eng
Содержание
От редакции ..............................................................................................7
Предисловие ..............................................................................................8
Благодарности .........................................................................................11
Глава 1. Страничка истории ...................................................................12
1.1.
Создание КМОП ИС и причины тотального «засилья»
на рынке ......................................................................................12
1.2.
Причины мирового перехода на КМОП-технологию ..............16
Глава 2. Общая характеристика развития технологий КМОП БИС ...... 18
2.1.
Понятие технологических уровней ...........................................18
2.2.
Масштабирование МОП-транзисторов ....................................19
2.3.
Краткая хронология технологических уровней
и конструктивно-технологических решений развития
КМОП-технологий .....................................................................24
Глава 3. Технология КМОП ИС микронных и субмикронных
технологических уровней ......................................................................29
3.1.
«Начальная» технология с алюминиевым затвором .................29
3.2.
Технологии микронных уровней (3,0–1,2 мкм) ........................32
3.3.
Технологии субмикронных уровней (1,0–0,5 мкм)...................42
3.4.
Особенности технологии уровня 0,5 мкм ..................................49
Глава 4. Технологический маршрут изготовления КМОП ИС
глубокосубмикронных технологических уровней (0,35–0,18 мкм) .....51
4.1.
Маршрут изготовления КМОП СБИС
глубокосубмикронных технологических уровней .....................54
4.2.
Особенности маршрутов изготовления КМОП СБИС
уровня 0,25 и 0,18 мкм ................................................................65
Глава 5. Технология КМОП ИС субстонанометровых
технологических уровней ......................................................................71
5.1.
Общие характеристики и проблемы масштабирования
в субстонанометровом диапазоне ..............................................71
5.2.
Базовый технологический маршрут изготовления СБИС
субстонанометровых технологических уровней .......................75
5.3.
Модификации технологии изготовления СБИС
при масштабировании от уровня 90 нм
к технологическому уровню 65 нм ............................................89
5.4.
Технологический маршрут изготовления СБИС
уровня 45/40 нм ..........................................................................90
6
Содержание
5.5.
Особенности технологии изготовления СБИС
уровня 32/28 нм ........................................................................105
Глава 6. Технология алюминиевой металлизации КМОП ИС
микронных, субмикронных и глубокосубмикронных
технологических уровней .................................................................... 110
6.1.
Технология одноуровневой металлизации ИС ....................... 111
6.2.
Технологии двухуровневой металлизации ИС ........................ 112
6.3.
Технологии многоуровневой металлизации ИС
на основе алюминия ................................................................. 113
6.4.
Изменения в технологии многоуровневой металлизации ИС
на основе алюминия при масштабировании
технологий глубокосубмикронных уровней ............................ 118
Глава 7. Технология многоуровневой металлизации КМОП ИС
субстонанометровых технологических уровней на основе меди .......120
7.1.
Общая характеристика технологий металлизации
субстонанометровых технологических уровней
(90–45 / 40–32 / 28 нм). Причины перехода
с алюминиевой на медную металлизацию ...............................120
7.2.
Базовый технологический маршрут металлизации СБИС
субстонанометровых технологических уровней
на основе меди ..........................................................................124
7.3.
Особенности технологического маршрута металлизации
СБИС технологического уровня 32/28 нм ...............................136
Глава 8. Основные направления и тенденции развития
технологий КМОП БИС с технологическим уровнем
менее 20 нм ...........................................................................................140
8.1.
Переход к FinFET-технологиям и неопределенность
понятия «технологический уровень» на этапах
нанометровых технологий ........................................................140
8.2.
Некоторые особенности технологии на основе
FinFET-структур .......................................................................144
8.3.
Технологии GAAFET – транзисторы с окружающим канал
затвором ....................................................................................146
Глава 9. Заключение .............................................................................150
9.1.
Еще раз о данной книге и планах на будущее .........................150
9.2.
Краткая справка о мировой полупроводниковой отрасли
к 2026 году ................................................................................. 151
Приложения ..........................................................................................157
От редакции
Уважаемые читатели!
