Ограничения уменьшения размеров МОП транзистора. (Лекция 2)

Зависимость выхода годных Y от минимального размера L м
Y
Lm

Закон сохранения выхода годных

1. Ограничения, связанные с дисперсией размеров пыли
Зависимость числа осажденных пылинок от их размера
Долят
в общем
объеме
воздуха
R
Размер частицы
Т – технологический фактор

Зависимость числа осажденных пылинок от их размера
Доля
в общем
количестве
1/Rт т – технологический
фактор
Размер пылинки
R

Влияние размера дефекта и элемента на отказ ИС

Влияние размеров дефектов на степень интеграции ИС
(Поражающи)

Учет влияния дисперсии размеров дефектов на выход годных ИС.
Y = exp (- AэМD0 ).
Если D0 = D /lт где D – constant, l – минимальный топологический размер. т – технологический фактор,
и Аэ = l2N , где N – число квадратов со стороною l , определяющих площадь элемента и тогда
Y = exp (- l2NMD/lт ) = exp (- NMD/lт-2 )
Рациональный путь повышения М – увеличение значения технологического фактора - т!

2. Приборные (параметрические ) ограничения

Ограничения, связанные со смыканием областей ОПЗ истока и стока при уменьшении длины канала

Зависимость ширины ОПЗ от концентрации примеси и напряжения смещения
4
3
2
1
0
2 В
5В

Логика закона масштабирования
?

Зависимость ширины ОПЗ от концентрации примеси и напряжения смещения
4
3
2
1
0
2 В
5В

Пороговое напряжение МОП-транзистора

Логика закона масштабирования
?

Пороговое напряжение МОП-транзистора

Логика закона масштабирования
?

Логика закона масштабирования

Влияние масштабирования на параметры ИС
K - коэффициент масштабирования, Е - constant
Lk, Wк, Xок , Wмс, Hpn 1/k
Nп k
Uст 1/k
E 1 !
Iст 1/k ( на один транзистор)
tз 1/k !
P 1/k2 (на один транзистор) !
Ptз 1/k3 ( энергия затрачиваемая на операцию с 1 битом )
Rмс K ( при уменьшении лишь ширины дорожки межсоединений)
Cмс 1/k
Tз мс (Rм Cм) 1 !

График закона масштабирования

Ограничение графика закона масштабирования

3. Физические ограничения
Подзатворный диэлектрик – основная проблема уменьшения размеров МОП транзистора

Зависимость величины туннельного тока через диэлектрик от напряжения на затворе
[2]

Зависимость ширины и длины канала от толщины подзатворного оксида кремния
( 2 )
Длина канала
Ширина канала

Изменение толщины подзатворного диэлектрика
Технологические поколения. мкм
Альтернативные диэлектрики
[2]
Альтернативный диэлектрик

Использование альтернативных диэлектриков
Эффективная толщина подзатворного диэлектрика
Тэ = Тд кок / кд
Тэ - эффективная толщина подзатворного диэлектрика
Tд – толщина альтернативного диэлектрика
кд и кок - коэффициенты диэлектрической проницаемости альтернативного диэлектрика и оксида кремния

Влияние диэлектрической проницаемости альтернативного диэлектрика на физическую толщину подзатворного диэлектрика

Микрофотография структуры с оксидом гафния

Ограничения, связанные с потерей полупроводником диэлектрических свойств
4
3
2
1
0
2 В
5В
Зависимость ширины ОПЗ от концентрации примеси и напряжения смещения

Ограничения, связанные с потерей полупроводником диэлектрических свойств
p
n
Xопз

Электроперенос, ограничивающий масштабированное уменьшение толщины проводящих пленок
+ - t + -
tот = J-n
где tот - время до отказа ( час ), J – плотность тока ( А/см2), n - коэффициент ( 1 – при малом токе, 3 – при большом токе).
При J = 106 А/см2 , tот= 3 месяца.

Конструктивные особенности масштабируемой системы металлизации
Толщина металлизации не масштабируется!

