Самовыравнивающиеся ворота - Self-aligned gate

В электроника, а самовыравнивающиеся ворота это транзистор особенность изготовления, при которой огнеупор ворота электродная область МОП-транзистор (полевой транзистор металл – оксид – полупроводник) используется в качестве маски для легирования источник и осушать регионы. Этот метод гарантирует, что затвор будет слегка перекрывать края истока и стока.

Применение самовыравнивающихся ворот в МОП транзисторы - одно из ключевых нововведений, которое привело к значительному увеличению вычислительной мощности в 1970-х годах. Самовыравнивающиеся ворота до сих пор используются в большинстве современных Интегральная схема процессы.

Вступление

Схема стандартного полевого МОП-транзистора

Конструкция ИС

Интегральные схемы (ИС или «микросхемы») производятся в многоэтапном процессе, в ходе которого на поверхности кремниевого диска, известного как "вафля ". Каждый слой создается путем покрытия пластины в фоторезист а затем подвергая его ультрафиолетовый свет, просвечивающий сквозь трафарет "маска ". В зависимости от процесса фоторезист, подвергшийся воздействию света, либо твердеет, либо размягчается, и в любом случае более мягкие части затем смываются. В результате получается микроскопический узор на поверхности пластины, на котором обнажается силикон, пока остальное защищено оставшимся фоторезистом.

Затем пластина подвергается различным процессам, которые добавляют или удаляют материалы из частей пластины, которые не защищены фоторезистом. В одном распространенном процессе пластина нагревается примерно до 1000 ° C, а затем подвергается воздействию газа, содержащего легирующий материал что изменяет электрические свойства кремния. Это позволяет кремнию стать донором электронов, рецептором электронов или изолятором в зависимости от присадки. В типичной конструкции ИС[а] этот процесс используется для создания индивидуального транзисторы которые составляют ключевые элементы ИС.

в МОП-транзистор В конструкции (полевой транзистор металл – оксид – полупроводник) три части транзистора - исток, сток и затвор (см. схему). Они отделены друг от друга материалами, которые обычно являются изоляционными. «Эффект поля» в названии относится к изменениям проводимости, которые происходят, когда на затвор подается напряжение. Это создает электрическое поле, которое заставляет материал между истоком и стоком становиться проводящим, что приводит к включению транзистора. Поскольку ток не течет от затвора к стоку, энергия переключения полевого транзистора очень мала по сравнению с более ранними типами транзисторов, где затвор (или база, как это было известно) находился на одной линии с током.

Старая методология

В ранних методологиях изготовления ИС проводка между транзисторами выполнялась из алюминий. Алюминий плавится при 660 ° C, поэтому его нужно было наносить на одном из последних этапов процесса после того, как все этапы легирования были завершены при 1000 ° C.

В общем случае пластина в целом сначала смещается, чтобы иметь определенное электрическое качество, на иллюстрации основной материал смещен положительно, или «p». Затем маска используется для создания областей, в которых будут размещены отрицательные части транзисторов. Затем пластина нагревается примерно до 1000 ° C и подвергается воздействию газа, который диффундирует в поверхность пластины для получения «n» участков. Затем поверх пластины накладывается тонкий слой изоляционного материала. Наконец, поверх изоляционного слоя наносится рисунок ворот.

Фотомаска и литография несовершенны, поэтому исток и сток не идеально параллельны друг другу. Более того, когда пластина перемещается от шага к шагу, ее необходимо тщательно выровнять, чтобы новая маска находилась в правильном положении относительно предыдущих шагов, и это выравнивание никогда не бывает идеальным. Чтобы затвор действительно перекрывал нижележащие исток и сток, материал затвора должен быть шире, чем зазор между n секциями, обычно в три раза.

В результате ворота содержат значительное количество металла, который действует как конденсатор. Этот паразитная емкость требует, чтобы весь чип работал на высоких уровнях мощности, чтобы обеспечить чистое переключение. Кроме того, несовпадение затвора с нижележащими истоком и стоком означает, что существует высокая изменчивость от кристалла к кристаллу, даже если они работают правильно.

