Локос процесс

Допустим, что мы имеем два близко расположенных n- канальных транзистора с общим затвором (рис. 4).

Рис. 4. Схема близко расположенных n-канальных транзисторов с общим затвором.

Направление проводимости активных транзисторов перпендикулярно поликремниевому затвору. Под затвором между соседними транзисторами возникает паразитный транзистор. Если его пороговое напряжение слишком низкое, то между близкорасположенными n⁺ областями может образоваться инверсионный слой, который соединит соседние активные транзисторы. Во избежание этого необходимо повысить пороговое напряжение паразитного транзистора. Для чего между активными транзисторами создается толстый слой окисла и/или увеличивается степень легирования подложки.

Диэлектрический слой формируется по технологии локального окисления кремния (ЛОКОС процесс). Данная технология имеет преимущества по сравнению с обычным способом выращивания толстого слоя двуокиси кремния над всей поверхностью подложки с последующим вскрытием окон для создания активных транзисторов: во-первых - рельеф поверхности более гладкий, т. к. часть изолирующего окисла располагается под поверхностью подложки, во-вторых - область, ограничивающая распространение канала, самосовмещается с активными областями транзисторов.

3 Этап.

Рис. 5. 3-ый этап формирования.

На данном этапе проводится ионная имплантация мышьяка для формирования канала нормально открытого транзистора. Использование мышьяка вместо фосфора обусловлено меньшей глубиной его проникновения в полупроводниковую подложку.

4 Этап.

Рис. 6. 4-ый этап формирования.

Проводится нанесение поликристаллического кремния с его последующим легированием мышьяком. Поликремний выполняет роль будущих затворов, предотвращает p-каналы от дальнейшей перекомпенсации акцепторной примеси мышьяком и служит материалом для последующего соединения стока и затвора нормально открытого транзистора. На этом этапе достигается самосовмещение стоков, истоков и затворов.

5 Этап.

Рис. 7. 5-ый этап формирования.

Заключительный этап формирования схемы. На нем осуществляются: - литография под металлизацию к стокам и истокам транзисторов;

- нанесение фосфорсиликатного стекла (ФСС), которое предотвращает диффузию ионов натрия, сглаживает рельеф поверхности, производит дополнительную активацию примеси;

- формируется пассивирующий диэлектрический слой (окисел или плазмохимический нитрид кремния).

Основы технологии производства кмоп сбис

Технология производства комплиментарных МОП структур заключается в формировании n- и p-канальных транзисторов на одном кристалле.

По сравнению с n-канальными МОП ИС КМОП схемы имеют ряд преимуществ. Они потребляют меньшую мощность, имеют большую помехоустойчивость и высокую нагрузочную способность по выходу.

К их недостаткам следует отнести несколько меньшую степень интеграции и большее время переключения, т. к. на каждый функциональный элемент приходится дополнительная площадь. Используются КМОП СБИС в основном в качестве цифровых логических элементов.

Рассмотрим основные технологические этапы производства КМОП СБИС на примере создания инвертора. Схема инвертора и его поперечное сечение приведены на рис. 8, 9.

Рис. 8. Электрическая схема инвертора.

Рис. 9. Поперечное сечение инвертора.

В подложке n-типа проводимости формируют p-канальный транзистор. Комплиментарный n-канальный транзистор формируют в p-области, которая создается на той же самой подложке. Область p-типа проводимости, выступающая в роли подложки n-канального транзистора, называется карманом. Затворы обоих транзисторов соединяются друг с другом и образуют вход инвертора. Соединенные стоки транзисторов являются выходом инвертора. Транзисторы имеют пороговые напряжения V_tn > 0 и V_tp < 0.

При отсутствии напряжения на входе V_i= 0 n-канальный транзистор закрыт (V_i << V_tn), а p - канальный транзистор открыт, т. к. его затвор находится под более отрицательным потенциалом, чем сток и подложка. Следовательно, при V_i=0 напряжение на выходе инвертора V0 равно напряжению питания V₀= V_dd. Увеличивая напряжение на входе инвертора, мы закрываем p-канальный транзистор (V_i - V_dd) > - |V_tp| и открываем n-канальный. Таким образом, при V_i > (V_dd - |V_tp|) напряжения на выходе инвертора и общей шине V_ss будут равны друг другу, что соответствует логическому нулю.

Обратите внимание, что в любом логическом состоянии один из транзисторов всегда закрыт и ток через инвертор не протекает, а, следовательно, потребляемая им мощность крайне незначительна.

Пример технологического процесса изготовления КМОП элемента 0.6µm

На первом этапе в пластине p-типа формируется окно n-типа (рис. 1). Далее проводится легирование подложки примесью p-типа (рис. 2) и окисление кремния для формирования подзатворного диэлектрика. Осаждается маска нитрида кремния (рис. 3), формируется полевая изоляция (рис. 4). Формируются оксидные области, удаляется маска Si₃N₄ (рис. 5). Формируются области поли-Si затворов (рис. 6)

Формируются области истоков/стоков для p-канальных и n-канальных транзисторов (рис.7-10). Формируются оксидные спейсеры (рис. 11). Формируются контакты к областям истоков/стоков (рис. 12). Осаждается межслойный диэлектрик, проводится планаризация (рис. 13). Формируется 1-ый уровень металлизации (рис. 14). Осаждается и планаризуется второй межслойный диэлектрик. (рис. 15).

