1.2.2. Описание подфрагментов на языке asp

Цель этого этапа – освоение текстового входа ГР, являющегося основным при разработке программ кремниевой компиляции топологии. При описании подфрагментов на языке ASP (см. [3]) обратите внимание на удобство использования оператора трассы для сокращения текстового описания. Корректность вашего текста будет проверена программой ASPSGD трансляции в SGD формат ГР. Готовность работы в интерактивной графической среде системы «Спектр» определяется по наличию текста подфрагментов, введенного в память ЭВМ типа РС и проверенного программой ASPSGD. Знание языкаASPВам потребуется второй раз при анализе распечатки топологии всего фрагмента на выходе системы «Спектр».

1.2.3. Работа в системе «Спектр»

Работу в системе интерактивного графического проектирования топологии «Спектр» целесообразно проводить бригадами по 2 человека в соответствии с иерархическим делением в табл. 1.1. В рамках одной бригады целесообразно для заданного числа затворов в ГР получить транзисторы двух типов для заданной ширины канала и соединить их в схему.

Работа с ГР начинается, когда получен SGD файл подфрагмен-тов. Образуйте пустой фрагмент всего транзистора при входе в ГР или с помощью команды FRAGMENT, а затем, используя курсорную команду P в режиме DRAW, матрицируйте подфрагменты для получения многозатворного транзистора и многочисленных контактов. Вам останется добавить лишь поликремниевую связку затвора и металлические связки истока и стока для получения готового фрагмента. Запомните результат, используя команду SAVE и введя уникальное имя SGD файла, отличное от исходного.

Далее вы можете перейти к выполнению смежного задания, изменив ширину канала транзистора. Обратите внимание, что эта работа начинается с редактирования топологии элементарного транзистора после входа в него по команде FRAGMENT, для чего используются курсорные команды редактирования геометрических фигур. После этого следует вернуться в основной фрагмент и откорректировать число контактов и местоположение правой металлической связки. Транзистор другого типа получается также путем коррекции элементарного транзистора для фрагмента с заданной ширины канала.

2. Кмор-технологический процесс

В настоящем разделе описан конкретный технологический процесс производства КМОП БИС на том уровне, который необходим схемотехнику для четкого представления о конструкции и множестве возможных топологических конфигураций. С описанием отдельных технологических операций можно ознакомиться в учебнике [1, гл. 6], а более детально – в [3].

Технологический процесс производства КМОП-схем, включающий 14 циклов фотолитографии, показан на рис. 2.1. Номера фотошаблонов (ФШ) указаны в верхнем левом углу соответствующей иллюстрации. Диаграммы представляют разрез А-А топологии инвертора, изображенной на рис. 2.2.

Технология имеет следующие основные особенности, совокупность которых позволяет надежно получать 2-микронные размеры на кристалле.

1. Проекционная фотолитография позволяет повысить точность перенесения рисунка с ФШ на пластину.

2. Плазмохимическое сухое травление дает практически вертикальный профиль стенок с минимальным боковым подтравом в отличие от метода травления в растворах.

3. Метод локального оксидирования получил в настоящее время широкое распространение из-за следующих существенных преимуществ:

- повышается плотность размещения компонентов на кристалле, так как локос может иметь малую ширину, а высоколегированный противоинверсионный слой под ним выполняет функцию охранных колец, ограничивающих распространение канала. Кроме того, локос используется в качестве дополнительной маски самосовмещения в процессах формирования активных n⁺⁺-,p⁺⁺-областей;

- большая толщина локоса существенно уменьшает паразитные емкости шина‑подложка;

- локос имеет довольно гладкий рельеф поверхности, так как он наполовину заглублен в кремниевую подложку.

4. Все процессы легирования выполняются методом ионной имплантации, который обеспечивает не достижимую при диффузии точность дозировки изотопно чистой примеси и позволяет формировать более вертикальные области p-n-переходов с минимальным боковым перераспределением примеси.

Рассмотрим более подробно этапы технологического процесса с автоматическим формированием охранных колец. Для правильного восприятия иллюстраций (рис. 2.1, 2.2) необходимо иметь в виду, что масштаб изображения по вертикали примерно в 5 раз больше масштаба по горизонтали.

л-

1. Карман

а

2. Защита

Рис. 2.1. КМОП-технологический процесс о автоматическим формированием n⁺- и p⁺-охранных колец

3. Охрана

4. Локос

Рис. 2.1. Продолжение.

5. Подложки n-транзисторов

Рис. 2.1. Продолжение

9. Контакты

10. Металл нижний

Рис. 2.1. Окончание

Рис. 2.2. Конструкция КМОП-инвертора с автоматически сформированными охранными n⁺-иp⁺-кольцами:

а - топологический чертеж S_кр=5315=795 мкм²;

б - фронтальный разрез.

