Физическая структура и маршрут изготовления быстродействующих цифровых микросхем

Как правило, в современных цифровых микросхемах используются четыре типа транзисторов. В ячейках ввода-вывода информации применяются p- и n- канальные МОП - транзисторы с рабочим напряжением 5,0 или 3,3 В. Толщина подзатворного диэлектрика и размеры структурных областей этих приборов должны обеспечивать устойчивость к электрическим перегрузкам и работоспособность при повышенных напряжениях питания. Ячейки ввода-вывода должны иметь достаточную помехоустойчивость во внешних цепях и защиту внутренних цепей от перегрузок и электростатических разрядов.

Во внутренних функциональных блоках используются МОП - транзисторов с минимальными размерами структурных областей в соответствии с табл. 12.1. В типовых субмикронных структурах обычно используется полная изоляция от подложки как NМОП-, так и PМОП - транзисторов (рис. 12.1). Полная изоляция улучшает помехоустойчивость микросхем, снижает чувствительность к свету и радиоактивным излучениям.

Основные этапы формирования КМОП - структуры с минимальными размерами 0,18 мкм следующие:

1. Подготовка пластины кремния с удельным сопротивлением 20 Ом×см         p - типа проводимости марки КДБ - 20.

2. Формирование мелкозалегающей щелевой изоляции, включающей травление кремния на глубину 2000 Å под углом 78°, заполнение углубления окислом в процессе двухэтапного окисления при температуре 800°C до достижения планарной поверхности.

3. Формирование в кремнии областей «карманов» обоих типов проводимости, полученных путем имплантации бора в три стадии с энергиями и дозами: 250 кэВ, 6,5×10¹² см^-3; 120 кэВ, 6,6×10¹² см^-3; 60 кэВ, 2,5×10¹² см^-3 для областей p - типа проводимости, и имплантации фосфора в три стадии с энергиями и дозами: 600 кэВ, 6,0×10¹² см^-3; 300 кэВ, 9,0×10¹² см^-3; 120 кэВ, 2,0×10¹² см^-3 для областей n - типа проводимости соответственно.

4. Формирование глубокой изолирующей области n - типа проводимости методом имплантации фосфора с энергией 900 кэВ и дозой 2.0×10¹³ см^-3 для создания высоколегированного скрытого слоя.

5. Формирование подзатворного окисла толщиной 50 Å методом быстрого термического окисления в течении 30 с.

6. Осаждение слоя поликремния толщиной 0,15 мкм из моносилана при пониженном давлении в реакторе.

7. Формирование затворов из поликремния методами реактивного травления.

8. Легирование расширенных слаболегированных областей стоков и истоков p - канального МОП - транзистора примесью бора с энергией 5 кэВ и дозой 3,21×10¹⁴ см^-3, а также стоков и истоков n - канального МОП - транзистора примесью мышьяка с энергией 3 кэВ и дозой 1,08×10¹⁵ см^-3.

9. Формирование изолирующего слоя (спейсера) на боковых стенках затворов в результате изотропного осаждения слоя двуокиси кремния и анизотропного удаления двуокиси кремния с горизонтальных участков реактивно-ионным травлением.

10. Легирование контактных областей стоков, истоков и затвора                      n - канального МОП - транзистора, контактов к n - «карману» и области изоляции примесью мышьяка с энергией 50 кэВ и дозой 3,5×10¹⁵ см^-3.

11. Легирование контактных областей стоков, истоков и затвора                      p - канального МОП - транзистора, контактов к p - «карману» и подложке ионами BF₂ с энергией 40 кэВ и дозой 2,0×10¹⁵ см^-3.

12. Общий отжиг структуры при температуре 850°С в течение 20 минут.

13. Силицирование контактов к области затвора и контактов к стоковым и истоковым областям КМОП - транзисторов формированием силицида TiSi₂ методом осаждения титана и последующим быстром отжигом при температуре 800°С в вакууме.

14. Формирование металлизированной разводки к силицированным контактам.

Ниже мы рассмотрим назначение перечисленных технологических процессов.

Изоляция приборов

Тип проводимости используемой подложки не имеет принципиального значения для КМОП - структуры. Для применения микросхем удобнее, чтобы подложка была подключена к общей шине питания. Поэтому наиболее распространены подложки p - типа проводимости. Полная изоляция p - канальных МОП - транзисторов достигается использованием «кармана» n - типа проводимости с заглубленным максимумом легирующей примеси. Такой профиль ограничивает ширину ОПЗ стока и ослабляет тиристорный эффект. «Карман» p - типа проводимости гальванически соединен с подложкой и для его изоляции требуются дополнительные технологические процессы. Имплантация фосфора с большой энергией позволяет создать замкнутый контур легирования n - типа вокруг «кармана» p - типа. «Карманы» n - типа и области внешней изоляции n - типа в электрической схеме подключены к источнику питания с положительным потенциалом. «Карманы» p - типа и подложка подключены к общей шине.

Окисные области формируются в канавках 0,2 мкм для того, чтобы после окисления на 0,34 мкм поверхность структуры стала планарной. Окисляется не вся свободная от транзисторов поверхность. Для снижения термомеханических напряжений свободные участки заполняются фиктивными элементами.

Профиль легирующей примеси в каждом «кармане» создается комбинацией трех последовательных процессов имплантации: мелкой, средней и глубокой. С увеличением глубины увеличивается и доза примеси. Профиль легирования рассчитан так, что металлургическая граница p–n - переходов стока - истока будет на уровне концентраций менее 10¹⁸ см^-3. Ретроградный профиль легирования уменьшает туннельный ток сток - подложка и одновременно ограничивает ширину ОПЗ в подложке и статическую обратную связь сток - исток.

Легирование «карманов» проводится после окисления для того, чтобы сохранить сложный профиль распределения примеси. Тормозная способность окисла и кремния почти одинакова, поэтому наличие окисла на поверхности не меняет распределения примеси.