Технологический маршрут изготовления быстродействующих кмоп бис

(Двухкарманная КМОП технология с Locos изоляцией, с самосовмещенным поликремниевым затвором и двухуровневой металлизацией)

Подложка КЭФ 4,5 (100), N ~ 1*10¹⁵ см^-3

1. Окисление под Si₃N₄ 1000С d = 425А сухой. О₂ (создание буферного слоя)

2. Нанесение Si₃N₄ d = 0,1мкм

3. Ф/л “карман”

4. Плазмохимическое травлние (ПХТ) Si₃N₄ до SiO₂

5. ИИ В₁₁⁺ Q = 1,5мкк/см² E=80кэв (легирование кармана для формирования NMOS)

6. Снятие резиста

7. Химическая обработка (Х/О)

8. Окисление d=0,3мкм 1000С влажный О₂ (формирование маски для легирования самосовмещённого кармана N - типа)

9. Снятие Si₃N₄ (кипячение в H₃PO₄)

10. Ионная имплантация (ИИ) Р₃₁⁺, Q = 1.0мкк/см² E=100 кэВ ( легирование n-кармана для формирования PMOS с малой длиной канала)

11. Снятие SiO₂ до Si

12. Х/О

13. Разгонка карманов 1200С 2ч О₂+2ч N₂ (Кислород необходим для предотвращения эррозии кремния галогенами, которые могут присутствовать в небольших количествах в газе - носителе при термообработке)

14. Снятие SiO_2, (буферный травитель)

15. Х/О

16. Окисление под Si₃N₄

17. Нанесение Si₃N₄ d = 0,2мкм (маска для имплантации бора)

18. Ф/л “разделение”

19. ПХТ Si₃N₄ до SiO₂

20. Ф/л “охрана” (формирование противоинверсионного слоя Р - типа)

21. ИИ В Q=10мкк/см² E = 30кэв

22. Снятие резиста

23. Х/О

24. Локальное окисление d_SiO2 = 0,8мкм, 1000С, вл. О₂

25. Снятие Si₃N₄+SiO₂ 425А

26. Х/О

27. Окисление 425А (раскисление оксинитрида в местах "птичьего клюва")

28. Снятие SiO₂ (буферный травитель)

29. Х/О

30. Окисление под затвор d =300А, 1000С, сух. О₂ с HCl

31. Нанесение полиSi d = 0,45мкм

32. Диффузия фосфора из хим. источника POCl₃ (R_s=20ом/)

33. Удаление ФСС (Цель – улучшить адгезию резиста)

34. Ф/л “затвор”

35. AПХТ полиSi

36. Снятие резиста

37. Нанесение резиста

38. Ф/л “истоки n+”

39. ИИ Р, Q = 1000мкк/см² ,E = 60кэв (формирование n+ областей сток-истоков n-канальных транзисторов имплантацией большой дозой для получения низкоомного омического контакта)

40. ПХУФ !!

41. Нанесение резиста

42. Ф/л “истоки p+”

43. ИИ В, Q =300мкк/см² ,E = 30кэв

44. ПХУФ !!

45. Х/О

46. Отжиг 850С, сух. О₂ , 60 мин (активация примеси и создание чистого окисного подслоя ~ 90А перед осаждением межуровневого диэлектрика)

47. Нанесение БФСС (%Р  4.5, %B  4.5) d=0,8мкм (БФСС позволяет снизить температуру оплавления до 800С , что важно при формировании мелкого перехода)

48. Оплавление БФСС 850С, 30 мин, N₂

49. Ф/л “контакты”

50. ПХТ БФСС до Si

51. Снятие резиста

52. Х/О

53. Оплавление контакта 850С 30' N₂ (сглаживание рельефа в контакте для улучшение к – та запыления Al )

54. Освежение (30сек, 1% HF)

55. Нанесение Al-Si d = 0,5мкм (разводка 1)

56. Ф/л “разводка 1”

57. АПХТ Al-Si (плазмообразующая смесь на основе CCl₄)

58. Снятие резиста

59. Нанесение SiO₂ d = 0,8мкм

60. Нанесение резиста d = 2,0мкм (планаризация рельефа фоторезистом)

61. ПХТ резиста + SiO₂ с одинаковой скоростью до Al (метод горящей маски — выравнивания рельефа)

62. Нанесение ФСС 430С d =0,8мкм 3-5% фосфора (вторая межслойка)

63. Ф/л “контакты”

