Введение к работе
з
АКТУАЛЬНОСТЬ. Решающим фактором в развитии сверхпроизводительных супер-ЭВМ перспективных поколений; новых мини-супер-ЭВМ, бортовых вычислительных устройств, сверхбыстродействующих опто-электронных телекоммуникационных систем, систем автоматики, работающих в реальном масштабе времени, а также микросистем, новейших микродатчиков и систем микромеханики являются новые конструктивно-технологические базисы. Так, например, современные мнкротехнологии для СБИС открывают путь для создаши новых суперсистем следующего поколения с временем цикла обработки информации менее 500 пс.. Для создания базовых матричных кристаллов с временем задержки распространения сигнала 10-20 пс/вентиль и сверхбыстродействующих ДОЗУ необходимо использовать БиКМОП структуры с высоким уровнем самосовмещення и самоформирования.и вертикально шггегрированные структуры. Для получения таких результатов за рубежом в основном применяется дорогостоящее литографическое оборудование, рассчитанное, на 0,25 мкм и даже 0,1 мкм проектные нормы. Альтернативой этому служит комплексное применение методов самоформировання.
С начала 70-х годов в стране и за рубежом наметилась четкая тенденция по созданию и применению различных принципов, приемов, способов и методов точной локализации элементов, в том числе и элементов с субмикронными размерами. Особое развитие в последние годы получили методы самосовмещения (МСС) и методы самоформирования (МСФ). Большое разнообразие последішх затрудняет выбор наиболее оптимальных методов при разработке конкретных типов интегральных микросхем. В связи с этим целесообразно в каждом конкретном случае рассматривать определенный комплекс МСС и МСФ.
В связи с необходимостью резкого повьшіеїшя быстродействия интегральных микросхем, дальнейшего понижения их мощности потребления и увеличения степени интеграции иа одном кристалле возникла необходимость в переходе сначала на мелкие, затем на тонкие и в последнее десятилетие на сверх-
тонкие и ультратонкие транзисторные структуры. В результате этого начали появляться более сложные МСС и МСФ.
Конструктивно-технологические особенности изготовления транзисторных структур с использованием различных МСС и МСФ представлены в обзоре и в работах ведущих отечествешшх специаянстов Бубенникова А.Н., Гуляева Ю.В., Мельникова В.А., Самсонова Н.С.,'Луканова Н.М., Вернера В.Д., Валнева К.А., Федотова Я.А., Жильцова В.И. и Мартынова В.В.. Значительный вклад в теоретическое понимание МСС и МСФ внеели Дорфман В.Д и Янушошіс С.С. Большие успехи в практической реализации и внедрении МСС и МСФ были сделаны Дягилевым В.Н., Лукасевичем М.И., Шелепиным Н.А., Манжа Н.И., Любимовым ЮС, Щербининым А.А., Чистяковым Ю.Д, Галушковьш А.И., Путря М.Г. и многими другими специалистами ряда предприятий РФ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью диссертационной работы является разработка научных основ и конструктивно-технологических решений создания интегральных структур на основе МСС и МСФ.
Для достижения поставленной цели необходимо:
провести анализ различных типов конструктивно-технологического базиса создания интегральных структур с использованием МСС и МСФ в целях определения оптимального варианта применения МСС и МСФ для различных интегральных структур;
разработать и классифицировать МСС и МСФ в целях комплексного применения этих методов для создания интегральных структур с уникальными параметрами;
разработать н исследовать технологические процессы и конструктивные решения для практической реализации МСС и МСФ;
разработать н исследовать конструктивно-технологические решения для солдаты шпеїрапьных структур и изделий на основе комплексного применения МСС і. МСФ;
- разработать на основе МСС н МСФ технологические маршруты, изготовить и исследовать характеристики ряда интегральных структур. НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Проведен анализ различных типов конструктивно-технологического базиса создания интегральных структур с использованием МСС и МСФ. Показано, что о точки зрения создания сверхинтегрированных и сверхбыстродействующих структур, в том числе без использования субмікронних проектных норм, наиболее эффективно пряченение МСС н МСФ.
-
Впервые разработана классификация МСФ применительно к технологии микроэлектроники.
-
Показана возможность нелитографического создания сложных узлов интегральных структур на основе комплексного применения МСС и МСФ.
-
Показано, что в качестве конструктивных материалов для реализации МСС н МСФ используются слои различных диэлектрических и проводящих материалов, особенно поликремния. При этом основным технологическим процессом являем ся анизотропное и изотропное плазменное травление одних слоев селективно к другим,
-
Исследованы фнзнко-технелогические параметры различных реакторов высо-когшотной плазмы, определены условия и оптимальные параметры плазиешшй -обработки интегральных структур, применительно к МСС и МСФ.
-
Разработаны плазменные технологии, позволяющие реалнзовывать основные МСФ.
-
Разработана н экспериментально подтверавдена физико-математическая мо-дс'іь диффузии примеси в поликремнин ц из границе раздела полнкрешшн-кремннй.
-
Исследованы н установлены количественные я качественные зависимости концентрации легирующей примеси в поликремшш от параметров коликреи-ниевой пленки.
9. На основе МСС и МСФ разработаны новые оригинальные интегральные стру-
туры с субмикронными элементами, значительно меньшими, чем минимальный
литографический размер.
-
Разработан конструктивно-технологический базис, обеспечивающий создание вертикально интегрированных структур.
-
Осуществлена сравнительная оценка физических параметров транзисторных структур с применением МСС и МСФ и без таковых. Показано, что при проектных нормах от 0,5 до 2 мкм быстродействие транзисторов с применением МСС и МСФ с односторонним профилем легирования активных областей в 1,5-2,5 раза выше.
-
Показано, что МСС и МСФ могут являться основой для комплексной реализации микросистем, включающих в себя различные типы интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в диссертационной работе:
-
На основе применения МСС и МСФ разработаны конструкции сверхинтег-рированного биполярного транзистора, биполярного транзистора с торцевыми контактами, комплементарные биполярные структуры, КМОП-сгруктуры с регулируемой длиной канала субмикронных размеров, инжех-ционно-полевой структуры, БиКМОП транзисторной структуры, вертикально интегрированной ячейки ДОЗУ-
-
Разработаны конструкции ячеек памяти на основе вертикально интегрированных структур в кремнии, допускающих масштабирование для создания ДОЗУ уровня 4-64 Мбит.
-
Разработаны технологические маршруты реализации всех базовых МСФ,
-
Разработаны технологические маршруты реализации основных интегральных структур с применением МСС и МСФ.
-
В результате моделирования интегральных транзисторов с полицидными контактами с применением МСС и МСФ и проведенной оценки уменьшения диапазона работоспособности по току эмиттера, вследствие распреде-
ления потенциала вдоль контакта, установлена необходимость шунтирования эмиттерных полицидных контактов в зависимости от конструктивно-технологических особенностей трагаистора и режима его работы. 6. Показана возможность реализации микросистемы на основе различных типов интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров в едином конструктивно-технологическом базисе и в едином технологическом цикле.
Практическая значимость работы подтверждена рядом актов об использовании результатов диссертационной работы.
Разработанные интегральные структуры с суперсамосовмещенными контактами использованы:
а) НИИ «Научный центр» - при разработке для авиакосмической радио
электронной аппаратуры специализированных микросхем: БИС «Мажоритарный
элемент» (Н1877ВЖ1, Н1877ВЖ2), БИС «Логическая управляющая схема»
(5503ХМ2-084), БИС «Контроля релейных модулей» (5503ХМ5-040), БИС
«ДЦС» (5503ХМ5-044) для получения необходимых параметров по быстродей
ствию конструкции;
б) ЦКБ «АЛМАЗ» - при разработке БИС управления частотой для изделия
59Р6, предназначенной для радиоэлектронной аппаратуры нового поколения;
в) В/Ч 35533 - при выполнении НИР по договорам «Разработка техноло
гического процесса юготовлення биполярных микромощных интегральных
схем» (1995 г.) и «Разработка технологии и изготовление низкопорогового
КМОП БМК 5501ХМ4» (1999 г.). Полученные научно-технические результаты
использованы в разработках В/Ч 35533, что обеспечило снижение потребляемой
мощности разрабатываемых БИС;
г) Разработанные конструкции и технология изготовления интегральных эле
ментов микросхем и микросенсоров внедрены и реализованы в ГНЦ РФ Научно-
производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ в рамках НИОКР «Лига-
2», «Лига-11», что обеспечило возможность получения ряда КБиМОП интегральных
структур для сверхбыстродействующих СБИС, а также повышение качества интегральных микросенсоров;
д) Разработанные конструкции и технологические маршруты формирования интегральных элементов СБИС внедрены и реализованы в Московском государственном институте электронной техники (Техническом университете)) а рамках НИОКР «Лозунг» при создании вертикально-интегрированных ячеек ДОЗУ.
По материалам диссертации было опубликовано S3 работы, включая 14 статей, 28 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 11 патекгов и авторских свидетельств.
Результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях: 7-я отраслевая конференция "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИС", г. Махачкала, 1990 г., 6 Республиканская научно-техническая конференция "Физические проблемы МДП-ннтегральнои электроники", г. Севастополь, 1990 г., Международная конференция и выставка "СЕН-СОР-ТЕХНО-93", Санкт-Петербург, 1993 г.. Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94", Звенигород, 1994г., Международный семинар по моделированию приборов и технологических процессов, г.Обнинск, 1994г., Всероссийская научно-техническая конференция, Москва, 1995г., 8-я научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления'', Гурзуф, 1996 г, 9-я научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем змерения, контроля и управления", Гурзуф, 1997 г, Всероссийская научно-техшгческая конференция "Микро- и наноэлектроника-98", Звенигород, 1999 г
На защиту выносятся следующие результаты диссертации:
1, Общий принцип разработки шггегралышх структур с субмикронными элементами., реализованными нелигоірафическими способами, которые заключаются в комплексном применении МСС V МСФ.
-
Разработанная классификация базовых МСФ.
-
Плазменные технолопш для реализации базовых МСФ.
-
Использоваїше МСС и МСФ для улучшения параметров интегральных транзисторных структур.
-
Модель диффузии примеси в системе поликремюш-на кремнии.
-
Результаты исследований по определению зависимостей распределения легирующей примеси в пленке поликремкия от параметров пленки но-лшсремния.
-
Технологический маршрут изготовления сверхинтегрировашюй БиК-МОП транзисторной структуры.
-
Технологический маршрут вертикально интегрированных структур.
-
Конструктивно-технологический базис и принципы изготовления интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров для микросистем.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка "использованной литературы из 245 , наименований и 3 приложений. Содержание диссертации изложено на 323 страницах и включает 215 страниц текста, содержит 136 рисунков, 11 таблиц и 24 страницы приложений.
