книги / Методы повышения параметров БИС
..pdfРис. 11. Д-МОП-структура |
И |
3 |
с |
|
|
or 1 |
НО, |
|
р |
п+ у |
|
|
4 |
|
|
Рис. 12. Структура К/МОП-транзис- |
|
iltlKM |
|
n-Si |
|
|
|
тора с изолирующим «-карманом |
|
|
|
|
|
|
5iOz |
индуцированным каналом, сформированные на обшей подпож— по стандартной МОП-технологии с металлическими и кремниевы ми затворами (рис. 12). Достоинство К/МОП-схем —очень малое потребление мощности в статическом режиме, что и определяет основную область их применения —создание сист.ем памяти и микропроцессоров. Это свойство непосредственно вытекает из принципа построения таких схем. Поскольку во включенном состоянии находится лишь один из входящих в состав К/МОПэлемента транзистор (р- или л-канальный), то протекающий через него статический ток определяется лишь током утечки этого транзистора и составляет весьма малую величину (порядка нес кольких наноампер). В режиме переключения в силу того, что транзисторы не открываются полностью, ток также невысок (несколько микроампер), а следовательно, невысока потребляе мая мощность (например, 1 мкВт при частоте переключения ме нее 1 кГц) [150]. В случае повышения быстродействия увеличи вается рассеяние мощности, связанное с влиянием емкостей схемы, однако при переходе в режим хранения информации мощность снижается до нескольких микроватт [94].
Достоинствами К/МОП-схем являются также высокая поме хоустойчивость; устойчивость К/МОП ЗУПВ к сбоям под дейст вием а-частиц; широкий диапазон допустимых напряжений пи тания (3...15 В), что позволяет использовать нестабилизированны.е_ источники [94, 95, 150]. Быстродействие и плотность упаковки К/МОП БИС ниже, чем у других МОП-структур, в си лу введения дополнительного транзистора' (или дополнительной изолирующей области) в каждый элемент, однако, как будет по казано шоке, совершенствование К/МОП-технологии позволяет повысить эти параметры.
31
1'ис. 13. Огруктура К/МОП транзистора на сапфировой подложке
В основе базовых технологических процессов изготовления К/МОП БИС лежит создание карманов в кремнии с помощью локальной диффузии и эпитаксии, а также технологии „крем- ний-на-сапфире”.
Технология К/МОП БИС развивается в направлении улучше ния быстродействия и плотности упаковки с сохранением мало го потребления мощности. Так, в обычных К/МОП-схемах на мо нолитных кремниевых подложках уменьшены паразитные схемные емкости и сопротивления путем постепенного совер шенствования технологических процессов, разработки новых texmqecKHx решений, повышения точности расчета характерис тик БИС. Пропорциональное уменьшение геометрических разме ров К/МОП БИС (по аналогии с высококачественной техноло гией л-канальных МОП БИС) обеспечивает пропорциональное улучшение характеристик [14,85].
Одним из перспективных способов уменьшения схемных ем костей, а следовательно, повышения быстродействия, является использование технологии К/МОП БИС на сапфировых подлож ках. В этой технологии создается структура „кремний-на-сапфи- ре” (КНС) путем эпитаксиального выращивания на отполирован ной сапфировой подложке (толщиной 200-300 мкм) тонкого слоя (1...3 мкм) монокристаллнчёского кремния, поверхность которого окисляется. В двуокиси кремния методом литографии создаются окна, через которые травлением формируются изоли рованные друг от друга и затем окисляемые островки кремния, где создаются К/МОП-транзисторные структуры, (с помощью обычной планарной технологии) (рис. 13) [14]. Достоинства та кой технологии обеспечиваются высокими изолирующими свойствами подложки. Поскольку транзисторы создаются в тон ком слое кремния, паразитные.емкости оказываются чрезвычайно малыми (емкость сток-исток уменьшается примерно в 25_разпо сравнению со случаем монолитного кремния, емкость металли зации и взаимная емкость диффузионных переходов вообще устраняются) и быстродействие повышается в 5 -10 раз. Воз можность изготовления на диэлектрической подложке р- и п- канальных приборов способствует повышению быстродействия и снижению рассеиваемой мощности [164].
32
K/MOli-схемы на сапфировых подложках потребляют неболь шую мощность, в том числе и на высоких частотах —порядка 100 мкВт/вентиль (что в 10 раз меньше, чем обычно у «-МОП- приборов), имеют одну из лучших величш! произведения быстро действие X мощность (0,1 пДж); в два-три раза большие быстро действие и плотность упаковки (по сравнению с К/МОП-схемами на монолитных кремниевых подложках) [94].