Самовыравнивание

Самовыравнивающиеся ворота развивались в несколько этапов до их нынешнего вида. Ключевым достижением стало открытие того, что сильно легированный кремний был достаточно проводящим, чтобы заменить алюминий. Это означало, что слой ворот может быть создан на любом этапе многоэтапного процесс изготовления.

В процессе самовыравнивания пластину сначала готовят, покрывая ее изолирующим слоем, что раньше делалось ближе к концу процесса. Затем на затвор наносится узор сверху и сильно легируется. Затем n-секции формируются с использованием маски, которая представляет только внешние края истока и стока, внутренний край этих секций маскируется самим затвором. В результате исток и сток «самовыравниваются» относительно затвора. Поскольку они всегда идеально расположены, нет необходимости делать затвор шире, чем хотелось бы, а паразитная емкость значительно снижается. Время выравнивания и вариабельность от чипа к чипу также сокращаются.[1]

После первых экспериментов с различными материалами ворот с использованием алюминий, молибден и аморфный кремний, то полупроводниковая промышленность почти повсеместно принятые самовыравнивающиеся вентили из поликристаллического кремния, так называемые кремниевый затвор (SGT), у которого было много дополнительных преимуществ по сравнению с уменьшением паразитных емкостей. Одной из важных особенностей SGT было то, что кремниевый затвор был полностью похоронен под термооксидом высшего качества (один из лучших известных изоляторов), что позволяло создавать новые типы устройств, которые невозможно реализовать с помощью традиционной технологии или с самовыравнивающимися затворами, изготовленными из других материалов. материалы. Особенно важны устройства с зарядовой связью (CCD), используемый для датчиков изображения и устройств энергонезависимой памяти, использующих структуры с плавающим кремниевым затвором. Эти устройства значительно расширили диапазон функциональных возможностей, которые могли быть достигнуты с помощью твердотельной электроники.

Для изготовления самовращающихся ворот потребовались определенные нововведения:[2]

До этих нововведений самовыравнивающиеся ворота демонстрировались на металлические ворота устройств, но их реальное влияние было на кремниевые затворы.

История

Первый МОП-транзистор был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 г.[3][4] Они использовали кремний как материал канала и несамоцентрирующийся алюминий (Al) ворота.[5] В алюминиевые ворота Технологический процесс МОП начался с определения и легирования областей истока и стока МОП-транзисторов, за которыми последовала маска затвора, которая определяла область тонкого оксида транзисторов. После дополнительных этапов обработки алюминиевый затвор будет сформирован над областью тонкого оксида, что завершит изготовление устройства. Из-за неизбежного рассогласования маски затвора по отношению к маске истока и стока необходимо было иметь довольно большую площадь перекрытия между областью затвора и областями истока и стока, чтобы гарантировать, что область тонкого оксида будет перекрывать источник и сток, даже в худшем случае смещения. Это требование привело к появлению паразитных емкостей затвор-исток и затвор-сток, которые были большими и изменялись от пластины к пластине, в зависимости от несоосности оксидной маски затвора относительно маски истока и стока. Результатом был нежелательный разброс в быстродействии производимых интегральных схем и гораздо меньшая скорость, чем это теоретически возможно, если бы паразитные емкости могли быть уменьшены до минимума. Емкость перекрытия с наиболее неблагоприятными последствиями для производительности была паразитной емкостью затвор-сток, Cgd, которая, благодаря хорошо известному эффекту Миллера, увеличивала емкость затвор-исток транзистора на Cgd, умноженную на коэффициент усиления цепь, частью которой был этот транзистор. Результатом стало значительное снижение скорости переключения транзисторов.

