Technologie CMOS. Je to velmi malý svět. Technologie CMOS Lokální oxidace. Vytváření izolačních příkopů. Vytváření izolačních příkopů

Transkript

1 Je to velmi malý svět Technologie CMOS Více než tranzistorů v 45nm technologii může být integrováno na plochu tečky za větou. From The Oregonian, April 07, 2008 Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Technologie CMOS Lokální oxidace Růst termického oxidu: Velmi slabá vrstva SiO 2 (~200A) zmenšuje mechanické pnutí mezi křemíkem a budoucí vrstvou nitridu. Depozice Nitridu: Vrstva nitridu (Si 3 N 4 ) (~2500A) je nanesena metodou CVD (Chemical Vapor Deposition). Má za úkol zabránit oxidaci mimo izolační příkopy. Oxid SiO2 Maska AKTIVNÍ OBLASTI - Nanesení u : mikrometr silný Odleptání Nitridu a Oxidu: Reaktivní iontové leptání (RIE)

2 Leptání příkopů v křemíku: RIE Tímto krokem se definují aktivní oblasti, kde budou tranzistory Odstranění fotorezistu: Izolační příkopy Izolační příkopy Aktivní oblasti Aktivní oblasti Růst izolačního oxidu: pomocí lokální oxidace nebo metodou CVD. Oxid plní funkci izolace mezi jednotlivými tranzistory. Odstranění oxidu: Oxid je odstraněn z povrchu chemickomechanickým (Chemical Mechanical Polish CMP). CMP je nastaven tak, že skončí na vrstvě nitridu. Izolační příkop Izolační příkop Oxid křemíku SiO2 Budoucí PMOS Budoucí PMOS Odstranění Nitridu: Pomocí mokrého leptání v H 3 PO 4, dotvoříme izolační příkopy (Shallow Trench Isolation - STI) Vytváření jámy N- Maska N-Well : Nanesení silného fotorezistu, který zabraňuje implantaci příměsí do nežádoucích míst. Budoucí PMOS Budoucí PMOS

3 Vytváření jámy N- Implantace jámy N-: Fosfor je urychlován vysokou energií. Vytvoří se tak oblasti N- pro budoucí PMOS tranzistor. Odstranění fotorezistu: Vytváření jámy N- Implantace fosforu Vytváření jámy P- Vytváření jámy P- Maska P-Well: Nanesiní a vyvolání fotorezistu pro oblasti jámy P- Implantace jámy P-: Bór je urychlován vysokou energií. Vytvoří se tak oblasti P- pro budoucí NMOS tranzistor.. Implantace Bóru Odstranění fotorezistu Vytváření jámy P- Vytváření jámy P- a N- Rozdifundování příměsí: Tento vysokoteplotní krok zahájí proces difúze a zároveň odstraní poruchy v monokrystalu způsobené iontovou implantací..

4 Vytváření termického oxidu odstraní poruchy z povrchu Růst oxidu zároveň s rozdifundováním: Tenká vrstva (~250 A). Oxid má za účel odstranit poruchy z povrchu před nanášením hradlového oxidu Odleptání oxidu Odstranění obětního oxidu: Oxid je odstraněn mokrým leptáním v HF. Po této operaci je povrch substrátu ideálně čistý a rovný. Oxid Vytváření hradlového oxidu Růst hradlového oxidu: Toto je nejkritičtější technologický proces! Velice slabá vrstva (10-100A) plní úlohu hradlového dielektrika obou tranzistorů. Musí být extrémně čistý a jeho tloušťka se může lišit +/- 1A. Chemické nanášení CVD SiH4(plyn) + O2(plyn) SiO2 (pevný) + 2H2 (plyn) SiH4(plyn) + H2(plyns) +SiH2(plyn) 2H2(plyn) + PolySilicon (pevný) Kontinuální tok plynů Difúze reaktantů Hraniční vrstva Deponovaný film Si substrát Formování hradel Depozice Polysiliconu: Polykrystalický křemík je nanášen metodou CVD A. Formování hradel Maska POLYSI : Definuje oblasti hradel obou tranzistorů. Spolu s hradlovým oxidem to je nejkritičtější technologický krok! Definuje rozměr délky kanálu tranzistorů. Délka kanálu Polysilicon Polysilicon

