2.2 Структура locos изоляции

2.2.1 Обычная заглубленная locos изоляция

В этом разделе обсуждаются процессы и проблемы устройств, связанные с изготовлением LOCOS изоляции.

2.2.1.1 Электроизоляционная способность

Основная цель любой изоляции, добиться полной электроизоляции одного устройства от другого. Как показано на рисунке 2.3, должно быть рассмотрено 3 вида утечки: утечки между двумя соседними одноименными транзисторами (путь 1), утечка тока на n-карман (путь 2), утечка тока до защелкивания (путь 3).

1 – утечки между двумя соседними одноименными транзисторами; 2 – утечка тока на n-карман; 3 –утечка тока до защелкивания.

Рисунок 2.3 –– Различные пути утечки и соответствующие правила при проектировании структур изоляции

Требования к токам утечки описаны в правилах проектирования для активной области (AA₁), и n ⁺- p ⁺ активной области (AA₂). Помимо токов утечки, важную роль играет ёмкость. Более толстые оксидные области уменьшают емкость между межсоединениями и подложкой. Это требует большего времени окисления, что приводит к дополнительному боковому разрастанию оксидной области, к увеличению напряжения подложки (смотреть 2.2), и к ускоренной диффузии оксидирования и сегрегация легирующей примеси в окиси. Для борьбы с проблемой снижения концентрации примеси под оксидной областью, требуется легирование p⁺охраны до локального окисления, которое делается во всех КМОП маршрутах, (кроме 0,35 мкм где легирование выполняется через LOCOS), чтобы обеспечить достаточную изоляцию между соседними устройствами NMOП. Стандартный метод имплантации и увеличение легирования под оксидной областью имеет много недостатков. Легирование p⁺охраны приводит к повышению концентрации возле n⁺стока, тем самым снижая пробивное напряжение сток-карман, и из-за боковой диффузии p⁺ эффективная ширина транзистора уменьшается. Для PМОП иногда при низких концентрациях в n-кармане применяют n⁺охрану отдельной фотолитографией. Были предложено несколько методов, чтобы уменьшить сегрегацию бора. Один из методов особенно интересен –– метод split-well drive-in, который достигает приемлемую производительность изоляции без использования имплантации. В этой технологии, р-имплантация с высокой энергией осуществляется перед окислением и после образования оксида выполняется drive-in при высокой температуре. При эффекте сегрегации происходит уменьшение концентрации бора под локальным окислом, а залегировав примесь на высокой энергии глубже в кремний, при дальнейшей высокотемпературной обработке (разгонке примеси), она перераспределяется не только в глубь кремния но и к границе локального окисла, компенсируя тем самым эффект сегрегации. Не нужно забывать, что при локальном окислении в окисле образуется плюсовой заряд, поэтому особое внимание уделяется p⁺охране, т.е. изоляции NMОП-транзисторов. По сравнению с классическим процессом имплантации, поверхностная концентрация под оксидной областью в 2-3 раза выше. На эффективность изоляции n-кармана не влияет повышение температуры на втором этапе высокотемпературной диффузии, главным образом потому, что эффекты сегрегации играют незначительную роль при легировании фосфора (фосфор (n-тип примеси) имеет другой коэффициент сегрегации чем бор).

Хорошо известно, что ионная имплантация наносит значительный ущерб решетке, который может привести к образованию дефектов при последующей термической обработке. Дефекты в кремниевой подложке из-за p-well и полевого формирования изоляции –– важный параметр в определении токов утечки узла транзистора или иной области. Плотность дефектов в высоколегированном p-well зависит от дозы легирования, а также способа формирования p-кармана. Для дозы от 5∙10¹³ см^-2 до 5∙10¹⁴ см^-2 характерна высокая плотность дефектов, которая обычно наблюдается при длительном отжиге drive-in (разгонке кармана/ отжиге охраны), особенно в кислороде, который содержится в окружающей среде. Чтобы уменьшить образование дефектов, необходимо разработать новые процессы изоляции, которые ограничивают сегрегацию бора, что позволяет использовать более низкие дозы. Существует ещё два альтернативных процесса изоляции: field-retro (имплантация через оксидную область (холодные карманы для 0,35 мкм)) и polysilicon-retro (имплантация через поликремний). В обеих схемах, наблюдаются уменьшение появления неисправностей и улучшение электрических характеристик в сравнении с классическим методом имплантации.

Защелкивание –– серьёзная проблема для КМОП-технологий. Как было показано ранее, это является фундаментальным ограничением в снижении АА₂ в правилах проектирования –– расстояние между n+ и n-карманом. Защелкивание может быть устранено с помощью применения канавочной изоляции вместо локального окисла. Данный метод широко применяется для субмикронных процессов, что позволяет лучше масштабировать область AA₂ и уменьшить расстояние между n+ и n-карманом. Другие методы включают использование слегка легированного эпитаксиального слоя на очень легированной подложке и введении скрытого слоя с дефектами, что позволяет уменьшить объем времени жизни неосновных носителей заряда [10].