В 1966 г. Роберт В. Бауэр поняли, что если бы электрод затвора был определен первым, можно было бы не только минимизировать паразитные емкости между затвором, истоком и стоком, но также сделать их нечувствительными к несовпадению. Он предложил метод, в котором сам алюминиевый электрод затвора использовался в качестве маски для определения областей истока и стока транзистора. Однако, поскольку алюминий не выдерживал высоких температур, необходимых для обычного легирования переходов истока и стока, Бауэр предложил использовать ионную имплантацию - новый метод легирования, который все еще разрабатывается в Hughes Aircraft, его работодателе, и пока недоступен в других лабораториях. . Хотя идея Бауэра была концептуально разумной, на практике она не сработала, потому что было невозможно адекватно пассивировать транзисторы и исправить радиационные повреждения, нанесенные кристаллической структуре кремния ионной имплантацией, поскольку эти две операции потребовали бы слишком высоких температур. из тех, что уцелели алюминиевые ворота. Таким образом, его изобретение явилось доказательством принципа, но коммерческая интегральная схема никогда не производилась с использованием метода Бауэра. Требовался более огнеупорный материал затвора.

В 1967 году Джон С. Сарас и его сотрудники из Bell Labs заменили алюминиевый затвор электродом из аморфного кремния, испаренного в вакууме, и им удалось создать работающие МОП-транзисторы с самовыравнивающимся затвором. Однако описанный процесс был лишь доказательством принципа, подходящим только для изготовления дискретных транзисторов, но не для интегральных схем; и больше не преследовался следователями.

В 1968 году промышленность МОП преимущественно использовала транзисторы с алюминиевым затвором с высокое пороговое напряжение (HVT) и хотели иметь низкое пороговое напряжение (LVT) MOS-процесс для увеличения скорости и уменьшения рассеиваемой мощности МОП интегральные схемы. Транзисторы с низким пороговым напряжением и алюминиевым затвором требовали использования кремниевой ориентации [100], которая, однако, давала слишком низкое пороговое напряжение для паразитных МОП-транзисторов (МОП-транзисторы, создаваемые, когда алюминий над оксидом поля перекрывал два перехода). Чтобы увеличить паразитное пороговое напряжение сверх напряжения питания, необходимо было увеличить уровень легирования N-типа в выбранных областях под полевым оксидом, и это первоначально было достигнуто с использованием так называемой маски ограничителя канала, а затем с ионной имплантацией.

Разработка технологии кремниевого затвора в Fairchild

SGT был первым технологическим процессом, использованным для изготовления коммерческих МОП-интегральных схем, который позже получил широкое распространение во всей отрасли в 1960-х годах. В конце 1967 года Том Кляйн, работая в Fairchild Semiconductor R&D Labs и отчетность перед Les Vadasz, понял, что рабочая функция Разница между сильно легированным кремнием P-типа и кремнием N-типа была на 1,1 В ниже, чем разница в работе выхода между алюминием и тем же кремнием N-типа. Это означало, что пороговое напряжение МОП-транзисторов с кремниевым затвором могло быть на 1,1 В ниже порогового напряжения МОП-транзисторов с алюминиевым затвором, изготовленным из того же исходного материала. Следовательно, можно использовать исходный материал с ориентацией кремния [111] и одновременно получить как адекватное паразитное пороговое напряжение, так и транзисторы с низким пороговым напряжением без использования маски ограничителя канала или ионной имплантации под оксид поля. Таким образом, с кремниевым затвором, легированным P-типом, было бы возможно не только создавать самовыравнивающиеся транзисторы затвора, но и процесс с низким пороговым напряжением, используя ту же ориентацию кремния, что и процесс с высоким пороговым напряжением.

В феврале 1968 г. Федерико Фаггин присоединился Les Vadasz '' и был назначен ответственным за разработку техпроцесса МОП с самовыравнивающимся затвором с низким пороговым напряжением. Первой задачей Фаггина было разработать решение для прецизионного травления затвора из аморфного кремния, а затем он создал архитектуру процесса и подробные этапы обработки для изготовления МОП-микросхем с кремниевый затвор. Он также изобрел «скрытые контакты», метод создания прямого контакта между аморфным кремнием и кремниевыми переходами без использования металла, метод, который позволил значительно повысить плотность схемы, особенно для схем со случайной логикой.