64. ПХТ до Al-1

65. Снятие резиста

66. Освежение

67. Нанесение Al-2 d =1мкм (С плазменной зачисткой контактных окон)

68. Ф/л “разводка 2”

69. ПХТ Al-2 (CCl₄)

70. Снятие резиста

71. Нанесение ФСС 3-5% d=0,8мкм (пассивация)

72. Ф/л “площадки”

73. Травление ФСС

74. Снятие резиста

75. Вжигание Al 430С 20 мин, H₂+N₂ (форминг - газ)

76. Контроль ВАХ

Использование систем компьютерного проектирования и моделирования технологии в микроэлектронике позволяет разработчику технологии ИМС отрабатывать технологические режимы с целью их оптимизации для достижения требуемых физико-топологических параметров приборов. Кроме того, включение этих методов и средств в сферу автоматизированного производства ИМС позволяет эффективно и наиболее оптимальным способом "вмешиваться" в технологический процесс с целью исправления "ошибки" на определенном этапе технологического маршрута, выявленной на его выходе или на промежуточном этапе. По данным зарубежной печати компьютерное проектирование технологии изготовления приборов и интегральных микросхем в целом позволяет на три порядка снизить финансовые затраты, требующиеся при лабораторных отработках технологии.

Кроме того, следует отметить, что результаты компьютерного моделирования (другими словами, "компьютерного эксперимента") могут опережать развитие 'know-how" технологий, т.е. в принципе можно построить модель технологической операции, не реализованной на практике (такую ситуацию можно представить, например, при моделировании технологии изготовления интегральных схем на сверхрешетках). С другой стороны, решение задачи моделирования технологических операций формирования структурных элементов интегральных микросхем позволяет проводить целенаправленный поиск физических методов и технологических параметров для осуществления на практике той или иной технологии, т.е. результаты компьютерного моделирования оказываются полезными при разработке и улучшении технологических операций.

Последние годы развития микроэлектроники связаны с широким внедрением в производство больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС), что обуславливает необходимость разработки новых технологических процессов и новых подходов при их проектировании. В настоящее время создаются кремневые микросхемы на биполярных и полевых транзисторах, на транзисторах с барьером Шотки.

Быстрое развитие полупроводниковой электроники и отставание физико-химических исследований привели к тому, что технология полупроводниковых приборов и микросхем в течение длительного времени носило эмпирический характер. В последние годы уделяется большое внимание теоретическому анализу технологических процессов:

• разработаны модели основных технологических операций;

• компьютерное моделирование и проектирование становится основой в разработке технологических циклов создания микросхем.

Интегральные микросхемы в зависимости от технологии изготовления могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными.

Полупроводниковые микросхемы состоят из активных и пассивных элементов, изготовленных в одном монокристалле полупроводника. Полупроводниковые микросхемы обладают рядом преимуществ по сравнению с гибридными: возможность достижения чрезвычайно высокой степени интеграции; высокая надежность (примерно на порядок выше, чем у гибридных микросхем); меньшие геометрические размеры и масса. Однако эти микросхемы имеют и некоторые недостатки, к числу которых относятся: ограниченность номинальных значений параметров элементов; значительная температурная зависимость характеристик активных и пассивных элементов, что усложняет конструирование схем; наличие паразитных взаимодействий между элементами, вызывающих ухудшение качества схем; трудность получения малых пределов допусков пассивных элементов.

Технология изготовления гибридных микросхем основана на последовательном нанесение пленочных пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, внутрисхемных соединений) на единую изолирующую подложку с последующим подсоединением активных полупроводниковых приборов, микросхем в виде отдельных навесных деталей. Технология гибридных микросхем сравнительно проста и требует меньших, чем полупроводниковая технология, начальных затрат на оборудование, помещение, подсобные службы. При мелкосерийном производстве гибридные микросхемы дешевле полупроводниковых (примерно одной и той же функциональной сложности). Этот класс микросхем обладает рядом достоинств, к числу которых в первую очередь относится возможность использования самых разнообразных активных элементов, что позволяет создавать схемы с широким диапазоном выполняемых функций. Номинальные значения пассивных элементов гибридных микросхем могут изменяться в очень широких пределах, причем воспроизведение номинала может быть достигнуто с высокой точностью. Кроме того, элементы гибридных микросхем характеризуются высокой температурой и временной стабильностью.