Значительными преимуществами рассматриваемой техноло гии являются: обеспечение высокого выхода годных за счет от сутствия деформации сапфира, имеющего по сравнению с крем нием более высокую температуру плавления при высокотемпе ратурной обработке; возможность исправления брака подложек путем вторичной обработки; использование меньшего количест ва технологических операций [164]. Дополнительные преимуще ства дает использование вместо сапфира материалов типа шпине ли, близких по кристаллической структуре к кремнию.
Применение метода миниатюризации к этим схемам, как и в рассмотренных выше случаях, приводит к улучшению их ха рактеристик.
К недостаткам К/МОИ-структур на сапфире относят проявив шееся на практике взаимодействие кремния с сапфиром, приво дящее к снижению реально достижимого быстродействия по сравнению с теоретическим (всего лишь 42—55 % теоретического предела соответственно для п- й р-канальных схем с очень ко роткими каналами —0,5 мкм) [164,178].
К/МОП-схемы как на монолитных кремниевых подложках, так и на сапфире могут быть использованы при создании СБИС. Диализ способов развития К/МОП-технологии показывает, что здесь с успехом могут быть использованы достижения высоко качественной технологии л-канальцых МОП-схем и для усовер шенствования технологических процессов (например, высоко разрешающей литографии, плазменного травления), и для разра ботки структур приборов (например на основе применения са- ■мосовмещенного металлического, молибденового, затвора, вер тикальной интеграции) [85,150].
Достоинства рассмотренных технологий в определенной мере могут сочетаться в комбинированной технологии. • Например, формируя На одном кристалле К/МОП-элементы и биполяр ные элементы, создают ИС, совмещающие цифровые и аналого вые функции [53].
Близкими к МОП-транзисторам по принципу работы, цр име ющими структуру металл-полупроводник, являются транзисто ры типа М1ШТ (металл-полупроводник —полевые транзисторы) (рис. 14) [93, 104, 150]. В таких транзисторах областью.проте-
33
|
И |
3 |
|
|
с |
Рис. 14. Структура униполярного транзис |
|
|
|
тора с управляющим р-п переходом |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Г v'l |
|
|
|
|
Ж"- * |
|
* Ж/Л' |
|
W P , |
|
|||
( I |
| |
|
|
|||
г |
} |
1 |
кания рабочего тока является объем |
|||
1 |
|
|
1 |
|||
1 v r - |
-л __А.м |
ный канал, отделенный от затвора |
||||
1 |
tf1 |
|
\11 |
|||
V., |
|
I. |
ШР[ |
|
.J |
|
|
|
1 |
|
/ |
обедненным слоем, создаваемым об |
ратно смешенным р-п переходом. Поскольку в МППТ области истока, стока и канала имеют проводимость
одного типа, устраняется возможность их смыкания, и предель ная длина канала может быть весьма малой (50... 100 нм). Одна ко ограничением здесь является возможность пробоя полупро водника, так как при уменьшении длины канала необходимо уменьшать его толщину dKm, чтобы поде затвора оставалось достаточным для управления потенциальным барьером у истока в силу выполнения соотношения
<*кан ~ dn (1 - ),
где dn - толщина полупроводника до затвора; С/Ь —напряжение отсечки. _ Быстродействие МППТ характеризуется средней постоянной
времени крутизны
т5 ~ 2 L кан/ (М Ц) )
иможет быть близко к быстродействию М011-транзисторов. Одна ко,поскольку в настоящее время длина канала МППТ больше, чем
уМОП-транзисто{$ов,они уступаютпоследним по быстродействию, атакжепо величине входного сопротивления. При достижении пре дельно малых'размеров и использовании GaAs или InP МППТ мо гут оказаться одними из наиболее быстродействующих приборов.
1.3.ПЗС-СТРУКТУРЫ
Технология МОП-структур, в частности БИС на основе тран зисторов с изолированными затворами, применяется в.производстве микроэлектронных приборов с переносом заряда (ППЗ). Эти приборы, как правило, представляют собой регулярную систему соединенных между собой структур металл-диэлект рик (обычно окисел)' - полупроводник 1и обладают способ ностью хранить и направленно передавать информацию за счет создания и перемещения вдоль полупроводниковой подложки
34
Рис. 15. Структура ПЗС |
Ьходной |
пакета зарядов. Разработаны |
сигнал Электроды переноса |
|
|
разновидности ППЗ —приборы |
|
с зарядовой связью (ПЗС), од- |
П р • Г |
ним из вариантов которых яв- |
1 |
ляются поверхпостно-зарядо- |
| Р'51 |
вые транзисторы, и ,пожарные” |
|
цепочки.
