Самовыравнивающиеся ворота

В изготовления полупроводниковой электроники технологии самовыравнивающийся затвор представляет собой транзисторов подход к производству затвора , при котором электрод MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) используется в качестве маски для легирования областей истока и стока . Этот метод гарантирует естественное и точное выравнивание ворот по краям истока и стока.

Использование самовыравнивающихся затворов в МОП-транзисторах — одна из ключевых инноваций, которая привела к значительному увеличению вычислительной мощности в 1970-х годах. Самовыравнивающиеся вентили до сих пор используются в большинстве современных создания интегральных схем процессов .

Введение

строительство ИС

Основная статья: Производство полупроводниковых приборов

Схема стандартного МОП-транзистора

Интегральные схемы (ИС или «чипы») производятся в ходе многоэтапного процесса, в ходе которого на поверхности кремниевого диска, известного как « пластина », создается несколько слоев. На каждый слой наносится рисунок путем покрытия пластины фоторезистом и последующего воздействия на нее ультрафиолетового света, проходящего через трафаретную « маску ». В зависимости от процесса фоторезист, подвергшийся воздействию света, либо затвердевает, либо размягчается, и в любом случае более мягкие части затем смываются. В результате на поверхности пластины образуется микроскопический рисунок, в котором часть верхнего слоя обнажена, а остальная часть защищена оставшимся фоторезистом.

Затем пластина подвергается различным процессам, в ходе которых материалы добавляются или удаляются из частей пластины, незащищенных фоторезистом. В одном из распространенных процессов пластина нагревается примерно до 1000 °C, а затем подвергается воздействию газа, содержащего легирующий материал (обычно бор или фосфор), который изменяет электрические свойства кремния. Это позволяет кремнию стать донором электронов, рецептором электронов или почти изолятором в зависимости от типа и/или количества легирующей примеси. В типичной ИС этот процесс используется для производства отдельных транзисторов , составляющих ключевые элементы ИС.

В МОП-транзисторе три части транзистора — это исток, сток и затвор (см. схему). «Эффект поля» в названии относится к изменениям проводимости, которые происходят при подаче напряжения на затвор. Ключевым моментом является то, что это электрическое поле может привести к тому, что область «канала», разделяющая исток и сток, станет того же типа, что и исток-сток, тем самым включив транзистор. Поскольку ток не течет от затвора к стоку, энергия переключения полевого транзистора очень мала по сравнению с более ранними типами транзисторов с биполярным переходом , где затвор (или база, как ее называли) находился на одной линии с током.

Старая методология

В ранних методологиях изготовления МОП-транзисторов затвор изготавливался из алюминия , который плавится при температуре 660 °C, поэтому его приходилось осаждать на одном из последних этапов процесса после завершения всех стадий легирования при температуре около 1000 °C.

Пластина в целом сначала выбирается так, чтобы она имела определенное электрическое качество: смещение либо положительное, или «p», либо отрицательное, «n». На иллюстрации базовый материал — «p» (называемый n-канальным или nMOS). Затем используется маска для создания областей, в которых будут размещены отрицательные «n» секции транзисторов. Затем пластину нагревают примерно до 1000 °C и подвергают воздействию легирующего газа, который диффундирует в поверхность пластины, образуя «n» секции. Затем поверх пластины выращивается тонкий слой изоляционного материала (диоксида кремния). Наконец, на ворота наносится рисунок поверх изолирующего слоя с помощью новой фотолитографической операции. Чтобы гарантировать, что затвор действительно перекрывает нижележащие истоки и стоки, материал затвора должен быть шире, чем зазор между n секциями, обычно в три раза. Это приводит к потере пространства и созданию дополнительной емкости между затвором и истоком-стоком. Эта паразитная емкость требует, чтобы весь чип работал на высоких уровнях мощности, чтобы обеспечить чистое переключение, что неэффективно. Кроме того, изменение несовпадения затвора с основным истоком-стоком означает, что существует высокая вариабельность между чипами, даже когда они работают правильно.

Самовыравнивание

См. Также: Эффект истощения поликремния.

Самовыравнивающиеся ворота развивались в несколько этапов до своей нынешней формы. Ключом к успеху стало открытие того, что сильнолегированный поликремний обладает достаточной проводимостью, чтобы заменить алюминий. Это означало, что слой затвора можно было создать на любом этапе многоэтапного процесса изготовления .

