Технологический процесс изготовления КМОП ИС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Воронежский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Процессы микро - и нанотехнологии

Тема Технологический процесс изготовления КМОП ИС

Расчетно-пояснительная записка

Разработала студентка                                                                       Кайгородова Е.К.

Руководитель доцент, к.т.н.                                                       Пантелеев В.И.                                                                                                                                              

Защищена___________________Оценка ________________________________

2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Воронежский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

по дисциплине Процессы микро - и нанотехнологий

Тема работы Технологический процесс изготовления КМОП ИС

Студентка группы МТЭ-081 Кайгородова Елена Константиновна

Содержание и объем работы (графические работы, расчеты и прочее)

Изложить технологию изготовления КМОП ИС. Рассчитать распределение концентрации примеси в n-p-структуре, полученной последовательной диффузией фосфора в кремний с электропроводностью p-типа и глубину залегания стоковой и истоковой областей транзистора с каналом n-типа. Работа содержит 4 формулы, 6 рисунков, объём – 19 страниц.

Сроки выполнения этапов с 01.02.2012 по 30.04.2012 г.

Срок защиты курсового проекта 30.04.2012 г.

Руководитель доцент, к.т.н.                                                  В.И. Пантелеев             

Задание приняла студентка                                                   Е.К. Кайгородова                                                                                   

Замечания руководителя

Содержание

Задание                                                                                                                                                           2

Замечания руководителя                                                                                                                3

Введение                                                                                                                                                            5

1 Теоретическая часть                                                                                                                                7

2 Используемое оборудование и описание установки                                                        11

3 Расчетная часть                                                                                                                                            14

Заключение                                                                                                                                            17

Список литературы                                                                                                               19

Введение

Интегральная схема была изобретена Килби в 1958 году. Первые ИС представляли собой генераторы с фазосдвигающими цепями и триггеры, которые формировались на подложках из германия. Индивидуальные компоненты этих схем были изолированы меза-областями, вытравливаемыми в подложке с использованием наносимого вручную черного воска для защиты активных областей. Отдельные компоненты соединялись проволочными проводниками. Эти первые схемы и получили название «твердотельных» или «интегральных».

В настоящее время ИС превратились в сложные электронные приборы, содержащие сотни и тысячи отдельных компонентов в одном кремниевом кристалле. Появление первых ИС было бы невозможно без использования достижений во многих областях науки, в том числе физике электронных приборов, материаловедении и химии.

Предложенная в 1963 г. технология комплементарных МОП-структур [69] заключается в формировании - и р-канальных МОП-транзисторов на одном кристалле. По сравнению с п-канальными МОП ИС КМОП-схемы потребляют меньшую мощ­ность, однако первоначально разработанная технология форми­рования КМОП-структур была довольно сложной, а для реали­зации конструктивных решений требовалась значительная пло­щадь кристалла, так как каждый п-канальный МОП-транзистор использовался вместе с р-канальным транзистором. По мере возрастания плотности упаковки п-канальных МОП-схем с целью уменьшения потребления энергии технологический про­цесс формирования этих схем был усложнен. Стали использо­ваться дополнительные фотошаблоны, что позволило создавать транзисторы с разными величинами порогового напряжения. Одновременно новые схемотехнические решения позволили уп­ростить технологический процесс формирования КМОП-схем, поэтому в настоящее время технологии формирования п-каналь­ных МОП и КМОП ИС почти одинаковы по сложности. В сов­ременных КМОП ИС используется большее число л-канальных МОП-транзисторов, чем р-канальных, что позволяет сохранить площадь кристалла при уменьшении потребляемой энергии. Технология КМОП ИС, которая вобрала в себя все преимуще­ства и достижения технологии п-канальных МОП ИС, стала одной из наиболее важных технологических схем формирова­ния СБИС.