Перед вами старт книжного проекта в области микроэлектроники,
начало которому будет положено учеными Национального исследова-
тельского университета МИЭТ. Серия книг, первый выпуск которой вы
держите в руках, станет подробным навигатором по миру современных
технологий интегральных схем и других полупроводниковых прибо-
ров. В книгах этой серии авторы – ведущие специалисты российской
микроэлектроники – последовательно проведут читателя по всем этапам
создания современных СБИС, от основ технологических процессов и
особенностей работы высокоточного оборудования до проектирования
и изготовления фотошаблонов.
В рамках серии авторы раскроют эволюцию технологий ИС от
микро- к наноэлектронике с самыми современными проектными
нормами. Читатель получит подробные сведения о ключевых этапах
производства СБИС. Будут рассмотрены основные технологические
процессы и операции микроэлектронного производства, включая во-
просы литографии, а также методы моделирования технологических
процессов, проектирования микроэлектронных приборов и систем с
использованием средств САПР.
Анонсируемая серия книг будет полезна студентам высших учебных
заведений, обучающимся по направлениям «Электроника и наноэлек-
троника», «Радиотехника», «Конструирование и технология электронных
средств» и делающим первые шаги в мире микроэлектроники, маги-
странтам, аспирантам и инженерам, стремящимся систематизировать
свои знания и ищущим темы для прорывных исследований, а также
действующим специалистам технологических фабрик и дизайн-центров.
Редколлегия
Предисловие
Книга предназначена для студентов старших курсов, магистров и аспи-
рантов, специализирующихся в области микроэлектроники и обуча-
ющихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника» (11.03.04 –
бакалавр, 11.04.04 – магистр), «Радиотехника» (04.04.01 – магистр) «Кон-
струирование и технология электронных средств (11.03.03 – бакалавр).
Книга также представляет интерес и будет весьма полезна для научных
работников, инженеров и руководителей разного уровня, работающих в
области разработки, производства и применения интегральных микросхем.
Материал книги предполагает знание основ и понимание основных
технологических процессов планарной технологии, используемых при
изготовлении интегральных схем. В конце предисловия представлен
перечень доступных изданий, в которых описаны технологические
процессы производства ИС. Среди этого списка следует отметить ка-
питальную трехтомную монографию группы белорусских авторов [5].
В книге описаны технологические маршруты, то есть последова-
тельность технологических операций, которые применялись и при-
меняются в процессе обработки кремниевых пластин при производ-
стве КМОП ИС – от периода становления технологии до реализации
глубо косубмикронных и нанометровых транзисторов. При этом особое
внимание уделено развитию конструктивно-технологических методов
формирования транзисторных структур и других элементов, которые
разрабатывались в процессе масштабирования технологии и обеспечили
ее развитие до нанометровых размеров.
В связи с этим книга также может представлять интерес как справоч-
ник по технологиям, в котором можно оперативно найти информацию,
связанную с технологией изготовления СБИС.
Примечания по тексту книги
– Технологическая операция «фотолитография» (ФЛ) включает в
себя нанесение и сушку (при необходимости дополнительную
обработку – задубливание) фоторезиста.
– После операций травления каких-либо слоев или ионной имплан-
тации всегда осуществляется удаление фоторезиста и химическая
отмывка пластин, как правило, в растворах КАРО (серная кислота
и перекись водорода) и ПАР (перекись водорода и аммиак). Эти
операции при описании маршрутов не указаны в целях сокраще-
ния текста.
Предисловие 9
– В описании маршрутов не указаны технологические операции фор-
мирования на пластинах меток совмещения для фотолитографии,
которые различаются как по фотолитографическим установкам,
так и по типам технологий.