Технология производства биполярных СБИС

Биполярные интегральные схемы в основном применяются в быстродействующих запоминающих устройствах и логических схемах, используемых в вычислительных системах. Рассмотрим основные технологические этапы производства биполярных ИС на примере создания n-p-n-транзистора.

1 этап

В качестве исходного материала используются слаболегированные подложки p-типа, ориентированные по плоскостям (100) или (111). На подложке формируются скрытый низкоомный слой n⁺ кремния, предназначенный для уменьшения сопротивления коллектора и, следовательно, уменьшающий рассеиваемую в нем мощность, и низкоомный n-слой эпитаксиального кремния, задающий достаточно высокое напряжение пробоя коллектор – база (рис. 10).

Рис. 10. Формирования скрытого n⁺ и эпитаксиального слоя кремния на подложке p-типа.

Для реализации этого проводят следующие технологические операции:

• окисление кремниевой подложки, используемой в качестве маскирующего слоя для диффузии скрытых слоев,

• вскрытие контактных окон,

• ионная имплантация мышьяка или сурьмы в контактные окна для формирования скрытого n-слоя,

• термический отжиг для разгонки легирующей примеси вглубь кремниевой подложки (отжиг проводят в окисляющей атмосфере). При этом вследствие разницы в скоростях окисления незащищенной поверхности скрытого слоя и окружающей его окисленной поверхности подложки по периметру скрытого слоя образуется ступенька, т. е. этот слой несколько заглублен по отношению к остальной поверхности. Ступенька используется в дальнейших технологических операциях в качестве метки совмещения),

• удаление окисла со всей поверхности подложки,

• нанесение эпитаксиального n-слоя кремния.

На 2 этапе производства ИС (рис. 11) на поверхности кремния формируют двухслойный диэлектрик, состоящий из двуокиси и нитрида кремния. Слой Si₃N₄ толщиной 100 нм является маской при последующем окислении кремния, а SiO₂ толщиной 50 нм служит для минимизации числа дефектов в кремнии (уменьшает величину механических напряжений и защищает поверхность полупроводника). Затем проводят фотолитографию для определения положения изолирующих областей транзистора.

Рис. 11. Формирование двухслойного диэлектрика и фотолитография.

На 3 этапе (рис. 12) поверхность, не защищенную фоторезистом, подвергают травлению, удаляя при этом двухслойный диэлектрик и частично - эпитаксиальный слой. На этом же этапе проводят ионную имплантацию бора в протравленные участки для формирования областей, ограничивающих распространение канала и по ЛОКОС технологии формируют слои изолирующего окисла. Увеличение уровня легирования p-подложки под изолирующим окислом предотвращает инверсию типа проводимости поверхности полупроводника и, следовательно, возможное установление электрической связи между скрытыми слоями соседних приборов.

Рис. 12. Травление диэлектрика, ионная имплантация бора.

4 этап. После удаления фоторезиста подложки подвергаются термическому окислению до тех пор, пока весь эпитаксиальный слой, не защищенный пленкой Si₃N₄, не прокислится (см. рис. 4). Затем слой нитрида кремния селективно удаляют с сохранением слоя двуокиси кремния.

Рис. 13. Удаление фоторезиста, термическое окисление, селективное удаление Si₃N₄, нанесение фоторезиста, ионная имплантация бора.

Далее на поверхность наносится фоторезист и осуществляется ионная имплантация бора для формирования области базы. Начиная с этого этапа, высокотемпературные или длительные отжиги не производят для избежания разгонки мелких p-n-переходов, необходимых при производстве СБИС, на большие глубины. Имплантация проводится через пленку окисла, поэтому процесс каналирования ионов примеси ослабевает и исчезает необходимость в проведении последующего после имплантационного отжига в окисляющей атмосфере.

5 этап производства - формирование контактных окон к областям эмиттера, коллектора и базы, которые могут быть вскрыты одновременно с помощью одного шаблона (рис. 14). В этом варианте формирования ИС разделение между эмиттерным и базовым контактами определяется заданным минимальным расстоянием между металлическими контактами, а не этапом совмещения, что определяет относительно малую площадь, занимаемую транзистором, и, следовательно, снижает сопротивление базы.

Рис. 14. 5-ый этап.

На 6 этапе (рис. 15) формируют эмиттер и высоколегированную область коллектора. Заметим, что подвергаемая ионной имплантации площадь эмиттера определяется размером вскрытого в окисле окна. Легирование осуществляется низкоэнергетичными ионами мышьяка для уменьшения глубины их проникновения в полупроводник.

Рис. 15. 6-ой этап.

После ионной имплантации примесь разгоняют на желаемую глубину в почти инертной атмосфере. Образующуюся при этом над контактными областями эмиттера и коллектора окисную пленку удаляют.

Далее на поверхность подложки наносят слой Si₃N₄, защищающий поверхность прибора от попадания подвижных ионов натрия. Для формирования контактов в нитриде кремния впоследствии вскрываются окна. Процесс вскрытия окон осуществляют с использованием еще одного процесса фотолитографии или с применением самосовмещения. В последнем варианте проводят электрохимическое травление нитрида кремния. В местах контакта с кремнием он путем анодирования превращается в двуокись кремния, стравливаемую впоследствии в плавиковой кислоте, а в местах контакта с SiO₂ остается неизменным.

На заключительном этапе (рис. 7) проводится металлизация и покрытие прибора слоем фосфорсиликатного стекла. В качестве контактного слоя при металлизации обычно используют PtSi, а верхний слой металлизации формируют из TiPtAu.

Рис. 16. 7-ой этап.