В простейшем случае карман и два кольца могут быть сформированы с помощью 3 фотошаблонов с использованием обычной техники промежуточного выращивания локального SiO₂, выступающего совместно с фоторезистом в роли маски при легировании охранных колец. На рис. 2.1 показан способ формирования кармана и двух колец с помощью двух фотошаблонов.

1. На пластине низколегированного кремния (концентрация примеси порядка 10¹⁵ат/см³) формируются последовательно слои термически выращенного оксидаSiO₂, на который осаждаются тонкий слойSi₃N₄и более толстый слой оксидаSiO₂. Первый фотошаблон используется для гравировки окон в осажденных слояхSiO₂,Si₃N₄в соответствии с конфигурацией карманов; окна легируются примесьюnтипаР(рис. 2.1,а). Далее фоторезист снимается и производится отжиг пластины в окислительной среде для образования локального оксида и предварительной разгонки примеси карманов.

2. Второй фотошаблон формирует маску, открывающую области n⁺-колец с зазором порядка 3 мкм, причем закрытыми являются карманы с небольшим сужением порядка 0.4 мкм и вся остальная область пластины. Далее плазмохимическим методом вытравливаются окна в осажденных слояхSiO₂, а затем производится жидкое травлениеSiO₂ в боковых направлениях. В результате образуется ступенька междуSiO₂ и фоторезистом.Делается плазмохимическое травлениеSi₃N₄. Поскольку ионы движутся в вертикальном направлении, то конфигурация ступеньки копируется наSiO₂ –Si₃N₄. В образовавшееся окно внедряются ионы фосфораP(рис. 2.1.б).

Следующий этап связан с формированием p⁺-охранного кольца. После снятия фоторезиста пластина отжигается в окислительной среде, в результате чего разгоняется примесь в карманеn⁺-кольца и вырастает локальный защитный оксид, закрывающий области карманов иn⁺-колец. После этого стравливаются ступенькиSi₃N₄, тем самым на пластине открываются кольца между осажденнымSiO₂и локальнымSiO₂. Эти кольца легируются боромB(рис. 2.1.в).

На следующем этапе производится отжиг в окислительной среде с разгонкой кармана и обоих колец, после чего выполняется ионное легирование боромBдля формирования второгоp‑кармана, наличие которого упрощает воспроизведение характеристикn-транзисторов. Вообще говоря, второй карман может и отсутствовать, а порогn-транзисторов может регулироваться путем легирования подзатворных областей их подложек (рис. 2.1.г).

На последнем этапе (рис. 2.1.д) производится отжиг пластины с окончательной разгонкой карманов и охранных колец.

3. После разгонки карманов образовавшийся оксид стравливают, и вся пластина покрывается тонким слоем нитрида кремния Si₃N₄по термически выращенномуSiO₂ cпоследующим осаждениемSiO₂. Следующие два цикла фотолитографии связаны с гравировкойSi₃N₄в соответствии с областями локоса. На первом циклеSi₃N₄стравливается междуn-транзисторами, исключая области карманов и контактов к подложке. Маской является фоторезист. Дополнительным боковым травлением получают ступенькуSi₃N₄– SiO₂. Эти пассивные области легируются ионами бора с очень высокой концентрацией, в результате чего образуется противоинверсионныйp⁺-слой, ограничивающий распространениеn-канала (под шиной поликремния).

4. На следующем цикле фотолитографии формируется окончательный рисунок защитного слоя Si₃N₄, для чего закрываются все активные области транзисторов и соединительныхp⁺⁺-шин, включая области контактов, а также области, инверсные карману. После гравировкиSi₃N₄пластина подвергается облучению ионами фосфораPс высокой концентрацией, однако существенно меньшей, чем концентрация в противоинверсионномp⁺-слое. В результате образуется противоинверсионныйn⁺-слой в пассивных областях, окружающихp‑транзисторы, при сохранении противоинверсионногоp⁺-слоя в пассивных областях, окружающихn-транзисторы.

Далее фоторезист снимается и производится высокотемпературное выращивание локального оксида, в котором Si₃N₄маскирует проникновение окислительной среды. В результате толстый оксид (около 1 мкм) вырастает только в местах, свободных отSi₃N₄, а под оксидом происходит одновременный отжиг внедренной примесиn⁺- иp⁺-слоев (для активации внедренной примеси необходимо высокотемпературное воздействие, позволяющее внедренным атомам занять свои места в кристаллической структуре). После этого фоторезист снимают, стравливаютSi₃N₄и производят легированиеp‑кольца вокругn‑транзисторов.

Последующая термическая обработка в окислительной среде (без фоторезиста) приводит к образованию дополнительного локального оксида несколько меньшей толщины (около 0.15–0.2 мкм) над p‑кольцом, разделяющим два слоя о высокой концентрацией легирующей примеси: противоинверсионныйp⁺‑слой и будущуюn⁺⁺‑область истоков/стоковn‑транзисторов. Кольцо предотвращает пробой между ними и одновременно снижает емкостиn⁺⁺‑областей на подложку. После этого слойSi₃N₄, снимается.