Сокращения, используемые в тексте книги
АСО – атомно-слоевое осаждение (ALD)
АСТ – атомно-слоевое травление (ALE)
ПХТ – плазмохимическое травление
ЖХТ – жидкостное химическое травление
ПХО – плазмохимическое осаждение
ФСС – фосфоро-силикатное стекло
БФСС – борофосфорно-силикатное стекло
ФЛ – фотолитография
С/И – области стоков и истоков транзисторов
З – затворы транзисторов
n-тип – область кремния донорного типа проводимости
p-тип – область кремния акцепторного типа проводимости
n+ или p+ – область кремния соответствующего типа проводимости с
высокой концентрацией примеси (примерно от 1018 см-3 и более)
Si* – поликристаллический кремний
ИИ – ионная имплантация
LDD (Lightly Doped Drain) – низколегированные области стоков/ис-
токов транзисторов
МОП – структура транзистора «металл – оксид – полупроводник»
КМОП – структура комплементарных транзисторов «металл – оксид –
полупроводник»
С/И – сток и/или исток транзистора
CVD (Chemical Vapor Deposition) – осаждение из газовой фазы
ХМП (Chemical mechanical polishing – CMP) – химико-механическая
планаризация или полировка
LOCOS – изоляция областей транзисторов, полученная селективным
окислением кремния
STI – мелкощелевая изоляция областей транзисторов
OPC (Optical Proximity Correction) – корреция оптической близости
10 Предисловие
Литература к предисловию
(издания, в которых наиболее полно описаны технологические процессы
изготовления микросхем на русском языке)
1. Липатов Г.И. Особенности производства ИС: Учебное пособие [Элек-
тронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (3,0 Мб) /
Г.И. Липатов. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет», 2019. – URL: https://cchgeu.ru/upload/
iblock/718/l36yumdbm8tvh6c5mjq2lp64efe607si/01_UP_2019_Lipatov_
Osobennosti-proizvodstva-IS.pdf.
2. Цветков Ю.Б. Процессы и оборудование микротехнологии. Часть 1 /
Ю.Б. Цветков. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. –
168 с.: ил. – URL: https://open.bmstu.ru/media/pdfs/mt11_1SSM4zR.pdf.
3. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология, конструк-
ции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем.
Часть 1. Технологические процессы изготовления кремниевых ин-
тегральных схем и их моделирование. – М.: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2012. – 397 с.: ил.
4. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Путря М.Г., Шевяков В.И. Технология,
конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных
микросхем. Часть 2. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 422 с.
5. Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых
приборов и интегральных схем на кремнии. – В 3 т. / О.Ю. Наливайко
[и др.] – Минск: Интегралполиграф, 2013. – 784 с.
Благодарности
Автор выражает благодарность сотрудникам АО «НИИМЭ» Роману
Александровичу Арилину и Владимиру Викторовичу Иванову за ценные
советы по отдельным разделам книги.
Особая благодарность выражается директору по развитию технологий
АО «НИИМЭ» Игнатову Павлу Викторовичу за консультации, дискус-
сии и помощь в классификации технологических уровней и привязке
конструктивно-технологических решений к соответствующим уровням
технологий.
глава 1
Страничка истории
1.1. Создание КМОП ИС и причины тотального
«засилья» на рынке
История создания интегральных схем многократно описана в различных
источниках [1.1–1.4]. В конце концов первенство изобретения микро-
схемы и, соответственно, планарной технологии было отдано Роберту
Нойсу (Robert Norton Noyce) и компании Fairchild. Первая интегральная
схема на основе планарной технологии с четырьмя биполярными тран-
зисторами и пятью резисторами была изготовлена в 1960 году. С этого
момента технологии ИС начали очень быстро развиваться. Появлялись
новые компан ии, в том числе занявшиеся разработкой технологического
оборудования для производства ИС. Объемы производства микросхем
росли практически экспоненциально, что подметил в 1965 году один из
основателей компании Intel Гордон Мур, опубликовавший прогноз об
удвоении степени интеграции (т.е. количества компонентов на кристалле
микросхемы) каждые полтора года, названный впоследствии законом
Мура. Около двух десятков лет объемы производства обеспечивались
биполярными технологиями. В первую очередь это объясняется тем, что
их производство на начальной стадии развития технологий оказалось
значительно более технологичным, т.к. в то время технология получе-
ния бездефектных тонких диэлектрических пленок, необходимых для
МДП-транзисторов, еще не была отработана. Во-вторых, биполярные
транзисторы и, соответственно, микросхемы были гораздо более быстро-
действующими, что определило их преимущество в погоне за скоростью
вычислительных устройств практически до конца 80-х годов.
