Материал: Методические указания к лабораторным работам № 1-4 «Проектирование топологии ИМС» по дисциплинам «Микро- и нанотехнологии производства электронных средств». Бадаев А.С., Борисов В.И

Для выполнения задания необходимо ознакомиться с материалом /1, с. 248-258; 2, с. 103-111/. Транзисторы со структурой МДП (МДПТ) представляют собой одну из разновидностей полевых транзисторов – активных полупроводнико­вых приборов, в которых используются эффекты дрейфа основных носителей под действием продольного электрического поля и моду­ляции дрейфового тока поперечным электрическим полем. Действие полевых транзисторов основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называют униполярными в отличие от биполярных, использующих оба типа носителей.

МДПТ имеют существенные преимущества перед би­полярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь от­носительно невелики, в принципе, отсутствует необходимость их изо­ляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокие входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стои­мость).

В то же время БИС на МДПТ уступают БИС на бипо­лярных транзисторах в технологической воспроизводимости, ста­бильности параметров и быстродействии.

Рис. 1. Конструкция МДП транзистора

МДПТ имеет четыре электрода: исток, сток, затвор и подложку (см. рис 1). Полупроводниковая область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока, – каналом, область, к которой под дей­ствием поля движутся (дрейфуют) основные носители, – стоком, металлическая или полупроводниковая область, используемая для создания модуляции дрейфового тока, – затвором. Подложка явля­ется конструктивной основой МДПТ.

Области истока и стока одного типа электропроводности формируют на не­котором расстоянии l_k друг от друга ло­кальной диффузией или ионным леги­рованием (рис. 1). Они самоизолиро­ваны друг от друга p-n переходами. Между ними поверх слоя диэлект­рика расположен затвор, выполненный из проводящего материала.

Рис. 2. Структуры и условные обозначения МДПТ со встроенными

п-(а) и р-каналом (б), с индуцированными п- (в) и р-каналом (г);

И - исток; 3 — затвор; С — сток; П — подложка

В зависимости от типа основных носителей тока в канале раз­личают п-канальные и р-канальные МДПТ. По конструктивно-технологическому исполнению МДПТ подраз­деляют на две разновидности: со встроенным и с индуцированным каналами (рис.2). Встроенный канал предусмотрен конструктивно и создается на этапе производства транзистора легированием при­поверхностной области между истоком и стоком.

Электрическое сопротивление канала зависит от его длины l_k и ширины b_k, оно модулируется напряжением на затворе и, и зави­сит от напряженности наведенного поля в полупроводнике, обратно пропорционально толщине диэлектрика и прямо пропорционально диэлектрической проницаемости диэлектрика ε_Д.

Помимо деления МДПТ по основному признаку – способу формирования и типу электропроводности проводящего ка­нала – существует и более детальная классификация, учитывающая конструктивно-технологическое исполнение МДПТ, например по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми, поликремниевыми затворами); сочетанию с другими элементами в микросхеме, например комплементарные МДПТ (КМДПТ), т. е. взаимодополняющие, сформированные в одном кристалле р- и п-канальные транзисторы; по функциям, вы­полняемым в схеме, например активные и нагрузочные транзисторы.

Нагрузочные МДПТ используют в составе микросхем в качестве резисторов. Необходимое значение сопротивления канала этих транзисторов создается конструктивно (выбором геометриче­ских размеров канала) и схемотехнически (подачей на его затвор потенциала определенной величины).

МДПТ могут служить в схеме и в качестве конден­саторов, для чего можно использовать емкости структур затвор – подложка или емкости обратносмещенных р-п переходов сток (исток) – подложка.

Таким образом, МДПТ может быть основным и единст­венным элементом МДП-микросхем. Он может выполнять функции как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усили­тельный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный тран­зистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проекти­ровании МДП-микросхем можно обходиться только одним элемен­том – МДПТ, конструктивные размеры которого и схе­ма включения будут зависеть от выполняемой функции. Это обстоя­тельство дает существенный выигрыш в степени интеграции (полу­проводниковые резисторы и конденсаторы занимают большую пло­щадь и требуют для себя отдельную изолированную область, кроме того, наличие пассивных полупроводниковых элементов влечет за собой появление дополнительных паразитных элементов, в частности паразитных емкостей, существенно ухудшающих частотные свойства микросхем).

