плотность упаковки и упростить изготовление структур.

По описанной технологии можно создавать приборы с высо­ кими характеристиками, ограничиваясь возможностями фотоли­ тографии [6]. При этом в Д-МОП БИС не наблюдаются паразит­ ные эффекты, свойственные МОП-транзисторам с короткими ка­ налами. Однако, по сравнешно с другими технологиями, обеспе­ чивающими уменьшение геометрических размеров элементов до субмикронного диапазона, она дает не очень большой экономи­ ческий выигрыш, поэтому широкое внедрение ее в настоящее время считается нецелесообразным.

Комплементарные МОП БИС (К/МОП БИС) - логические схемы, в состав которых входят р-и «-канальные транзисторы с

30