           1 Теоретическая часть

1.1  Принцип действия и применение КМОП-структур

На рис. 1 представлены электрическая схема, структура и некоторые характеристики КМОП-инвертора [2]. В подложке п-типа формируют р-канальный транзистор, а п-канальный транзистор формируют в области р-типа, которая создается в той же самой подложке п-типа. Эта область р-типа проводимости выступает в роли подложки для п-канального транзистора, часто ее называют карманом. Затворы п- и р-канального транзистора соединены между собой и представляют собой вход инвертора. Соединенные стоки обоих приборов являются выходом инвертора. Пороговое напряжение п- и р-канальных транзисторов обозначается соответственно VТn и VТp  (VТp<0). Hа рис. 1, в представлена зависимость выходного напряже­ния Vo КМОП-инвертора от величины входного напряжения Vi. При Vi =0 п-канальный транзистор закрыт (Vi< VТn ), в то время как р-канальный транзистор находится под высоким потенциалом  Vdd, который намного более отрицателен, чем  Vtp. 'Следовательно, V0 = VDD. При возрастании Vi  от нулевого зна­чения «канальный транзистор начинает открываться, а р-канальный транзистор закрываться. Как только Vi становится больше (Vdd— |VТp|), Vo = Vss. Характерной особенностью та­ких КМОП-вентилей является то, что в любом   логическом со стоянии  (Vo = Vss или Vo = Vdd ) транзисторы закрыты и вели­чина тока, протекающего по цепи между Vdd и Vss, пренебре­жимо мала. Эта особенность проиллюстрирована на рис. 1, г, где ток через инвертор IDD показан в виде функции Vi  (сплош­ная линия). Заметный ток протекает через эту КМОП-схему только тогда, когда оба транзистора включены одновременно, т. е. в ходе их переключения из одного состояния в другое. Небольшое потребление мощности — одна из наиболее важных особенностей    КМОП-схем.   

а — принципиальная схема; б —поперечное се­чение прибора; в — зависимость напряжения на выходе Vo инвертора от на­пряжения на входе Vi ;        г — зависимость величины тока инвертора от вход­ного напряжения (сплошная кривая) и вольт-амперные характеристики п-и р-канальных транзисторов (прерывистая кривая)

Рисунок 1 − КМОП-инвертор

Использование     КМОП-приборов позволяет конструкторам электронных схем более гибко подхо­дить к вопросам проектирования, создавая статические КМОП-схемы, когда каждому n-канальному транзистору соответствует р-канальный транзистор, или динамические, у которых транзи­сторы одного типа преобладают в количественном отношении над транзисторами другого типа.

1.2 Вариант технологического процесса производства МОП-структур

Важным этапом в производстве КМОП-структур является метод формирования подложек для двух типов полевых МОП-транзисторов. Первоначально технология формирования КМОП-структур разрабатывалась исходя из условия ее совместимости с процессами создания р-канальных МОП-структур, поэтому n-канальные транзисторы формировали в объеме диффузион­ных областей р-типа в подложках n-типа. Хотя некоторые из ранее существовавших ограничений к настоящему времени уст­ранены и среди МОП ИС доминируют n-канальные МОП-схе­мы, при производстве КМОП-структур наиболее широко ис­пользуются технологические схемы с традиционным      р-карманом.

р-карман создается ионной имплантацией или диффузией в подложку n-типа. При этом концентрация легирующей приме­си должна быть достаточно высокой, чтобы перекомпенсировать примесь n-типа и обеспечить необходимый уровень легирования в р-кармане (рис. 2,а). Для создания легко управляемого уровня легирования в       р-кармане его уровень легирования дол­жен в 5—10 раз превышать уровень легирования подложки n-типа. Однако такое излишнее легирование приводит к возник­новению нежелательных эффектов в n-канальных транзисторах, которые выражаются в увеличении обратного смещения на затворе и увеличении емкости между областями истока — сто­ка и р-карманом.