ПЗС по структуре является линейной цепочкой или матрицей
,МОП-конденсаторов, сформированных на основе единой полу проводниковой подложки с общим диэлектрическим слоем (рис. 15) [121, 130, 140, 144,170]. Существует несколько конст руктивных модификаций ПЗС: с поверхностным каналом пере носа заряда неосновных носителей; с объемным каналом (скры тым, расположенным в объеме полупроводника); с переносом заряда основных носителей и их разновидности. Для первых двух типов в качестве подложки применяется кремний, равно мерно легированный или имеющий отдельные диффузионные
либо имплаширрвшшые области в каждой МОП-ячейке; для ПЗС третьего типа —полуизолирующий материал.
В ПЗС с поверхностным каналом переноса ширина последнего ограничивается областями стоп-диффузии (или стоп-импланта ций), участками слоя большой толщины либо полевым электро дом (рис. 16) [144].
При подаче на какой-либо электрод напряжения соответству ющей полярности основные носители в полупроводниковой под ложке, отталкиваясь от электрода, уходят в глубь проводника. В результате этого в расположенном под данным электродом по верхностном слое полупроводника, прилегающем к диэлектрику, образуется спой, обедненный.оснрвиыми носителями, т. е. потенци-
а |
б |
в |
Рис. 16. Способы ограничения канала переноса заряда: |
|
|
а — областями стоп-диффузии; |
б —толстым слоем окисла и областью |
стоп-имплантации небольшой концентрации; в - полевым металлическим
или полйкрёмниевым электродом; — электрод переноса; 2 - область стоп-диффузии; 3 —сигнальный заряд; 4 —толстый слой окисла; 5 —об ласть стоп-имплантации небольшой концентрации: 6 —обедненный слой; 7 - полевой электрод; 8 —двуокись кремния; 9 — подложка из р-крем-
35
альная яма для неосновных носителей. Накапливающиеся со вре менем в потенциальной яме неосновные носители, образующиеся за счет термогенерации или управляемой инжекции, создают уз кий поверхностный инверсионный слой (толщиной порядка 10 нм), или так называемый заряцовый пакет, величина которо го соответствует сигналу инжекции. Из*за близости соседних электродов друг к другу потенциальные ямы под ними перекры ваются и обеспечивается возможность перемещения зарядовых пакетов из одной потенциальной ямы в другую, более глубокую. Прикладывая к соседним электродам необходимое напряжение или направляя на ПЗС поток света, можно осуществлять направ ленный сдвиг потенциальных ям вдоль прибора и получать на выходе соответствующий сигнал.
Для ПЗС с поверхностным каналом характерно ограничение быстродействия и эффективности переноса зарядов, вызванное захватом неосновных носителей заряда поверхностными состоя ниями и недостаточно высокой подвижностью носителей в при поверхностном слое полупроводника. Эти характеристики улуч шены в ПЗС с объемным каналом (рис. 17) вследствие меньшей 11лотности ловушек заряда и большей скорости движения заря дов в объеме полупроводника [121,130,144]. В таких приборах эпитаксией или ионной диффузией в кремнии создается тонкий канальный слой (например, глубиной в несколько микрон), имеющий по отношению к подложке на порядок более высокий уровень легирования и противоположный тип проводимости. По тенциальные ямы образуются внутри этого слоя, т. е. канал пере носа зарядов удален от поверхности.
Описанным ПЗС свойственны, однако, некоторые недостатки, например усложнение технологии изготовления, повышение темновых токов.
В ПЗС на основных носителях (одной из разновидностей кото рых являются'ПЗС собъемным каналом) в общем случае канал пе реноса зарядов создается вблизи границы раздела подложки, пред ставляющей собой тонкий слой полуиэолирующего материала и нанесенного на нее диэлектрика. Вповерхностно-зарядовом тран зисторе, имеющемтри электрода: исток, передающий затвор и при емник, управление процессом переноса заряда осуществляется Путем изменения потенциала передающего затвора, что способст вует повышению скорости передачизаряда и точности регулиров ки количества передаваемого заряда, а также обеспечивает воз можность распространения заряда в обоих направлениях И40].