2.2. Задание №2 Изучить конструкцию и материалы элементов разводки в мдп-имс

Методические указания по выполнению второго задания

Для выполнения второго задания следует изучить материал /3, с. 129-132/. В микросхемах на МДПТ в качестве элементов коммутации используют высоколегированные диффузионные шины с низкими значениями сопротивления. Эти шины изолированы от объема полупроводниковой подложки обратносмещенным р-п пере­ходом (рис. 3), а сверху покрыты изолирующей пленкой SiO₂, по поверхности которой прокладываются металлические проводя­щие дорожки (алюминий) в направлении, перпендикулярном рас­положению диффузионных шин. При использовании в качестве затворов поликристаллического кремния (ППК) создается еще один (третий) уровень разводки. Для этого проводящие дорожки формируют при диффузионном или ионном легировании ППК. Удельное поверхностное сопротивление токоведущих сигнальных шин в МДП БИС имеет следующее значение: для алюминиевых шин p_s ≤ 0,05 Ом/□, для диффузионных шин р⁺-типа p_s ≤ 50 Ом/□, для диффузионных шин n⁺-типа p_s ≤ 10 Ом/□, для шин из ППК p_s ≤ 40 Ом/□.

По мере уменьшения размеров элементов СБИС возникают новые требова­ния к материалам и технологии создания разводки.

Предназначенные для создания затворов и соединяющих их шин разводки ППК обладают существенными преимуществами: низкие пороговое напряжение и контактное сопротивление с шинами других уровней разводки и с монокристаллическим кремнием; плавное перекрытие крутых ступе­нек; стабильность границ раздела ППК – окисел, ППК – крем­ний; высокая разрешающая способность литографических процес­сов.

Рис. 3. Элементы коммутации в полупроводниковой микросхеме

1 – металлизация обратной стороны подложки; 2 – монокристаллический кремний n-типа; 3 – пленка SiO₂; 4 – алюминиевая шина ком­мутации

Однако при ширине дорожек менее 2 мкм высокое сопротивле­ние ограничивает применение пленок ППК.

Уменьшить сопротивление разводки можно, применив пленки тугоплавких металлов или их силицидов. Они имеют низкое поверхностное сопротивление; наносимые поверх пленок ПК (рис. 4), они играют роль шунта поликремниевой шины разводки. Металлические молибденовые или вольфрамовые шунты требуют нанесения защитного слоя, предотвращающего их от окисления. У вольфрамовых пленок при толщине 0,12 мкм p_s ≈ l Ом/□. Посколь­ку химическое или иное травление пленок Мо и W – процесс слож­ный, а на заключительных этапах создания микросхем на МДП-транзисторах даже нежелательный, разработаны методы селектив­ного осаждения этих материалов на поверхность пленок ПК. Среди силицидов тугоплавких металлов привлекают к себе внимание силицид молибдена и силицид вольфрама. Использованный для формирования затворов и раз­водки силицид молибдена MoSi­₂ при толщине пленки 0,3 мкм имеет ρ_s = 3,5 Ом/□. Столь низкое удельное поверхностное, сопротивле­ние позволяет уменьшить задержку из-за распределенных сопро­тивлений и емкостей в линиях связи примерно в десять раз по срав­нению с задержкой, свойственной приборам с поликремниевыми затворами и разводкой.

Рис. 4. Коммутация в МДП БИС с исполь­зованием легированного поликремния (а) и поликремния с шунтом из тугоплавких пере­ходных металлов (W, Мо) или их силици­дов (б):

1— кремниевая подложка; 2 – пленка SiO₂,; 3 – пленка поликристаллического кремния; 4— пленка переходного металла (или силицида)

При создании соединений между элементами БИС возникают собственные требования: устойчи­вость к электромиграции при высоких плотностях тока, равномерное плавное перекрытия ступенек в слое диэлектрика, устойчи­вость к коррозии и возможность хорошей приварки проволочных выводов.

Оценки показывают, что при размерах элементов в несколько мкм алюминиевые сплавы обладают преимущест­вами. Однако с уменьшением ширины дорожек до 1 мкм сущест­венную роль начинают играть три недостатка: ограниченные воз­можности алюминия с точки зрения пропускания через него тока, его недостаточно стабильный контакт с кремнием и его склонность к коррозии.