После проверки и описания процесса с помощью разработанного им тестового шаблона, Фаггин к апрелю 1968 года создал первые работающие МОП транзисторы с кремниевым затвором и тестовые структуры. Затем он разработал первую интегральную схему с кремниевым затвором, Fairchild 3708, 8-разрядный аналог. мультиплексор с логикой декодирования, который имел ту же функциональность, что и Fairchild 3705, производственная ИС с металлическими затворами, которую Fairchild Semiconductor с трудом изготовила из-за ее довольно жестких спецификаций.

Доступность модели 3708 в июле 1968 года предоставила также платформу для дальнейшего улучшения процесса в течение следующих месяцев, что привело к отгрузке первых 3708 образцов клиентам в октябре 1968 года и сделало их коммерчески доступными для общего рынка до конца 1968. В период с июля по октябрь 1968 года Фаггин добавил к процессу два дополнительных важных шага:

  • Замена аморфного кремния, испаренного в вакууме, на поликристаллический кремний, полученный осаждением из паровой фазы. Эта стадия стала необходимой, поскольку испаряющийся аморфный кремний действительно разрушался там, где он проходил через «ступеньки» на поверхности оксида.
  • Использование геттерирования 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 по-прежнему мешал технологии МОП с алюминиевым затвором (МОП-транзисторы с алюминиевым затвором не подходили для геттерирования фосфора из-за необходимой высокой температуры).

С кремниевым затвором долговременная надежность МОП-транзисторов вскоре достигла уровня биполярных ИС, что устранило одно из основных препятствий на пути широкого внедрения МОП-технологии.

К концу 1968 года технология кремниевого затвора достигла впечатляющих результатов. Хотя модель 3708 была разработана так, чтобы иметь примерно такую ​​же площадь, что и 3705, чтобы облегчить использование того же производственного оборудования, что и 3705, ее можно было сделать значительно меньше. Тем не менее, он имел лучшие характеристики по сравнению с 3705: он был в 5 раз быстрее, имел примерно в 100 раз меньше тока утечки, а сопротивление включения больших транзисторов, составляющих аналоговые переключатели, было в 3 раза ниже.[нужна цитата ]

Коммерциализация в Intel

Технология кремниевого затвора (SGT) была принята Intel с момента основания (июль 1968 г.), и через несколько лет она стала основной технологией для производства интегральных схем МОП во всем мире, действующей по сей день. Intel также была первой компанией, разработавшей энергонезависимую память на транзисторах с плавающим кремниевым затвором.

Первый микросхема памяти использовать технологию кремниевого затвора был Intel 1101 SRAM (статический оперативная память ) чип, сфабрикованный в 1968 г. и продемонстрирован в 1969 г.[6] Первый коммерческий однокристальный микропроцессор, то Intel 4004, был разработан Фэггином с использованием его технологии МОП-микросхемы с кремниевым затвором вместе Марсиан Хофф, Стэн Мазор и Масатоши Шима.[7]

Оригиналы документов на SGT

  • Бауэр Р. У. и Дилл Р. Г. (1966). «Полевые транзисторы с изолированным затвором, изготовленные с использованием затвора в качестве маски исток-сток». IEEE International Electron Devices Meeting, 1966 г.
  • Фаггин Ф., Кляйн Т. и Вадаш Л .: "Интегральные схемы полевого транзистора с изолированным затвором и кремниевыми затворами". IEEE International Electron Devices Meeting, Вашингтон, округ Колумбия, 1968 г. [1]
  • США 3475234, Kerwin, R.E .; Кляйн, Д. Л. и Сарас, Дж. К., "Метод создания структуры MIS", выпущенный 28-10-1969. 
  • Федерико Фаггин и Томас Кляйн: «Более быстрое создание МОП-устройств с низкими порогами движения идет на вершине новой волны, микросхем с кремниевым затвором». Заглавная статья на Fairchild 3708, журнал "Electronics", 29 сентября 1969 года.
  • Vadasz, L. L .; Grove, A.S .; Rowe, T.A .; Мур, Г. (Октябрь 1969 г.). «Технология кремниевых ворот». IEEE Spectrum. С. 27–35.
  • Ф. Фаггин, Т. Кляйн "Технология кремниевых затворов", "Твердотельная электроника", 1970, Vol. 13. С. 1125–1144.
  • США 3673471, Klein Thomas & Faggin Federico, «Легированные полупроводниковые электроды для устройств типа MOS», выпущенный 27 июня 1972 года, передан Fairchild Camera and Instruments Corporation, Маунтин-Вью, Калифорния. 

Патенты

Конструкция самовыравнивающихся ворот была запатентована в 1969 году командой Кервина, Кляйна и Сарасе.[8]Он был независимо изобретен Роберт В. Бауэр (US 3,472,712, выдано 14 октября 1969 г., подано 27 октября 1966 г.). Лаборатория Белла Кервин и др. Патент 3475234 был подан только 27 марта 1967 года, через несколько месяцев после того, как Р. У. Бауэр и Х. Д. Дилл опубликовали и представили первую публикацию этой работы на Международной встрече по электронным устройствам в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1966 году.[9]

В судебном процессе с участием Бауэра Апелляционный суд третьего округа определил, что Кервин, Кляйн и Сарас были изобретателями самонастраивающегося транзистора с кремниевым затвором. На этом основании им был выдан основной патент США 3 475 234. Фактически, полевой МОП-транзистор с самовыравнивающимся затвором был изобретен Робертом У. Бауэром, США 3 472 712, выдан 14 октября 1969 г., подан 27 октября 1966 г. Патент Bell Labs Kerwin и др. 3475 234 был подан только 27 марта 1967 г., через несколько месяцев после RW Бауэр и Х.Д. Дилл опубликовали и представили первую публикацию этой работы под названием ИЗОЛИРОВАННЫЕ ВОРОТНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПОЛЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОРОТА КАК ИСТОЧНИК-ДРЕНАЖНАЯ МАСКА на Международной конференции по электронным устройствам, Вашингтон, округ Колумбия, 1966. В работе Бауэра описывался самовыравнивающийся затвор MOSFET, изготовленный как с алюминиевыми, так и с поликремниевыми затворами. Он использовал ионную имплантацию 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 они обсудили эту работу с Бауэром после его презентации в 1966 году. Бауэр сначала сделал самовыравнивающиеся ворота, используя алюминий в качестве ворот, и до презентации в 1966 году изготовил устройство. используя поликремний в качестве затвора.

Самовыравнивающиеся ворота обычно включают ионная имплантация, еще одна инновация в области производства полупроводников 1960-х годов. Истории ионной имплантации и самовыравнивающихся вентилей тесно взаимосвязаны, как подробно изложил Р.Б. Фэйр в своей обстоятельной истории.[10]

Первым коммерческим продуктом, использующим технологию самонастраивающегося кремниевого затвора, был Fairchild 3708 8-битный аналоговый мультиплексор, 1968 г., разработанный Федерико Фаггин кто был пионером нескольких изобретений, чтобы превратить вышеупомянутые неработающие доказательства концепции в то, что промышленность фактически приняла впоследствии.[11][12]

Производственный процесс

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

Шаги процесса

Ниже приведены шаги по созданию самовыравнивающихся ворот:[13]

Чистое помещение, где выполняются эти шаги

Эти шаги были впервые созданы Федерико Фаггин и используется в процессе Silicon Gate Technology, разработанном в Fairchild Semiconductor в 1968 году для изготовления первой коммерческой интегральной схемы с его использованием, Fairchild 3708 [14]