5 Formování hradel Odleptání Polysiliconu a odstranění fotorezistu: Metodou RIE (Reactive Ion Etching). Tímto je ukončeno formování hradel. Formování hradel Oxidace polysiliconu: Tenká vrstva oxidu slouží k oddělení hradel a následné vrstvy nitridu. Důležité kuli mechanickému přizpůsobení. PolySi reoxidace PolySi Hradlo (Gate) PolySi Hradlo (Gate) Hradlový oxid Hradlový oxid Maska N-diff: Vykrytí iontové implantace pro N oblasti Implantace pro NMOS : Velice mělká (malá energie) implantace většinou iontů arzénu. Tímto krokem se formuje hrot tzv. LDD (Lightly Dopped Drain) struktury. Redukuje efekt horkých elektronů. Implantace arzénu Odstranění fotorezistu: Maska P-diff: Vykrytí iontové implantace pro P oblasti

6 Implantace pro PMOS : Velice mělká (malá energie) implantace BF2. Tímto krokem se formuje hrot tzv. LDD (Lightly Dopped Drain) struktury. Redukuje efekt horkých elektronů. Odstranění fotorezistu Implantace BF 2 Depozice Nitridu: CVD A. Slouží k vymaskování LDD struktury Zde tenčí Zde silnější vrstva Leptání Nitridu formování postraních maskovacích stěn : Pomocí RIE je Nitrid vertikálně odleptáván na jeho tloušťku, takže po leptání zůstanou boční stěny. Ty slouží jako maska pro implantaci oblastí sourceu a drainu. Zbylý Nitrid po odleptání Nitrid křemíku Maska N-diff: Vykrytí iontové implantace pro N+ oblasti Implantace pro NMOS : Mělká (malá energie) implantace většinou iontů arzénu. Velká dávka. Tímto krokem se formuje LDD (Lightly Dopped Drain) struktura, která redukuje efekt horkých elektronů. Implantace arzénu

7 Odstranění fotorezistu: Maska P-diff: Vykrytí iontové implantace pro P+ oblasti Implantace pro NMOS : Mělká (malá energie) implantace většinou iontů BF2. Velká dávka. Tímto krokem se formuje LDD (Lightly Dopped Drain) struktura, která redukuje efekt horkých elektronů. Odstranění fotorezistu a rozdifundování: Tímto krokem jsou elektronické součástku hotové. Zbývá vytvořit metalizační propojení. BF 2 (+) Ions LDD - Lightly Doped Drain Odleptání oxidu Odleptání oxidu: Rychlé ponoření do roztoku HF. Nanášení silicidů Depozice Titanu: Tenká vrstva ( A) je nanesena na celou plochu substrátu. Silicidy formují vlastnosti přechodu kov-polovodič a hlavně zabraňují difundování kovových atomů metalizace do aktivních oblastí polovodiče Titan

8 Nanášení silicidů Formování silicidu Titanu: Rychlý teplotní ohřev (800 stupňů) v v Dusíku nastartuje reakci titanu a křemíku. Vytvoří se tak sillicid Titanu. V ostatních oblastech zůstane původní vrstva Titanu beze změny. Tento technologický krok vytvoří tzv. Self-Aligned Silicid. Nanášení silicidů Odleptání Titanu: Pomocí mokrého leptání NH 4 OH + H 2 O 2. TiSi 2 Silicid zůstává a tvoří ohmický kontakt mezi křemíkem a metalizací. Titan Silicid Titanu Silicid Titanu Metalizace vodivé spoje Dnes se Al nahrazuje Cu o 40% menší odpor Až 11 vrstev metalizace Depozice : Oxid křemičitý dotovaný malým množstvím bóru a fosforu. Depozice CVD. Přibližná tloušťka vrstvy je 1 mikrometr. Tato vrstva slouží jako elektrická izolace mezi aktivními součástkami a první vrstvou metalizace. Leštění : Chemicko-Mechanické leštění (CMP) zajistí rovný hladký povrch vrstvy. Maska Kontaktů: Nanesení fotorezistu, litografie dle masky kontaktů. Vyleptají se díry ve vrstvě umožňující elektrické připojení součástek. Náročný technologický krok.