При выборе конструкции микросхемы решающими факторами являются: назначение и выполняемые функции микросхемы; элементная база микросхемы, разброс номиналов пассивных элементов, рассеиваемые ими мощности; допуски номиналов элементов; объемы производства микросхем; особые требования, предъявляемые к работе приборов; условия эксплуатации микросхемы.

Развитие полупроводниковой электроники, наряду с разработкой технологических методов, включало физические исследование принципов работы различных приборов, изобретение новых приборов, совершенствование методов очистки полупроводниковых материалов, проведение физико-химических исследований с целью установления таких важнейших фундаментальных характеристик, как предельные растворимости примесей, коэффициенты диффузии донорных и акцепторных примесей и др. Бурное развитие микроэлектроники в течение последних трех десятилетий беспрецедентно в мировой истории технологии. И этот процесс не проявляет тенденции к замедлению. В настоящее время стоит вопрос о создании приборов микроэлектроники с гигамасштабной степенью интеграции (10⁹ вентилей на чип). Получение таких приборов должно быть обеспечено технологией на физическом пределе их функционирования.

Начиная с 90-х годов, проводятся интенсивные научные и прикладные исследования по созданию приборных структур с характерными геометрическими размерами 1…100 нанометров (10^-3 – 10^-1 микрон). Наноэлектроника / нанотехнология исследуют проблемы, связанные с созданием приборов и структур на молекулярном уровне. В качестве перспективных изделий наноэлектроники рассматриваются плоскостные транзисторы (in-plane gate transistors), элементы памяти, терагерцовые (10³ GHz) приборы и системы, в том числе приборы, в которых используются вискеры (whiskers) в качестве контактов с окисной пленкой – барьером Шотки, приборы управления электронно-лучевыми процессами, элементы оптоэлектроники, сенсорные датчики и пр.

Современный процесс изготовления БИС представляет собой последовательность десятков технологических операций, являющихся комбинацией лишь небольшого числа так называемых базовых операций. К базовым операциям относятся:

легирование (имплантационное и диффузионное);

“разгонка” примесей посредством высокотемпературной обработки;

модификация поверхности (окисление, эпитаксия, осаждение поликремния, металлизация);

литография (перенос рисунка обрабатываемой структуры на поверхность пластины).

Задача моделирования технологиии изготовления БИС состоит в построении адекватных физических моделей базовых операций, в выборе наиболее оптимальных с точки зрения быстродействия и точности расчетов численных методов интегрирования уравнений, описывающих физические процессы, сопровождающие технологические операции, и в согласовании отдельных моделей базовых операций в процессе построения сквозного технологического маршрута с целью получения на выходе профилей распределения концентраций электрически активных примесей в структурных областях изготавливамой схемы и ее характерных геометрических размеров. Эти результаты являются входными параметрами для проектирования электрических характеристик прибора и схемы в целом .

Следует отметить, что в качестве предварительного этапа численного моделирования технологии формирования элементов БИС обычно проводится оценка параметров технологических операций в инженерно-физическом приближении [6].

К настоящему времени разработан целый ряд программных комплексов для проектирования технологии изготовления БИС [7]. В таблице представлены основные характеристики наиболее известных и используемых при проектировании технологии изготовления БИС компьютерных программ.

Каждая из приведенных в таблице программ моделирования технологии изготовления интегральных микросхем обладает своими достоинствами и недостатками, связанными с теми целями, которые преследовались при их создании.

Программа SUPREM I [8] представляет собой совокупность программ моделирования имплантации (четыре типа имплантируемых примесей, двухслойная структура, форма профиля распределения концентрации имплантированных примесей – две полугауссианы), термического отжига в окислительной среде с простым представлением коэффициентов диффузии примесей и автолегирования растущей эпитаксиальной пленки кремния.

Программа SUPREM II [9] дополнена распределением PEARSON-IV имплантированных примесей; в ней учтены фактор усиления коэффициентов диффузии примесей в условиях окисления и эффект кластерообразования, а так же зависимости коэффициентов диффузии от параметров окислительной среды.

В программе SUPREM III [10] профиль распределения имплантированных примесей рассчитывается путем решения транс портного уравнения Больцмана; при расчете коэффициентов диффузии примесей учтен эффект высокого уровня легирования; в исходное уравнение диффузии введен дрейфовый член, обусловленный наличием заряженных примесей; автолегирование эпипленки при ее росте из легированной подложки рассчитывается путем решения уравнения второго закона Фика с соответствующими граничными условиями.

Таблица

Основные характеристики программ моделирования