Конструктивные особенности масштабируемой системы металлизации

РЭМ - фотография металлизированной разводки

Ограничения, связанные с отводом тепла

Предельные значения физических параметров

График закона масштабирования с учетом физических ограничений

Ограничения уменьшения размеров традиционного МОП транзистора
[1]

4. Технологические ограничения, связанные с процессом совмещения при литографии

Установка совмещения и экспонирования
на участке фотолитографии

Таблица факторов, определяющих ПДР ( I = 3 мкм )
ПДР – допуск на расположение элементов одного фотошаблона относительно другого, при котором параметры элементов ИС еще удовлетворяют требованиям ТУ

Масштабируемость ПДР
Для ячейки МОП ИС ЗУ ( l = 3 мкм, ПДР = 1,3 мкм )

Таблица факторов, определяющих ПДР ( I = 3 мкм )
ПДР – допуск на расположение элементов одного фотошаблона относительно другого, при котором параметры элементов ИС еще удовлетворяют требованиям ТУ

Электроперенос, ограничивающий масштабированное уменьшение толщины проводящих пленок
+ - t + - tот = J-n
где tот - время до отказа ( час ), J – плотность тока ( А/см2), n - коэффициент ( 1 – при малом токе, 3 – при большом токе).
При J = 106 А/см2 , tот= 3 месяца.

Конструктивные особенности масштабируемой системы металлизации

РЭМ - фотография металлизированной разводки

Причина немасштабируемости линии при литографии
М
Толщина пленки не масштабируется, что обуславливает постоянство величины бокового подтравливания под маску определяющее ПДР.
ПДР
ПДР

Методы самосовмещения
в технологии ИС
Self Aligned
PSA, APSA, NSA, QSA, SST, VIST. SWAMI. SICOS

Самосовмещение с разнотолщинной маской
с использованием открытого травления
Самосовмещение «Полный эмиттер»
Традиционный маршрут
Критичная фотолито- графия
Диффузия фосфора
n
n
n
p
p
p
n
Открытое травление оксида
Диффузия фосфора
n
n
n
p
p
n
p

Влияние температуры и среды на перераспределение примеси при окислении кремния
(N в кремнии/N в оксиде)
Коэффициент
сегрегации
1017 см-3
ДА Нет
Инверсный канал

Инверсионный канал по краю кармана р-типа
[2]
1018
1017
1016
Латеральная диффузия бора
Рабочая область транзистора
Инверсный слой
Охранная область
Р

Распределение примеси по глубине при ионной имплантации
Концентрация
Глубина, мкм

Самосовмещение с разнотолщиной маской с использованием ионной имплантации
1018 1017
Ионная имплантация бора
Инверсный канал
Охранная
область
Самосовмещенная структура
p
Латеральная
диффузия бора

Самосовмещение с помощью твердой маски
Ионная имплантация бора
Ионная имплантация фосфора
п
п
п
р
р
П+

Самосовмещение с использованием
электродов в качестве маски
Ионная имплантация бора
n
p
p

Самосовмещение с использованием легированного поликремниевого электрода
n+
Поликремний, легированный мышьяком
x
э-ф
хим

Самосовмещение с помощью «спейсеров»
Ионная имплантация фосфора
Ионная имплантация мышьяка
n
n
n
n
n+
n+
Конформное осаждение и РИТ оксида кремния

Самосовмещение с использованием Lift off («взрывной») технологии
Жертвенный слой
Ионная имплантация бора
Осаждение оксида
Растворение жертвенного слоя – «взрыв»
Ионная имплантация фосфора
Удаление оксида
n
p
n
p
n
p
n
p
n
p

Самосовмешение с использованием бокового подтравливания и «взрывной» технологии
жертвенный слой и оксид
Ионная имплантация бора
Боковое подтравливание жертвенного слоя
Конформное осаждение оксида
Растворение жертвенного слоя – «взрыв»
Ионная имплантация фосфора
Удаление оксида
n
n
n
n
n
n
p
p
p
p
p
p

Перекрестная металлизация
Фотолитографии
1. Вскрытие окон
под диффузию
2.Формирование
М1 3. Вскрытие окон
под контакты
4.Формирование
М2
p
p
n
M2
M1
n
p
p

Самосовмещенный процесс создания перекрестной металлизации
В скобках специфические травители
Фоторезист
Нитрид магния ( перекисно-аммиачная смесь)
Пиролитический оксид кремния ( плавиковая кислота)
Полиимид ( кислородная плазма)
Термический оксид кремния ( плавиковая уислота)
Кремний ( п-типа)

Самосовмещенный процесс создания перекрестной металлизации
Последовательное
травление окон в слоях
и боковое подтравливание
в специфических травителях
и удаление фоторезиста

Самосовмещенный процесс создания перекрестной металлизации
РИО
алюминия
Растворение нитрида магния ( взрыв алюминия)

Самосовмещенный процесс создания перекрестной металлизации
РИО
нитрида
кремния
Растворение оксида кремния
( взрыв нитрида кремния и вскрытие окон под диффузию)

Самосовмещенный процесс создания перекрестной металлизации
Диффузия
бора
Оcаждение алюминия
p
p
p
p
p
n
n

Самосовмещенный процесс создания перекрестной металлизации
Растворение полиимида
( взрыв алюминия)