1.3.2 Защелкивание в кмоп-структурах и его предотвращение

Серьезная проблема проектирования КМОП-схем заключается в том, чтобы избежать со­стояния, называемого защелкиванием. В этом состоянии в ре­зультате регенеративного срабатывания биполярных транзисторных структур между источником питания и землей схемы образуется фиксированная низкоомная проводящая цепь. Особенно важно избегать защелкивания в КМОП-структурах с малыми геометрическими размерами элементов, предназначенных для создания СБИС с высокой плотностью упаковки.

Чтобы предотв­ратить защелкивание в КМОП схемах с очень высокой плот­ностью упаковки, может пот­ребоваться замена базовой монолитной КМОП-структуры с диффузионными карманами одного типа проводимости более сложными структурами. Некоторые изу­ченные методы предусматривают введение золота в каче­стве примеси или нейтронное облучение пластин с КМОП-структурами, что снижает времена жизни неосновных носителей и позволяет снизить усиление по току биполярных транзисторных структур. Час­то на поверхности делаются замкнутые полосковые облас­ти с сильным легированием (охранные кольца), которые коллектируют неосновные носители раньше, чем те успеют достичь перехода карман — подложка. Охранные кольца применяются также для фиксации напряжений в чувствительных участках схем. Другой способ предотвращения защелкивания предус­матривает выращивание эпитаксиальной кремниевой пленки на сильнолегированной подложке, которая уменьшает сопротивле­ние подложки. Для изготовления КМОП-схем со сверхмалыми размерами элементов иногда применяются эпитаксиальные подложки и даже структуры с карманами обоих типов прово­димости (карманы n- и p-типа делаются в высокоомных эпи­таксиальных слоях). Эти высокоразвитые технологические ме­тоды позволяют снизить вероятность защелкивания даже в схе­мах с МОП-транзисторами с субмикронной длиной каналов [7].

1.3.3 Методы межкомпонентной изоляции в кмоп технологических процессах

Стремление повышать плотность упаковки стимулирует интенсивные исследования методов изоляции приборов в КМОП-схемах. Исторически место стандартной технологии изоляции заняла LOCOS-технология (Local Oxidation –– локальное окисление); однако рост окисла в горизонтальном направлении под край «окна» в нитридной маске, определяющего область формирования транзистора, вызывает образование так называемого «птичьего клюва». Ранее считалось, что этот эффект ограничивает сферу применения LOCOS- технологии минимальным технологическим размером 2 мкм. Предполагаемые альтернативы LOCOS-технологии можно разделить на четыре категории:

1) процессы, представляющие собой, усовершенствованные варианты LOCOS-технологии, например, SILO-технология (Sealed Interface Local Oxidation- локальное окисление с герметичной границей) и SWAMI-технология (Side-Wall Masked Isolation- изоляция с маскированными боковыми стенками);

2) процессы, в которых выполняется травление поверхности кремния с последующим заполнением углублений окислом, например, ВОХ-технология (Buried Oxide Process-технология со скрытым окислом) и изоляция глубокими канавками;

3) селективная эпитаксия, когда активные кремниевые слои эпитаксиально выращиваются между столбиками окисла, выполняющего функцию изоляции приборов;

4) технология «кремний- на- диэлектрике», которая дает полностью изолированные друг от друга приборы, окруженные со всех сторон диэлектрическими слоями.

В LOCOS-технологии выращивание защитного окисла выполняется в условиях, когда области формирования транзисторов маскируются тонким слоем окисла, покрытием слоем нитрида. Напротив, в SILO-технологии используется трехслойная маскирующая структура, покрытого тонким (35 нм) слоем окисла, поверх которого осажден толстый слой нитрида (130 нм). По сообщениям в данной технологии полностью исключены рост окисла в горизонтальном направлении и образование «птичьего клюва», и достигается повышение плотности упаковки на 68 % по сравнению с LOCOS- технологией. В SWAMI-технологии для уменьшения окисления в горизонтальном направлении используются травление кремния и нитридная боковая стенка. Этот метод почти полностью исключает образование «птичьего клюва», а благодаря последним усовершенствованиям многие дефекты из-за механических напряжений, связанные с боковой стенкой из нитрида и отрицательно влияющие на характеристики первых приборов, в настоящее время устранены. Другие достоинства данной технологии отсутствие дополнительных фотолитографических операций и использование только стандартных процессов обработки пластин.

В ВОХ-технологии изоляция производится с помощью заполнения окислом вытравленных в кремнии канавок (двухэтапный процесс окисления). При выращивании защитного окисла не происходит образования «птичьего клюва», так как окисел осаждается в канавку плазменным методом, а не выращиваются термически. Поверхность структуры оказывается практически планарной. Потенциальной проблемой для ВОХ-технологии было образование паразитного канала у боковых стенок в кремнии, однако она была решена путем имплантации ионов бора в эти боковые стенки. В методе изоляции глубокими канавками тоже используются вытравленные углубления, которые заполняются окислом (или поликремнием) и служат для устранения возможной электрической связи между приборами. Такие канавки анизотропно травятся на глубину примерно 5-6 мкм при ширине 1-2 мкм. Проблемы инверсии проводимости боковых стенок канавок налагают ограничения на минимальные промежутки между активными приборами и канавками. Повышение плотности упаковки благодаря методу глубоких канавок больше, чем при любом другом альтернативном для LOCOS- технологии методе, а восприимчивость ИС к защелкиванию резко снижается, так как канавки помогают отделить друг от друга элементы паразитной тиристорной p-n-p-n-структуры. Но, несмотря на эти достоинства, в настоящее время сложность и стоимость данной технологии таковы, что не позволяют наладить широкомасштабное применение метода изоляции глубокими канавками.

Хотя исследование этих альтернативных технологий в настоящее время продолжается, усовершенствованные варианты LOCOS-технологии уже позволили расширить сферу ее применения на современные КМОП-технологии с 1-2 мкм проектными нормами.

В отличие от методов, в которых изолирующая структура формируется или выращивается в глубине кремниевой пластины, существуют также методы выращивания монокристаллических кремниевых островков на поверхности диэлектрика. Первый из них –– это КНС технология; здесь исходным материалом служит сапфировая (Al₂O₃) пластина, на поверхности которой выращивается эпитаксиальный слой кремния. В этом эпитаксиальном слое изготавливаются активные приборы ИС. КНС-технология позволяет создавать БИС с высоким быстродействием благодаря уменьшению паразитных емкостей за счет использования изолирующей подложки и с повышенной радиационной стойкостью благодаря малой площади монокристаллического кремния. Однако во многих приложениях подложка транзисторов работает в режиме плавающего потенциала, и по этой причине пороговое напряжение на стоке меняется, вследствие чего на ВАХ образуется перегиб. К сожалению, это явление вызывает возрастание времени задержки сигналов. Для КМОП-схем с КНС-структурой характерны также повышенные токи утечки по сравнению с КМОП-схемами на монолитных подложках [8].