Любая возможная замена алюминия имеет свои недостатки, но вольфрам обладает наиболее перспективным сочетанием свойств. Вольфрам, по-видимому, будет наиболее перспективным металлом для создания разводки.

Диэлектрики, разделяющие слои разводки, должны удовлетворять следующим требованиям: пленки не должны иметь значительных механических напряжений и должны быть устойчивыми к растрески­ванию, они должны содержать минимум дефектов, обеспечивать гладкую поверхность, пленка должна быть барьером для пере­носа примесей и обладать низкой диэлектрической постоянной.

Для получения гладкого рельефа пленок их осаждение и отжиг должен производиться при возможно более низких температурах.

В основном в качестве межслойных диэлектриков применяют пленки SiO₂, осажденные из газовой фазы и из плазмы, а также пленки нитрида кремния, фосфоросиликатного и борофосфоросиликатных стекол. К этому следует добавить полиимидные пленки, особенно с учетом того, что они позволяют улучшить планарность.

3. Вопросы к домашнему заданию

1. Что представляет собой МДПТ? На каких принципах основано его действие?

2. В чем заключаются преимущества и недостатки МДПТ по сравнению с биполярным транзистором?

3. Опишите конструкцию МДПТ.

4. Какие виды МДПТ Вы знаете?

5. Приведите конструкцию и топологию МДПТ со встроенным каналом.

6. Приведите конструкцию и топологию МДПТ с индуцированным каналом.

7. В качестве каких элементов могут служить МДПТ в МДП-ИМС? Какие преимущества это дает?

8. Какие материалы используются в МДП-ИМС в качестве элементов коммутации? Какими методами они формируются?

9. Приведите основные характеристики шин разводки на основе алюминия и ППК.

10. Какие преимущества и ограничения имеет разводка с применением ППК?

11. Что характерно для разводки на основе пленок тугоплавких металлов и их силицидов? Какими методами получают такую разводку?

12. Какие параметры имеет разводка из силицида молибдена MoSi₂? Какими преимуществами она обладает по сравнению с ППК?

13. Какие требования возникают при создании коммутации в БИС?

14. Каким требованиям должны удовлетворять диэлектрические пленки, разделяющие слои разводки?

15. Какие материалы применяют в качестве межслойных диэлектриков? Какими методами их получают?

4. Лабораторные задания и Методические указания по их выполнению

1. Задание №1

Провести топологическое проектирование МДП-транзистора в САПР Cadence Virtuoso (рис. 5). Для топологического проектирования МДП-транзистора необходимо знать его геометрические характеристики: длину и ширину. Рассмотрим 1 вариант задания. Согласно заданию нужно спроектировать МДП-транзистор p-типа с длинной канала L = 1 микрон, ширина W = 5.3 микрон (рис. 6).

Рис. 5. Топология транзистора в САПР Cadence Virtuoso

Запускаем САПР Cadence Virtuoso, далее в библиотеке VGTU (Library Manager) создаем новую ячейку (File→New Cell). Далее слоем oxide создаем основу транзистора, рисуем прямоугольник с шириной (W) 5.3 мкм.

Рис. 6. Длинна (L) и ширина (W) транзистора, где затвор (а) и слой oxide (б)

После необходимо произвести определение типа проводимости транзистора, в данном случае у нас p-проводимость, необходимо слой oxide перекрыть слоем Pimp.

Если транзистор n-проводимости, то слой oxide перекрывают слоем Nimp. Слой Nipm или Pimp должен быть больше слоя oxide на 0.5 мкн.

После создания слоя диффузии и определения проводимости, создаем область затвора, с длинной (L) 1 микрон. Затвор состоит из поликремния (poly) (Рис. 7,а).

Для транзистор p-типа необходимо сделать карман (слой nwell), т.к. подложка интегральных микросхем имеет проводимость p-типа. Слойn nwell должен окружать слой oxide на расстояние 1 мкн.

В завершение топологического проектирования транзистора создаются контакты к затвору, стоку и истоку. При проектирование важно использовать функцию Ruler. Для этого в меню Tools необходимо выбрать Create Ruler.

Варианты лабораторного задания представлены в таблице