В процессе самовыравнивания изолирующий слой ключевого затвора формируется ближе к началу процесса. Затем сверху отсаживается ворота и наносится узор. Затем легируются исток-сток (для поликремния затворы легируются одновременно). Таким образом, рисунок исток-сток представляет собой только внешние края истока и стока, причем внутренний край этих секций маскируется самим затвором. В результате исток и сток «самовыравниваются» по затвору. Поскольку они всегда идеально расположены, нет необходимости делать затвор шире, чем хотелось бы, и паразитная емкость значительно снижается. Время выравнивания и изменчивость от чипа к чипу также сокращаются.

После ранних экспериментов с различными материалами затворов, включающими алюминий , молибден и аморфный кремний , полупроводниковая промышленность практически повсеместно внедрила самовыравнивающиеся затворы, изготовленные из поликристаллического кремния (поликремния), так называемую технологию кремниевых затворов (SGT) или «саморегулирующуюся технологию». Технология выравнивания кремниевых затворов, которая имела множество дополнительных преимуществ по сравнению с уменьшением паразитных емкостей. Одной из важных особенностей SGT было то, что транзистор был полностью похоронен под термооксидом высшего качества (одним из лучших известных изоляторов), что позволяло создавать новые типы устройств, которые невозможно реализовать с помощью традиционных технологий или с самовыравнивающимися затворами, изготовленными из других материалов. . Особенно важны устройства с зарядовой связью (CCD), используемые для датчиков изображения, и устройства энергонезависимой памяти, использующие структуры с плавающим кремниевым затвором. Эти устройства значительно расширили диапазон функциональности, которую можно было достичь с помощью твердотельной электроники.

Для того, чтобы сделать самовыравнивающиеся ворота, потребовались определенные нововведения:

• новый процесс, который создаст врата;
• переход от аморфного кремния к поликристаллическому кремнию (поскольку аморфный кремний разрушается там, где он проходит через «ступеньки» на оксидной изолирующей поверхности);
• фотолитографический поликристаллического метод травления кремния ;
• метод уменьшения примесей, присутствующих в кремнии.

До этих инноваций самовыравнивающиеся затворы демонстрировались на устройствах с металлическими затворами , но их реальное влияние оказало на устройства с кремниевыми затворами.

История

Технология МОП-процесса с алюминиевым затвором началась с определения и легирования областей истока и стока МОП-транзисторов, за которыми следовала маска затвора, которая определяла область тонкого оксида транзисторов. После дополнительных этапов обработки над тонкой оксидной областью будет сформирован алюминиевый затвор, завершающий изготовление устройства. Из-за неизбежного смещения маски затвора относительно маски истока и стока необходимо было иметь довольно большую область перекрытия между областью затвора и областями истока и стока, чтобы гарантировать, что область тонкого оксида перекрывает исток и сток, даже при наихудшем несоосности. Это требование привело к тому, что паразитные емкости затвор-исток и затвор-сток были большими и варьировались от пластины к пластине в зависимости от несоосности оксидной маски затвора относительно маски истока и стока. Результатом стал нежелательный разброс в скорости производимых интегральных схем и гораздо более низкая скорость, чем теоретически возможно, если бы паразитные емкости можно было уменьшить до минимума. Емкостью перекрытия, оказывающей наиболее неблагоприятное влияние на производительность, была паразитная емкость затвор-сток Cgd, которая, благодаря известному эффекту Миллера, увеличивала емкость затвор-исток транзистора на величину Cgd, умноженную на коэффициент усиления цепь, частью которой был этот транзистор. Результатом стало значительное снижение скорости переключения транзисторов.

В 1966 году Роберт В. Бауэр понял, что если сначала определить электрод затвора, можно будет не только минимизировать паразитные емкости между затвором, истоком и стоком, но также сделать их нечувствительными к перекосу. Он предложил метод, в котором сам алюминиевый электрод затвора использовался в качестве маски для определения областей истока и стока транзистора. Однако, поскольку алюминий не мог выдерживать высокую температуру, необходимую для обычного легирования истокового и стокового переходов, Бауэр предложил использовать ионную имплантацию, новый метод легирования, который все еще находится в разработке в компании Hughes Aircraft, его работодателе, и еще не доступен в других лабораториях. . Хотя идея Бауэра была концептуально обоснованной, на практике она не сработала, поскольку было невозможно адекватно пассивировать транзисторы и устранить радиационные повреждения, нанесенные кристаллической структуре кремния ионной имплантацией, поскольку эти две операции потребовали бы избыточных температур. из тех, кого можно выжить благодаря алюминиевым воротам. Таким образом, его изобретение послужило доказательством принципа, но ни одна коммерческая интегральная схема с использованием метода Бауэра так и не была создана. Требовался более тугоплавкий материал для ворот.

В 1967 году Джон К. Сараче и его коллеги из Bell Labs заменили алюминиевый затвор электродом, изготовленным из аморфного кремния, напыленного в вакууме, и преуспели в создании работающих МОП-транзисторов с самовыравнивающимся затвором. Однако описанный процесс был лишь доказательством принципа, подходящим только для изготовления дискретных транзисторов, а не для интегральных схем; и больше не преследовался следователями

В 1968 году в МОП-индустрии преимущественно использовались транзисторы с алюминиевым затвором с высоким пороговым напряжением (HVT) и хотелось иметь МОП-процесс с низким пороговым напряжением (LVT), чтобы увеличить скорость и уменьшить рассеиваемую мощность МОП-интегральных схем . Транзисторы с низким пороговым напряжением с алюминиевым затвором требовали использования ориентации кремния [100], что, однако, приводило к слишком низкому пороговому напряжению для паразитных МОП-транзисторов (МОП-транзисторы создавались, когда алюминий поверх полевого оксида замыкал два перехода). Для увеличения паразитного порогового напряжения сверх напряжения питания необходимо было увеличить уровень легирования N-типа в выбранных областях под полевым оксидом, и это сначала было достигнуто с использованием так называемой маски-стопора канала, а позже с ионной имплантацией.

Разработка технологии кремниевых затворов в Fairchild

SGT был первой технологией, использованной для изготовления коммерческих МОП-интегральных схем, которая позже получила широкое распространение во всей отрасли в 1960-х годах. В конце 1967 года Том Кляйн, работавший в Fairchild Semiconductor научно-исследовательской лаборатории и подчинявшийся Лесу Вадасу , понял, что разница в работе выхода между сильно легированным кремнием P-типа и кремнием N-типа была на 1,1 вольт ниже, чем разница в работе выхода между алюминием. и тот же кремний N-типа. Это означало, что пороговое напряжение МОП-транзисторов с кремниевым затвором могло быть на 1,1 В ниже, чем пороговое напряжение МОП-транзисторов с алюминиевым затвором, изготовленных из того же исходного материала. Следовательно, можно использовать исходный материал с кремниевой ориентацией [111] и одновременно получить транзисторы с адекватным паразитным пороговым напряжением и низким пороговым напряжением без использования маски-ограничителя канала или ионной имплантации под полевой оксид. Таким образом, с легированным кремниевым затвором P-типа можно было бы не только создавать транзисторы с самовыравнивающимся затвором, но и осуществлять процесс с низким пороговым напряжением, используя ту же ориентацию кремния, что и в процессе с высоким пороговым напряжением.

В феврале 1968 года Федерико Фаггин присоединился к группе Леса Вадаса и был назначен ответственным за разработку технологии низкопорогового МОП-процесса с самовыравнивающимся затвором. Первой задачей Фаггина была разработка решения для прецизионного травления аморфного кремниевого затвора, а затем он создал технологическую архитектуру и подробные этапы обработки для изготовления МОП-ИС с кремниевым затвором . Он также изобрел «скрытые контакты» — метод установления прямого контакта между аморфным кремнием и кремниевыми переходами без использования металла — метод, который позволил обеспечить гораздо более высокую плотность схем, особенно для схем со случайной логикой.

После проверки и описания процесса с использованием разработанной им тестовой схемы, Фаггин к апрелю 1968 года изготовил первые работающие МОП-транзисторы с кремниевым затвором и тестовые структуры. Затем он спроектировал первую интегральную схему с использованием кремниевого затвора Fairchild 3708, 8-битный аналог. мультиплексор с логикой декодирования, который имел те же функции, что и Fairchild 3705, производственная ИС с металлическим затвором, которую Fairchild Semiconductor с трудом производила из-за ее довольно строгих спецификаций.

Доступность модели 3708 в июле 1968 года также предоставила платформу для дальнейшего совершенствования процесса в последующие месяцы, что привело к отправке первых образцов модели 3708 клиентам в октябре 1968 года и сделало ее коммерчески доступной для общего рынка до конца года. 1968. В период с июля по октябрь 1968 года Феггин добавил к этому процессу два дополнительных важных шага:

• Замена аморфного кремния, напыленного в вакууме, поликристаллическим кремнием, полученным методом газофазного осаждения. Этот шаг стал необходимым, поскольку испаряющийся аморфный кремний разрушался там, где он проходил по «ступеням» на поверхности оксида.
• Использование фосфора для поглощения примесей, всегда присутствующих в транзисторе, вызывает проблемы с надежностью. Геттерирование фосфора позволило значительно снизить ток утечки и избежать дрейфа порогового напряжения, который до сих пор преследовал технологию МОП с алюминиевым затвором (МОП-транзисторы с алюминиевым затвором не подходили для геттерирования фосфора из-за требуемой высокой температуры).