9 Leptání kontaktů: Metodou RIE. Odstranění fotorezistu: Depozice Nitridu Titanu: TiN je napařen v tloušťce cca 200A. Vrstva slouží k dokonalému přilnutí metalizace k vrstvě izolační. Tungsten Depozice: Touto metodou se deponuje konformní vrstva kovu (pomocí CVD), která zaplní díry pro kontakty. Tloušťka musí být alespoň polovina průměru kontaktů. Nitrid Titanu Nitrid Titanu Tungsten Leštění Tungsten vrstvy: Metodou CMP. Tímto krokem se docílí planárního povrchu. Odstraní se také Nitrid Titanu. Výsledkem jsou propojky mezi aktivními součástkami na čipu a budoucí vrstvou metalizace. Depozice Metalu1: Metalizace je složena z několika vrstev: TiN (500A) ochraná vrstva AlCu (5000A) hlavní vodič TiN (500A) Difúzní bariéra Ti (200A) elektromigrační bariéra

10 Maska METAL1: Depozice a vyvolání fotorezistu pro motiv první vrstvy metalizace Leptání Metalizace1: Metodou RIE. Provádí se v několika krocích, jelikož je metalizace složena z několika vrstev. TiN (500A) ochraná vrstva AlCu (5000A) hlavní vodič TiN (500A) Difúzní bariéra Ti (200A) elektromigrační bariéra Odstranění fotorezistu: Tímto krokem je první vrstva metalizace hotová. Dnes až 11 vrstev!!! Depozice : Nedotovaný oxid křemičitý je deponován metodou CVD. Zaplní dokonale mezery mezi metalizací. Tloušťka přibližně jeden mikrometr. Tato vrstva slouží k elektrické izolaci jednotlivých vrstev. Broušení a leštění : Chemicko-mechanické leštění zajistí naprosto rovný a hladký povrch. Maska VIA1: Nanesení a vyvolání fotorezistu.

11 Leptání průchodek VIA1: Metodou RIE. Odstranění fotorezistu: Depozice adhezní vrstvy Nitridu Titanu a vrstvy Tungsten: Stejný postup jako u první metalizace. Broušení a leštění Tungsten: Tungsten Depozice Metal2: Podobné složení vrstev jako u Metalu1. Horní vrstvy se dělají silnější, aby mohly přenášet větší proudy. Metal2 TiN (500A) ochraná vrstva AlCu (8000A) hlavní vodič TiN (500A) Difúzní bariéra Ti (200A) elektromigrační bariéra Maska Metal2: Nanesení a vyvolání fotorezistu. Metal2

12 Leptání Metal2: Metodou RIE. V několika krocích. Odstranění fotorezistu: Druhá vrstva je hotová Metal2 Metal2 Pasivace Pasivace Depozice pasivační vrstvy: Existuje mnoho druhů pasivačních vrstev (silicon nitride, silicon oxynitride, polyimide, atd.). Jejich účel je mechanicky a chemicky chránit povrch čipu. Pasivace Metal2 Pasivace Metal2 Kontaktní Pad Silicid Poly Gate Spacer Základní CMOS technologie Fotografie kontaktu Která vrstva je která???

13 Fotografie řezu IO Layout CMOS inveror Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL