Введение к работе
$ >5 J |
Диссертационная работа посвящена разработке КМОП КНИ конструктивно-технологического базиса.
Актуальность темы. Основным фактором развития
микроэлектроники является масштабная миниатюризация КМОП интегральных схем - пропорциональное уменьшение размеров транзисторов и элементов ИС. Это обеспечивает создание все более сложных, многофункциональных и производительных микросхем, а также позволяет снижать их себестоимость.
Одним из путей для продолжения масштабной миниатюризации, помимо развития традиционных технологий, является создание новых конструкций. Параметры МОП-транзистора, для уменьшения которых требуются новаторские подходы - это длина канала транзистора, толщина подзатворного диэлектрика, а также глубина стоковых и истоковых переходов.
Современным решением для преодоления ограничений в миниатюризации является, например, использование подложек, изготовленных по технологии "кремний-на-диэлектрике", или "кремний- на-изоляторе, КНИ" (Silicon-On-Insulator, SOI).
Традиционно схемы, изготовленные по SOI-технологии, использовались как схемы специального назначения, для сред с повышенным уровнем радиации и температуры, когда были необходимы устойчивость к единичным сбоям, вызванным воздействием радиации, к эффекту тиристорной "защелки", а также к высокой температуре.
Однако с усовершенствованием методов формирования SOI-подложек, таких, как внедрение большой дозы кислорода, или "спекание" двух пластин с последующим расколом, качество получающихся подложек стало лучше, поэтому технология "кремний на диэлектрике" широко используется для создания уже не только специальных, но и высокопроизводительных маломощных приборов.
МОП-транзисторы на структурах "кремний-на-диэлектрике" делятся на два вида в зависимости от степени обеднения подложки: частично обедненные и полностью обедненные.
В частично обедненном транзисторе, изготовленном на подложке "кремний-на-диэлектрике", толщина слоя кремния и концентрация примеси в нем таковы, что область обеднения не доходит до слоя заглубленного оксида. Такие транзисторы имеет преимущества, выраженные в более низкой емкости p-n-переходов и сходстве с МОП-транзисторами, изготовленными по традиционной "объемной" технологии, а также в том, что влияние заряда заглубленного оксида на пороговое напряжение транзисторов мало и, следовательно, они более радиационно-стойкие.
В частично обедненном транзисторе под областью обеднения находится электрически нейтральная область, что приводит к выраженному эффекту влияния подложки, это может ограничивать ширину транзистора или потребовать дополнительного контакта к подложке. Если контакты к подложке не используются, возникает эффект плавающей подложки, приводя к таким последствиям, как включение паразитного биполярного транзистора.
В полностью обедненных транзисторах, где область обеднения достигает слоя заглубленного оксвда, более эффективно управление зарядом канала путем смещения, подаваемого на затвор, что делает возможным значительное повышение тока стока. Значение предпорогового тока приближается к идеальному и становится возможным уменьшение порогового напряжения без увеличения тока утечки транзистора в состоянии "выключено", что необходимо для цифровых схем с низким напряжением питания и низкой потребляемой мощность.
Применение полностью обедненных транзисторов в цифровых схемах обусловлено также тем, что проводимость таких транзисторов, а также быстродействие и плотность упаковки на кристалле выше, чем при использовании частично обедненных структур.
Перспективным является использование полностью обедненных транзисторов в аналоговых схемах из-за высокой крутизны интегральных элементов, изготовленным из них.
Результаты экспериментальных исследований, приведенные в литературе, показали, что на основе субмикронных полностью обедненных транзисторов можно получать схемы с частотой более 20 ГГц при рабочих напряжениях порядка 3 В. Объединение таких свойств, как добротность передачи сигнала и радикальное снижение "перекрестных помех" позволяет изготавливать из них качественные радиочастотные схемы.
И частично, и полностью обедненные транзисторы устойчивы к воздействию радиации.
Продолжение масштабной миниатюризации требует от транзисторов таких свойств, как устойчивость к короткоканальным эффектам, что технология кремний-на-дюлектрике обеспечивает лишь до длин канала порядка 50 нм.
Устойчивостью к короткоканальности, а также крутым наклоном допороговой характеристики обладает транзистор, выполненный по технологии кремний-на-диэлектрике, но с двумя затворами - рисунок 1.
^
Рисунок 1 - Двухзатворный транзистор на подложке кремний-на-диэлектрике
Поэтому актуальной является задача развития технологии изготовления полностью обедненного транзистора на подложке кремний-на-диэлектрике, а также двухзатворного транзистора, как самого актуального варианта для продолжения масштабной миниатюризации.
Цель диеЕертацЕшнной работы - разработка КМОП КНИ констрз ктивно-технологического базиса. Для этого необходимо
Исследовать средствами САПР влияние особенностей конструкции на электрофизические параметры двухзатворного транзистора
Разработать технологию изготовления полностью обеденного транзистора
Исследовать математический аппарат, используемый в моделировании, и выработать рекомендации по моделированию глубоко субмикронных транзисторов
Исследовать экспериментально полученные данные
о Провести калибровку моделей по экспериментальным данным
для повышения достоверности расчета
В работе приведены результаты исследования, проведенного посредством численного моделирования в программе ISE TCAD 8.0, и технологический маршрут, пригодный для внедрения в производство. Как вариант улучшения электрофизических свойств двухзатворного транзистора предложена техника "затворной инженерии".
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработана технология изготовления КМОП базиса на подложке кремний-на-диэлектрике, позволяющая создавать полностью обедненные п- и р-канальный транзисторы в пленке одного типа проводимости.
-
Разработаны рекомендации по моделированию глубоко субмикронных МОП транзисторов на КНИ подложках посредством современных приборно-технологических САПР.
-
Предложен способ повышения устойчивости двухзатворного транзистора к короткоканальным эффектам, возникающим в процессе масштабирования.
Практическая ценность работы Разработанная в
диссертационной работе технология обеспечивает изготовление конструктивно-технологического базиса для создания радиационно-стойких цифро-аналоговых ИС и аналоговых ИС. Результаты работы были использованы в проведении ряда НИР.
Внедрение результатов работы проведено в условиях
опытного производства Государственного Учреждения Научно-производственного комплекса «Технологический центр» МИЭТ, где изготовлены экспериментальные образцы БИС.
Апробация работы Полученные в диссертационной работе результаты докладывались на восьмой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, ПЭМ-2002" (Таганрог, 2002г.), IV Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - 2002" (Москва, МИЭТ, 2002г.), девятой международной научно-технической конференции (Дивноморское, 2004г.).
Публикации По материалам диссертационной работы опубликованы печатные работы, список которых приведен в конце реферата.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Основные зависимости электрофизических характеристик
двухзатворного транзистора от его конструктивных параметров и
правила его масштабной миниатюризации.
2. Методика "затворной инженерии" как способ повышения
устойчивости двухзатворного транзистора к короткоканальным
эффектам, возникающим в процессе его масштабирования.
3. КМОП КНИ базис на основе полностью обедненных транзисторов.
4. Экспериментально полученные характеристики полностью
обедненных транзисторов.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа содержит 90 страниц основного текста, 52 рисунка и одну таблицу, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 50 названий и одного приложения.