  Возможно использование и другого технологического вари­анта, заключающегося в создании n-карманов для формирова­ния р-канальных транзисторов [1]. Как показано на рис. 2,б, n-канальные приборы формируют в подложке с проводимостью р-типа. При этом технология с использованием карманов становится совместимой со стандартной технологией формирования n-МОП-структур. В таком варианте примесь n-типа в n-кармане перекомпенсирует  уровень   легирования подложки р-типа проводимости и излишнее легирование приводит к ухудшению характеристик р-канальных приборов.

На рис. 2, в представлен вариант, когда в очень слабо­легированном кремнии n-типа формируют два отдельных кар­мана. Такой «двухкарманный» вариант создания КМОП-структур [3] позволяет получать профили легирования в каждом кармане независимо, и поэтому ни один из типов приборов не должен испытывать действия эффектов, связанных с излишним легированием. Формирование ИС по такому варианту предпола­гает использование слаболегированных подложек с проводи­мостью n-типа (ν-типа) [4] или р-типа (π-типа) [1].

а — ионная имплантация примеси в область л-кар-m.iii.i; 6 — ионная имплантация примеси в область р-кармана; в — разгонка Примеси в обоих карманах; г — сплошная ионная имплантация для созда-пич /)'-областей истока и стока; д — локальная имплантация в я+-области И( гока и стока с использованием фоторезиста в качестве маски; е — осажде­ние фосфорно-силикатного стекла

Рисунок 3 - Этапы технологического процесса  формирования  КМОП-структурам с двумя карманами

  Наиболее важные этапы формирования КМОП-структур с двумя карманами представлены на рис. 3. Исходный ма­териал представляет собой слаболегированный эпитаксйальный слой n-типа, выращенный на сильнолегированной подлож­ке. Такая структура в сочетании с соответствующим методом создания схемы позволяет формировать КМОП ИС, в которых не возникает явление защелкивания [5]. На рис. 3, а—в показано, как происходит формирование двойных самосовме­щенных карманов с использованием одного этапа литографи­ческого маскирования. После образования двухслойной маски, состоящей из подслоя SiО2 и верхнего слоя Si3N4, в местах, предназначенных для создания n-карманов, удаляют маскирую­щее покрытие и производится ионная имплантация фосфора при низком ускоряющем напряжении, чтобы ионы, проникая в не­маскированные участки кремния, на остальной части подложки задерживались в слое Si3N4 (рис. 3,а). Затем происходят локальное окисление подложек в области n-кармана и ионная имплантация бора в р-карманы после удаления слоя Si3N4 (рис. 3,6). Бор проникает в подложку через тонкую пленку подслойного окисла, в то время как области n-карманов защи­щены более толстым слоем SiО2. Впоследствии весь окисел удаляется и происходит разгонка примеси в обоих карманах (рис. 2, в).

После разгонки примеси в карманах формируется изоляция транзисторов внутри карманов (каждый карман может содер­жать десятки тысяч транзисторов). После формирования изолирующего и подзатворного окислов возможно проведение ионной имплантации примеси в области каналов формируемых приборов для уста­новления необходимой величины порогового напряжения.

На следующем этапе происходят осаждение n+-поликремния, формирование с помощью фотолитографии затворов и ион­ная имплантация примеси в области истока и стока. Для того чтобы уменьшить число операций фотолитографии, сначала про­водят ионную имплантацию бора без маскирования во все ис­токи и стоки (рис. 3,г). Затем выполняют ионную имплан­тацию фосфора локально в области истока и стока n-канально­го транзистора с более высокой дозой, чтобы перекомпенсиро­вать находящийся там бор (3,д). После этого этапа про­филь распределения бора в областях истока и стока n-каналь­ных транзисторов в вертикальном и горизонтальном направле­нии полностью перекрывается профилем распределения фосфо­ра. Такой метод был применен и к созданию мелких переходов n- и р-канальных транзисторов с помощью As и ВF2 соответст­венно [4]. Позднее производятся осаждение на поверхность структур   фосфорно-силикатного   стекла   (рис.   3, е)   и   его оплавление при высокой, температуре. После вскрытия окон в слое фосфорно-силикатного стекла методом плазмохимического травления с помощью этого же метода происходит форми­рование топологического рисунка по слою алюминиевой метал­лизации. Самым последним слоем является плазмохимический нитрид кремния, который обеспечивает герметизацию приборов и их защиту от механических повреждений. Разрез получаемой после всех технологических этапов структуры представлен на рис. 2, в.