1. Протравливаются лунки на оксиде поля там, где должны быть сформированы транзисторы. Каждая ячейка определяет области истока, стока и активного затвора МОП-транзистора.
2. Использование сухой термическое окисление процесса, тонкий слой (5-200 нм) оксид ворот (SiO2) выращивается на кремниевой пластине.
3. Использование химическое осаждение из паровой фазы (CVD), слой поликремния выращивается поверх оксида затвора.
4. Слой фоторезист наносится поверх поликремний.
5. На фоторезист накладывается маска и подвергается воздействию УФ-излучение; это разрушает слой фоторезиста в тех областях, где маска не защищала его.
6. Фоторезист экспонируется специальным проявителем. Это предназначено для удаления фоторезиста, разрушенного УФ-светом.
7. Поликремний и оксид затвора, который не покрыт фоторезистом, вытравливают методом буферного ионного травления. Обычно это кислотный раствор, содержащий плавиковая кислота.
8. Остаток фоторезиста удален с кремниевой пластины. Теперь есть пластина с поликремнием над оксидом затвора и над оксидом поля.
9. Тонкий оксид стравливается, открывая области истока и стока транзистора, за исключением области затвора, которая защищена затвором из поликремния.
10. Используя обычный процесс легирования или процесс, называемый ионной имплантацией, легируют исток, сток и поликремний. Тонкий оксид под кремниевым затвором действует как маска для процесса легирования. Этот шаг делает ворота самоустанавливающимися. Области истока и стока автоматически выравниваются с затвором (уже установленным).
11. Вафля отожженный в высокотемпературной печи (> 800 ° C или 1500 ° F). Это способствует дальнейшей диффузии легирующей примеси в кристаллическую структуру, образуя области истока и стока, и приводит к незначительной диффузии легирующей примеси под затвором.
12. Процесс продолжается осаждением из паровой фазы диоксида кремния для защиты открытых участков и всеми оставшимися этапами для завершения процесса.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Не все ИС содержат транзисторы.

Рекомендации

  1. ^ Янда, Хейнс и Миллер (2005). Демистификация производства чипов. стр.148 –149. ISBN  978-0-7506-7760-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  2. ^ Ортон, Джон Уилфред (2004). История полупроводников. п.114. ISBN  978-0-19-853083-1.
  3. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  4. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. стр.321 -3. ISBN  9783540342588.
  5. ^ Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы. Издательство Кембриджского университета. п. 164. ISBN  9780521873024.
  6. ^ Сах, Чжи-Тан (Октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF). Труды IEEE. 76 (10): 1280–1326 (1303). Дои:10.1109/5.16328. ISSN  0018-9219.
  7. ^ «1971: микропроцессор объединяет функции центрального процессора на одном кристалле». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  8. ^ Kerwin, R.E .; Klein, D. L .; Сарас, Дж. К. (1969). «Патент США 3,475,234 (Способ создания структуры MIS)». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ Бауэр, Р. У. и Укроп, Р. Г. (1966). «Полевые транзисторы с изолированным затвором, изготовленные с использованием затвора в качестве маски исток-сток». Встреча "Электронные устройства", 1966 г.. IEEE. 12: 102–104. Дои:10.1109 / IEDM.1966.187724.
  10. ^ Ричард Б. Фэйр (январь 1998 г.). «История некоторых ранних разработок в технологии ионной имплантации, ведущих к производству кремниевых транзисторов». Proc. IEEE. 86 (1): 111–137. Дои:10.1109/5.658764.
  11. ^ Джон А. Н. Ли (1995). Международный биографический словарь пионеров компьютеров, Том 1995, Часть 2. Тейлор и Фрэнсис США. п. 289. ISBN  978-1-884964-47-3.
  12. ^ Бо Лойек (2007). История полупроводниковой техники. Springer. п. 359. ISBN  978-3-540-34257-1.
  13. ^ Streetman, Бен; Банерджи (2006). Твердотельные электронные устройства. ФИ. С. 269–27, 313. ISBN  978-81-203-3020-7.
  14. ^ Фаггин Ф., Кляйн Т. и Вадаш Л .: "Интегральные схемы полевого транзистора с изолированным затвором и кремниевыми затворами". IEEE International Electron Devices Meeting, Вашингтон, округ Колумбия, 1968 г.