Благодаря кремниевому затвору долговременная надежность МОП-транзисторов вскоре достигла уровня биполярных ИС, устранив одно серьезное препятствие на пути широкого внедрения МОП-технологии.

К концу 1968 года технология кремниевых затворов добилась впечатляющих результатов. Хотя модель 3708 была спроектирована так, чтобы иметь примерно ту же площадь, что и 3705, чтобы облегчить использование того же производственного инструмента, что и 3705, ее можно было сделать значительно меньше. Тем не менее, он имел превосходные характеристики по сравнению с 3705: он был в 5 раз быстрее, у него был примерно в 100 раз меньший ток утечки, а сопротивление открытого состояния больших транзисторов, составляющих аналоговые ключи, было в 3 раза ниже.

Коммерциализация в Intel

Интел 1101

Технология кремниевых затворов (SGT) была принята компанией Intel с момента ее основания (июль 1968 года) и через несколько лет стала основной технологией производства МОП-интегральных схем во всем мире, существующей и по сей день. Intel также была первой компанией, разработавшей энергонезависимую память с использованием транзисторов с плавающим кремниевым затвором.

Первым чипом памяти, в котором использовалась технология кремниевых затворов, был чип Intel 1101 SRAM (статическая память с произвольным доступом ), изготовленный в 1968 году и продемонстрированный в 1969 году. Первый коммерческий однокристальный микропроцессор Intel 4004 был разработан Фаггином с использованием его технологии MOS IC с кремниевым затвором. Марсиан Хофф , Стэн Мазор и Масатоши Сима внесли свой вклад в архитектуру.

Оригиналы документов на СГТ

• Бауэр, Р.В. и Дилл, Р.Г. (1966). «Полевые транзисторы с изолированным затвором, изготовленные с использованием затвора в качестве маски исток-сток». Международная конференция IEEE по электронным устройствам, 1966 г.
• Фаггин Ф., Кляйн Т. и Вадас Л.: «Интегральные схемы полевых транзисторов с изолированным затвором и кремниевыми затворами». Международная конференция IEEE по электронным устройствам, Вашингтон, округ Колумбия, 1968 г. [1]
• US 3475234 , Кервин, Роберт Э.; Кляйн , Дональд Л. и Сарас, Джон К., «Метод изготовления структур MIS», опубликовано 28 октября 1969 г., передано Bell Telephone Laboratories Inc.  
• Федерико Фаггин и Томас Кляйн: «Более быстрое поколение МОП-устройств с низкими порогами находится на гребне новой волны ИС с кремниевым затвором». Статья на обложке Fairchild 3708, журнал «Электроника», 29 сентября 1969 года.
• Вадас, LL; Гроув, AS; Роу, штат Калифорния; Мур, GE (октябрь 1969 г.). «Технология кремниевых ворот». IEEE-спектр . стр. 27–35.
• Ф. Фаггин, Т. Кляйн «Технология кремниевых затворов», «Твердотельная электроника», 1970, Vol. 13, стр. 1125–1144.
• США 3673471 , Кляйн, Томас и Фаггин, Федерико, «Лепированные полупроводниковые электроды для устройств типа МОП», опубликовано 27 июня 1972 г., передано Fairchild Camera and Instrument Corporation.  

Патенты

Конструкция самовыравнивающихся ворот была запатентована в 1969 году командой Кервина, Кляйна и Сараче. Он был независимо изобретен Робертом У. Бауэром (патент США 3 472 712, выданный 14 октября 1969 г., поданный 27 октября 1966 г.). Лаборатории Белла Кервин и др. патент не был подан до 27 марта 1967 года, через несколько месяцев после того, как Р.В. Бауэр и Х.Д. Дилл опубликовали и представили первую публикацию этой работы на Международной конференции по электронным устройствам в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1966 году.