Полевой транзистор со структурой металл – оксид – полупроводник,
или МОП-транзистор, был изобретен Мохамедом М. Аталла и Давоном
Канг в компании Bell Labs в 1959 году. Первоначально существовало
два типа процессов производства: МДП-транзисторы с каналом p-типа
(p-МОП) и МДП-транзисторы с каналом n-типа (n-МОП)). Оба типа
были разработаны Аталлой и Кангом. Образцы были изготовлены в
1960 г. с длиной затвора 20 мкм, а затем 10 мкм. Но компания Bell Labs
1.1. Создание КМОП ИС и причины тотального «засилья» на рынке 13
не стала развивать это направление развития и ограничила свои иссле-
дования биполярными транзисторами. Разработка МДП-транзисторов
была продолжена в Fairchild Semiconductor, куда перешли из Bell Labs семь
специалистов, не разделявших взгляды Шокли.
Новый тип логики на основе МОП-транзисторов, объединяющий оба
процесса – PMOS и NMOS, был разработан Са Чжитаном (Chih-Tang Sah)
и Фрэнком Уонласом (Frank Wanlass) из Fairchild и назван дополнитель-
ным МОП (КМОП). В феврале 1963 года они опубликовали результаты
исследований в статье. В июне 1963 года Уонласс подал заявку на патент
США 3.356.858 на схему КМОП, и он был выдан в 1967 году. Как в иссле-
довательской работе, так и в патенте при описании производства КМОП-
устройств было указано, что оно осуществлялось на основе термического
окисления кремниевой подложки с получением слоя диоксида кремния,
расположенного между контактом стока и контактом истока. Первые
микросхемы по технологии КМОП были получены в 1968 году [1.3], т.е.
через пять лет после получения первой биполярной микросхемы.
Следует отметить, что технологических проблем МДП-технологий в
начальный период развития было значительно больше, чем в биполярной
технологии. Вероятно, именно этим объясняется значительно больший
временной интервал от получения первых микросхем до промышленного
производства в КМОП-технологии по сравнению с биполярной.
Основными недостатками КМОП-технологии в первые годы ее раз-
вития были:
– низкая надежность;
– недостаточная стойкость к электростатическому пробою;
– большой логический перепад, равный напряжению питания, сни-
жавший и без того медленные схемы по причине большой длины
канала (порядка 10 мкм на первых схемах).
Со временем надежность микросхем возросла за счет совершенствова-
ния технологических процессов и повышения чистоты технологических
сред газов и растворов, применявшихся при изготовлении чипов ИС.
Проблемы электростатического пробоя были решены путем разра-
ботки схем и методов, обеспечивших непопадание высокого напряжения
электростатических разрядов на затворы МОП-транзисторов.
Быстродействие КМОП-микросхем росло вместе с уменьшением
размеров элементов. При этом кроме уменьшения непосредственно то-
пологических размеров, обеспеченного фотолитографией, существенное
значение для миниатюризации транзисторов сыграло одно техническое
14 Глава 1. Страничка истории
решение, примененное в 1968 году в компании Bell Labs. Разработчики
компании сменили материал затвора с алюминия на поликремний. Это
обеспечило возможность самосовмещения областей стока/истока с
границами затвора, т.к. поликремний служил маской при имплантации
примеси в области стоков/истоков и обеспечивал возможность по-
следующей высокотемпературной обработки для активации примесей,
что невозможно сделать при алюминиевом затворе. Несмотря на то что
сопротивление затвора стало существенно выше, преимущества новой
конструкции быстро завоевали популярность и все компании перешли
на технологии с применением поликремния в качестве затвора [1.1].
Описание изменений в конструкциях компонентов и технологии из-
готовления представлены в следующих главах.