Одной из важных конструктивно-технологических задач при разработке ПЗС является создание соответствующей электрод ной структуры, выбор которой из возможного многообразия оп ределяется необходимостью получения устройства заданного ти
36
па (например, запоминающих устройств, приемников изображу ния) с требуемыми характеристиками. Электродные структуры в ПЗС различаются количеством проводящих слоев. В большин стве современных ПЗС электроды содержат, один-три слоя по* ликристаллического кремния и по крайней мере один слой ме талла для обеспечения высокой проводимости шин и получения контактных площадок [121,144].
Поверхностные ПЗС с равномерно легированной подложкой изготавливаются с равномерным (см. рис. 16) или ступенчатым диэлектриком. Электродные структуры ПЗС с равномерным слоем диэлектрика первоначально представляли собой наборы металлических электродов, вытравленных из одного слоя ме талла, с зазорами между ними шириной не более нескольких микрометров (чтобы между потенциальными ямами не создава лись дополнительные потенциальные барьеры). При изготовлении таких электродов весьма эффективен метод обратной фотолито графии (см. п. 2.2). Поскольку профиль потенциала в зазорах мо жет изменяться с величиной электростатического заряда на внеш ней стороне окисла, то для стабилизации величины этого заряда было предложено покрыть электродную структуру защитным ре зистивным слоем (например, сформировать ее в виде селективно легированных областей в сплошном слое высокоомного поликремния) [144]. Возможны и другие способы зашиты канала, нап ример изготовлением структуры с перекрывающимися электрода ми из поликремния или нескольких слоев металла, разделенных высококачественным малопористым диэлектриком.
Направленность распространения зарядового пакета в ПЗС с равномерным слоем диэлектрика обеспечивается тем, что для каждой ячейки формируются несколько, например два-четыре,
. электродов, на которые подаются управляющие импульсы с опре деленным фазовым сдвигом. Для удвоения плотности упаков ки, например в четырехфазных ПЗС ЗУ, область хранения и об ласть передачи зарядового пакета размешают под одним и тем же участком поликремниевого затвора, однако это требует бо лее сложной технологии изготовления.
При использовании в ПЗС ступенчатого диэлектрика облег чается обеспечение направленности перемещения зарядов за счет получения соответствующего вида асимметричных по тенциальных ям, однако технология усложняется. Для нанесе ния электродов в этом случае могут быть применены такие тех нологические приемы, как косое напыление металла на крутые боковые стенки ступенек окисла, напыление металла через маску, слегка выступающую за края толстого участка окисла, и другие [121,130,144]. Автоматическое обеспечение однонаправ ленности движения зарядов достигается и в конструкциях ИЗО с имплантированными областями (под электродами), создающими
37
|
Электроды переноса |
|
Электроды переноса |
* J |
* * * ** * * |
—S ty |
jtm m jz z iz ra v m m vtm m vnbm , SiО, |
|
n-Si |
|
|
p-SL |
|
p -S i |
|
Рис. |
17. Структура ПЗС с объем- |
Рис. 18. Структура типа „пожар |
|
ным каналом |
|
нал цепочка” |
более высокий потенциальный барьер, чем в случае со ступенча тым диэлектриком.
Широкое распространение для создания поверхностно-зарядо вых транзисторов получили ПЗС с равномерно легированной подложкой и скрытыми электродами [121].
Для ввода сигнального заряда (в случае электрического сиг нала) и считывания зарядового пакета в ПЗС создаются соответ ственно входной и выходной электроды. Неразрушающее много кратное считывание осуществляется за счет использования на выходе ПЗС плавающего затвора, расположенного над каналом переноса. Считывание осуществляется по электростатическому изображению на этом затворе.
,Дожарные” цепочки - система дискретных элементов, сос тоящих из отдельных МОП-коиденсаторов й переключателей, например, на основе биполярных транзисторов, МОП-структур (рис. 18) . Для улучшения Их характеристик (уменьшения обрат ной связи, повышения быстродействия, стабильности и других) применяют различные специальные конструкции, например с диффузионной областью под каждым затвором, расположенной асимметрично по отношению к нему и являющейся стоком для одного элемента и истоком для соседнего; с использованием в качестве ключей полевых транзисторов с р-п переходом или барьером Шоттки.