2 Используемое оборудование и описание установки

Схема установки СДОМ 3-100 представлена на рисунке 4.

1 – система загрузочная; 2 – пульт программного управления; 3 – устройство газораспределения; 4 – электропечь; 5 – кварцевый реактор; 6 – блок пылезащиты; 7 – камера; 8 – пульт управления загрузкой

Рисунок 4 – Печь СДОМ 3-100

Система предназначена для производства изделий электронной промышленности при выполнении комплекса операций диффузии, окисления и других прецизионных процессов физико-термической обработки полупроводниковых пластин диаметром не более 100 мм, с автоматизацией операций загрузки-выгрузки пластин в диффузионный реактор, с плавной регулировкой скоростей загрузки и выгрузки.

Питание системы осуществляется от трехфазной 4-х проводной сети с нулевым проводом сети переменного тока, напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.

Для эксплуатации необходимо подсоединить систему к вытяжной вентиляции, имеющей электрическую блокировку по цепи питания системы, с расходом воздуха 950 м3/с.

Системы предназначены для эксплуатации в помещениях класса чистоты 350 ОСТ 11.050.067-82 при температуре (+10-35) оС относительной влажности (50±10)% и атмосферном давлении (86.66-106.66)кПа.

Технические характеристики

Масса системы 3345 кг.

Габариты системы 905*5500*2650 мм.

Количество загрузочных площадок на позиции 1.

Максимальная масса перемещаемого изделия с кассетой не более 3 кг.

Минимальная скорость перемещения изделия в реакторе 1.66*10-3(±10%) м/с.

Максимальное время покоя изделия в зоне реактора 3-5 с.

Мощность, потребляемая в режиме разогрева 100 кВА.

Мощность, потребляемая в режиме поддержания температуры 50 кВА.

Средний срок службы системы не менее 6 лет.

Состав установки

1. Система загрузочная
2. Электропечь диффузионная однозонная многотрубная О2ДОМ-75-001
3. Устройство газораспределения 11ДГ-1000-002
4. Пульт программного управления

Работа установки

Загрузку кассет в реактор осуществляет специальный механизм с помощью кварцевого толкателя, который в зоне реактора находится в зацеплении с кассетой. Во время процесса диффузии в реакторе осуществляется возвратно-поступательное движение кассеты с толкателем, чтобы избежать из взаимной приварки. Реактор со стороны модуля загрузки закрыт заслонкой, которая открывается непосредственно перед началом момента выгрузки и закрывается, когда кассета вышла из реактора.

Регулировка температуры, газового состава осуществляется с помощью пульта управления.

В системе используется термопара платина-платинародий. Температура диффузии 1000-1300±5оС (для установки ОКСИД2-3ПО 1000-1250±0.5 оС).

Диффузия ведется при участии жидких реагентов BCl3, PCl5, HCl и дистиллированной воды.

3 Расчетная часть

Рассчитаем распределение концентрации примеси в n-p-структуре, полученной последовательной диффузией фосфора в кремний с электропроводностью p-типа и удельным сопротивлением 10 Ом, проводимой в режимах Т1 = 1060 °С, t1 = 20 мин и T2 = 1160 °С, t2 = 80 мин. А также определим глубину залегания n+-стоковой и истоковой областей.