5. На пятом цикле фотолитографии гравируются окна в фоторезисте в областях подложек n‑транзисторов. Окна делаются только непосредственно в подзатворных областях и легируются ионамиBс низкой концентрацией, соответствующей заданному уровню порогового напряженияn‑транзисторов с индуцированным каналом. Без такого легирования образуется встроенный канал из-за наличия в оксиде положительно заряженных ионов.

Пластина очищается от фоторезиста и загрязненного тонкого оксида, вместо которого выращивается тонкий (толщина 0.033 мкм) подзатворный оксид. На поверхность всей пластины осаждается поликремний, который с целью уменьшения сопротивления легируется фосфором с очень высокой концентрацией, соответствующей поверхностному сопротивлению порядка 25 Ом на квадрат.

6. Шестой цикл фотолитографии связан с гравировкой затворов и соединительных поликремниевых шин. После снятия фоторезиста пластина оксидируется, в результате чего весь поликремний покрывается тонкой пленкой защитного оксида.

7. Далее вскрываются окна в фоторезисте над n‑транзисторами и контактами к карманам и проводится имплантация ионов мышьякаAsочень высокой концентрации для созданияn⁺⁺‑областей истоков/стоков транзисторов и соединительных шин. Поскольку поликремний является также маской, то истоки/стоки автоматически совмещаются со структурой затвора с минимальными паразитными перекрытиями. Дополнительной маской является также толстый слой локоса, который, препятствуя проникновению под него примеси, обеспечивает автоматическое самосовмещение новогоn⁺⁺‑слоя с ранее созданными слоями.

8. Далее вскрываются окна в фоторезисте над p‑транзисторами и контактами к подложке проводится имплантация ионов очень высокой концентрации для созданияp⁺⁺‑областей истоков/стоков транзисторов и соединительных шин. Концентрация эта, однако, меньше, чем в поликремнии, потому весь поликремний остаетсяn⁺⁺‑типа, что позволяет использовать его в качестве дополнительного слоя межсоединений. Аналогично, дополнительными масками являются поликремний и локос.

На этом формирование транзисторных структур завершается. Дальнейшие этапы технологического процесса связаны с соединительной металлизацией.

9. На пластину осаждается толстый (толщина 1 мкм) слой SiO₂, который является уже вторым слоем диэлектрика, дополнительным к полученному при термическом оксидировании всей пластины после гравировки поликремния. Двойной диэлектрик значительно снижает вероятность коротких замыканий нижнего металла на области кремния/поликремния. Толщина межслойного оксида достигает, таким образом, 1–1.2 мкм, а вместе с локосом в пассивных областях – 1.8–2.0 мкм. На девятом цикле фотолитографии гравируются окна в осажденном оксиде под контакт нижнего металла с областямиn⁺⁺‑,p⁺⁺‑кремния.

10. Далее на пластину напыляется пленка алюминия Al, в которой гравируются металлические соединительные шины нижнего слоя.

11. На пластину осаждается толстый слой фосфорсиликатного стекла (толщина 0.8 мкм), служащего диэлектриком между нижним и верхним слоями металлических межсоединений. Одиннадцатый цикл фотолитографии связан с гравировкой окон под контакт нижнего и верхнего металлов.

В некоторых случаях используются два слоя диэлектрика, а для травления контактных окон, соответственно, два ФШ и два цикла фотолитографии. В первом цикле травятся окна в первом слое диэлектрика до нижнего металла, далее осаждается дополнительный слой ФСС и во втором цикле окна травятся в тех же местах на всю глубину второго слоя ФСС. Это существенно уменьшает вероятность коротких замыканий между металлами MNиMB, возникающих вследствие дефектов ФШ, поскольку образование незапланированных светлых окон (проколов) в одном и том же месте двух ФШ практически исключено. Обычно в первом из этих ФШ области окон делаются несколько большего размера. Тогда травление реальных окон во втором цикле производится в оксиде существенно меньшей толщины. Это, в свою очередь, позволяет повысить точность травления, сгладить рельеф окна и уменьшить допуски на перекрытие контактных окон контактирующими слоями. Данная особенность никак не отображается на топологическом чертеже, поскольку большие контактные окна могут образовываться автоматически средствами САПР из малых путем раздвижки их контуров на определенную величину (положительное упреждение).

12. На пластину напыляётся пленка Al, в которой гравируются металлические соединения верхнего слоя. В областях межслойных контактов, сформированных на 11‑м этапе, образуется контакт междуMNиMB.

13. Далее на пластину осаждается толстый слой ФСС, в котором гравируются окна контактных площадок под приварку внешних выводов кристалла (на рис. 2.1 не показаны). ФСС предохраняет внутренние компоненты кристалла от загрязнения, механической порчи и короткого замыкания.