В судебном иске с участием Бауэра Апелляционный суд третьего округа установил, что Кервин, Кляйн и Сараче были изобретателями самовыравнивающегося транзистора с кремниевым затвором. На этом основании им был выдан базовый патент США 3 475 234. На самом деле полевой МОП-транзистор с самовыравнивающимся затвором был изобретен Робертом У. Бауэром, номер США 3 472 712, выдан 14 октября 1969 года, подан 27 октября 1966 года. Патент Bell Labs Кервина и др. 3 475 234 не был подан до 27 марта 1967 года, через несколько месяцев после RW. Бауэр и Х.Д. Дилл опубликовали и представили первую публикацию этой работы под названием «Полевые транзисторы с изолированным затвором, изготовленные с использованием затвора в качестве маски истока-стока» на Международной конференции электронных устройств в Вашингтоне, округ Колумбия, 1966. В работе Бауэра описан самовыравнивающийся затвор. MOSFET, изготовленный как с алюминиевыми, так и с поликремниевыми затворами. Он использовал как ионную имплантацию, так и диффузию для формирования истока и стока, используя электрод затвора в качестве маски для определения областей истока и стока. Команда Bell Labs посетила это собрание IEDM в 1966 году и обсудила эту работу с Бауэром после его презентации в 1966 году. Бауэр сначала изготовил самовыравнивающийся затвор, используя в качестве затвора алюминий, а перед презентацией в 1966 году изготовил устройство используя поликремний в качестве затвора.

Самовыравнивающийся затвор обычно включает в себя ионную имплантацию — еще одну инновацию полупроводникового процесса 1960-х годов. Истории ионной имплантации и самовыравнивающихся ворот тесно взаимосвязаны, о чем подробно рассказывает RB Fair.

Первым коммерческим продуктом, в котором использовалась технология самовыравнивающихся кремниевых затворов, был 8-битный аналоговый мультиплексор Fairchild 3708, выпущенный в 1968 году и разработанный Федерико Фаггином , который был пионером нескольких изобретений, чтобы превратить вышеупомянутые нерабочие доказательства концепции в то, что на самом деле делает отрасль. принятый впоследствии.

Производственный процесс

Важность самовыравнивающихся ворот заключается в процессе их изготовления. Процесс использования затворного оксида в качестве маски для диффузии истока и стока упрощает процесс и значительно повышает выход.

Этапы процесса

Ниже приведены этапы создания самовыравнивающихся ворот:

Чистое помещение, где выполняются эти этапы

Эти шаги были впервые разработаны Федерико Фаггином и использованы в процессе технологии кремниевых затворов, разработанной в Fairchild Semiconductor в 1968 году для изготовления первой коммерческой интегральной схемы с ее использованием - Fairchild 3708.

1. На полевом оксиде вытравливаются лунки там, где должны быть сформированы транзисторы. Каждая яма определяет области истока, стока и активного затвора МОП-транзистора.

2. Используя процесс сухого термического окисления тонкий слой (5-200 нм) затворного оксида (SiO _{2 ).} , на кремниевой пластине выращивается

3. С помощью процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD) поверх затворного оксида выращивается слой поликремния.

слой фоторезиста 4. Поверх поликремния наносится .

5. Поверх фоторезиста накладывается маска и подвергается воздействию УФ-излучения ; это разрушает слой фоторезиста в тех местах, где маска его не защитила.

6. Фоторезист экспонируется специализированным проявителем. Это предназначено для удаления фоторезиста, разрушенного ультрафиолетовым светом.

7. Поликремний и затворный оксид, не покрытые фоторезистом, вытравливаются с помощью процесса буферного ионного травления. Обычно это кислотный раствор, содержащий плавиковую кислоту .

8. С кремниевой пластины удаляется оставшаяся часть фоторезиста. Теперь над подзатворным оксидом и над полевым оксидом находится пластина с поликремнием.

9. Тонкий оксид вытравливается, обнажая области истока и стока транзистора, за исключением области затвора, которая защищена поликремниевым затвором.

10. С помощью обычного процесса легирования или процесса, называемого ионной имплантацией, исток, сток и поликремний легируются. Тонкий оксид под кремниевым затвором действует как маска для процесса легирования. Именно этот шаг делает ворота самовыравнивающимися. Области истока и стока автоматически выравниваются с затвором (уже на месте).

11. Пластина отжигается в высокотемпературной печи (>800 °C или 1500 °F). Это рассеивает примесь дальше в кристаллическую структуру, образуя области истока и стока, и приводит к тому, что примесь слегка диффундирует под затвор.

12. Процесс продолжается осаждением диоксида кремния из паровой фазы для защиты открытых участков и всеми остальными этапами для завершения процесса.

См. также

• Производство полупроводниковых приборов
• Микрообработка