С помощью графика зависимости предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температуры определяем, что предельная растворимость фосфора при 1060 °С равна C01 = 1,51021 см-3 (рисунок 3).

Рисунок 5 – Зависимости предельной растворимости и коэффициента диффузии различных примесей в кремнии

Определим предельную растворимость и коэффициенты диффузии для фосфора из зависимости коэффициента диффузии от температуры.

              С01 = 1,5·1021 см-3

D1 = 210-14 см2/с                            (для P при t1 = 1060 °С);

D2 = 510-13 см2/с                            (для P при t2 = 1160 °C);

Определим плотность атомов примеси, введенной на стадии загонки:

      (1)

Кривая распределения фосфора после стадии загонки:

                   (2)

Построим кривую распределения примеси после разгонки:

  (3)

Определим глубину залегания p-n-перехода:

,   (4)

где С02 = 1,171020 см-3 ,

      для ρ = 10 Омсм Св = 1,21015 см-3.

Рисунок 6 - Расчетные профили распределения примеси в p-n-структуре, после загонки (1) и разгонки(2)

Заключение

Была рассмотрена технология изготовления КМОП-транзистора на основе Si. Выяснены преимущества и недостатки данной технологии. В курсовом проекте был построен профиль распределения примеси и рассчитана глубина залегания стоковой и истоковой областей транзистора с n-каналом, полученных двухстадийным диффузионным методом.

Одним из показателей уровня развития полупроводниковой электроники является уровень производства КМОП-транзисторов, играющих важную роль во многих направлениях микроэлектроники. Но наряду с усовершенствованием известных типов транзисторов и других полупроводниковых приборов развиваются новые приборы, имеющие перспективу применения в новых направлениях микроэлектроники. В качестве примеров следует указать элементы памяти на аморфных полупроводниках, индикаторы на жидких кристаллах, оптоэлектронные приборы на основе гетеропереходов, тонкопленочные приборы [4].

Трудности, лежащие на пути широкого практического использования большинства приборов и микросхем на новых физических принципах, заключаются в необходимости применения новых, недостаточно хорошо освоенных материалов и технологических процессов. Поэтому успех реализации перспективных направлений микроэлектроники зависит от прогресса, как в области проектирования, так и в области технологии полупроводниковых изделий.

В современной технологии СБИС весьма актуальными являются проблема повышения выхода годных ИС и обеспечение их надежности. Прогресс в технологии СБИС достигается за счет уменьшения размеров элементов, увеличения площади кристалла, применения более сложных процессов и введения новых материалов. Все это неизбежно ведет к увеличению плотности дефектов. Идентификация и устранения причин отказов схем и тем самым повышение выхода годных ИС являются неотъемлемой частью разработки новой технологии.

Результатом усложнения СБИС явится функционирование схем при больших величинах напряженности электрического поля, плотности тока и рассеяния мощности. Эти факторы будут ускорять появление отказов приборов. Кроме того, при внедрении новых материалов возникают новые типы отказов ИС. Успешная разработка новых технологических процессов должна включать идентификацию и определение природы механизмов отказов. Объединенные попытки разработки технологии и анализа вида потерь выхода годных ИС и отказов приведут к созданию технологии, необходимой для производства СБИС, применимых в экономически жизнеспособных системах.

Список литературы

1              Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и ИМС. – 3-е изд., перераб, и доп. – / А.И. Курносов, В.В. Юдин. – М.: Высш. шк., 1986. – 386 с.

2              Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. / С. Зи, К. Могэб, Д. Фрейзер, У. Фичтнер, Л. Паррильо и др. ; под ред. С. Зи. – М.: Мир, 1986. – 453 с., ил.

3              Парфенов О.Д. Технология микросхем / О.Д. Парфенов. – М.: Высш. шк., 1977. – 256 с.

4              Пичугин И.Г. Технология полупроводниковых приборов / И.Г. Пичугин, Ю.М.Таиров. – М.: Высш. шк., 1984 – 288 с.