В настоящее время уровень технологии ППЗ соответствует достижениям технологии получения МОП БИС, поскольку обе они имеют одинаковую базовую технологию и практически оди наковую сложность. Однако характеристики ППЗ более чувстви тельны к ряду трудно контролируемых параметров, в том числе к плотности состояний на границе раздела и темновому току, которые зависят от времени, температуры и электрического по* ля [121, 130,144,153]. Специфическими при создании приборов на основе ППЗ являются вопросы, связанные, например, с иеоб*
38
Рис. 19. Распределение поверхност оо ного потенциала для структуры с различной длиной зазора:
1 - 1 — 1 мкм; 2 - 1 = 2 мкм; 3 - I = 4 мкм; 4 - 1 = 6 мкм
ходимостью уменьшения ограничений, вызванных током утечки, с деградацией сигнала при его распространении вдоль прибора. Как и в обычной МОП-технологии, для изготовления приборов с переносом заряда эффективно применение методов прецизион ной литографии.
Многие физические величины, описывающие происходящие в ППЗ процессы, и параметры прибора зависят от его геометричес ких размеров [93,121,144]. Так, в случае ПЗС с поверхностным каналом из формул для времен тепловой диффузии ГДИф и дрейфа ГДр, характеризующих процесс переноса заряда, следует возможность повышения скорости передачи сигнала путем умень шения длины электрода Ьэп :
^диф ~ |
nlD\ |
(7) |
(др ~ |
эл/М> |
(8) |
где д —поверхностная подвижность; D —поверхностный коэф фициент диффузии.
Уменьшение длины зазоров между электродами / также способ ствует улучшению условий переноса заряда, которому при боль ших i препятствуют возникающие в зазорах потенциальные барьеры (рис. 19) [121]. Увеличение глубины канала приводит к ухудшению такого параметра, как управляющая способность (максимальный заряд, которым можно управлять в ППЗ).
Предельные значения показателей качества ППЗ —рассеивае мая мощность; быстродействие; отношение сигнал/шум; управ ляющая способность; неэффективность переноса зарядового па кета, характеризующей его потери при распространении вдоль прибора; фоточувствительности и других —связаны с рядом фи зических ограничений, свойственных происходящим в ППЗ про цессам. Наряду с ограничениями литографического процесса (минимальным разрешаемым размером />Мин> величиной несовмещения А), они приводят к ограничению наименьших размеров
39
ячеек ППЗ. При уменьшении линейных размеров ПЗС для нор мальной работы прибора необходимо изменять и другие пара метры (напряжение, уровень легирования), чтобы обеспечить пропорциональное уменьшение краевых эффектов, ширины обедненных областей и т. д.
1.4. ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
Применение полупроводниковых соединений типа AIIIBV, в частности арсенида галлия GaAs, для создания сверхскоростных БИС и СБИС открывает большие перспективы в отношении по вышения степени их интеграции, радиационной стойкости, рабо чей температуры и снижения потребляемой мощности.
Как показано выше, для получения очень высоких значений скорости переключения ИС необходимы большая подвижность дл электронов в полупроводниковом материале и предельно малые рабочие области пролета носителей (толщина базы, дли на канала).
В схемах на арсениде галлия достигаются чрезвычайно низкие значения времени задержки распространения сигнала и произве дения потребляемой мощности на задержку, поскольку подвиж ность электронов в арсениде галлия почти на порядок выше чем в кремнии (при примерно равных подвижностях дырок), а высо кое удельное сопротивление (107.. .10е Ом • см), обусловленное большой шириной запрещенной зоны, обеспечивает значительное уменьшение паразитных емкостей интегральных схем. Возмож ность создания на основе GaAs полуизолирующих подложек приводит также к упрощению технологии создания изоляции.
Специфика и трудности технологии изготовления арсенид-гал- лиевых ИС обусловлены особенностями этого материала. Так, затруднения операций термообработки вследствие молекуляр ной неустойчивости GaAs (Как химического соединения) и нали чие большого числа структурных дефектов в нем препятствуют нрпользоваиию процесса диффузии и обусловливают применение эпитаксии. Нестабильность системы арсешщ галлия —собствен ный окисел приводит к целесообразности создания на арсениде галлия не МОП-структур, а полевых транзисторов с барьером Шотткн в затворе.
Развитие технологии получения арсенид-галлиевых ИС связа но с развитием методов литографии, ионного легирования, мо лекулярно-лучевой эпитаксии и химического осаждения из паро вой фазы металлоорганических соединений [9,68]. С целью дос тижения сверхнизких значений времени задержки распростране ния сигнала и работы переключения исследованы разнообразные структуры на основе GaAs.
40