Несмотря на первенство в получении первой микросхемы компанией
Fairchild Semiconductor, первой компанией, осуществившей коммерче-
ское производство КМОП-микросхем, оказалась известная в то время
американская компания RCA. Были разработаны схемы КМОП для
компьютера ВВС в 1965 году, а также КМОП микросхема статической
памяти емкостью 288 бит в 1968 году. RCA также использовала КМОП
для своих интегральных схем серии 4000 в 1968 году, начиная с процесса
производства микросхем с размерами элементов 20 мкм до 10-микрон-
ного процесса в течение следующих нескольких лет.
Любопытно, что полупроводниковая промышленность США на на-
чальном этапе недооценила перспективность КМОП-технологии (RCA
можно считать исключением). Причиной этого являются перечисленные
выше недостатки и погоня за быстродействием, которая до 90-х годов
обеспечивалась биполярными микросхемами на основе ТТЛ и ЭСЛ-
логики. Это дало уникальный шанс японским полупроводниковым ком-
паниям. КМОП-технология была быстро принята и усовершенствована
в Японии и широко применена в изделиях, требующих низкого энер-
гопотребления, что привело к развитию японской полупроводниковой
промышленности. Toshiba разработала C2MOS (Clocked CMOS), схемную
технологию с более низким энергопотреблением и более высокой ско-
ростью работы, чем у обычных КМОП, в 1969 году. Toshiba использовала
свою технологию C2MOS в целях разработки микросхем большой инте-
грации (БИС) для карманных калькуляторов, выпущенных в 1972 году.
С 1970-х годов в огромных количествах было развернуто производство
микросхем для различных часов.
Самые ранние микропроцессоры на основе МДП-транзисторов в
начале 1970-х изготавливались на основе р-МОП-технологий, которые
1.1. Создание КМОП ИС и причины тотального «засилья» на рынке 15
доминировали в то время. К концу 1970-х годов микропроцессоры на
основе п-МОП обогнали процессоры р-МОП. И только в 1975 году
КМОП-микропроцессоры были представлены в моделях Intersil 6100 и
RCA CDP 1801. Но они еще существенно уступали по быстродействию
аналогичным схемам на основе биполярных транзисторов. Процессоры
на основе КМОП-транзисторов стали доминирующими только после
середины 1980-х.
1.1.1. Появление КМОП-технологий в СССР
В имеющихся публикациях, в т. ч. и в [1.2], много сведений о людях
и изделиях, сыгравших существенную роль в развитии отечественной
микроэлектроники, но практически нет сведений о развитии и станов-
лении технологий. Данный абзац написан на основе воспоминаний
ветеранов НИИМЭ – «Микрона» и НИИТТ – «Ангстрема». Разработки
МОП-технологий и p-МОП-микросхем были начаты одновременно
уже в конце 60-х годов. И уже в 1969 году в 14-м отделе НИИМЭ были
получены первые образцы изделий на основе КМОП-транзисторов, есте-
ственно, с алюминиевым затвором и 10-микронными минимальными
размерами. Аналогично тому, как это было в США, эти первые микро-
схемы были весьма ненадежными. Технологи еще пока не знали, как
бороться с зарядом в диэлектрике. Соответственным было и отношение
завода «Микрон» к освоению этих микросхем. Кроме того, основной за-
дачей НИИМЭ было обеспечение быстродействия электронных систем
за счет быстродействия компонентов. Поэтому, естественно, главным
направлением разработок и освоения производства были биполярные
схемы и совершенствование их технологий. Работы по развитию КМОП-
технологий оказались в НИИМЭ на грани закрытия. Начальник отдела
М.А. Королев ушел в МИЭТ. Однако продолжение работ было поддер-
жано директором К.А. Валиевым. Благодаря этому в 1971 году появились
первые КМОП-схемы с хорошими показателями и удовлетворительной
надежностью. Эта технология пользовалась спросом со стороны НЗПП
(г. Новосибирск). Уже в 1972 г. первые логические и триггерные МОП ИС
начали осваиваться в НЗПП (164 и 172 серии КМОП ИС). Плодотворная
работа специалистов отдела 14 НИИМЭ и НЗПП продолжалась вплоть
до 1982 года. Как вспоминают ветераны, к 1980 году удалось разобрать-
ся с причинами возникновения зарядов в оксиде, был освоен процесс
формирования затворов из поликремния. А в 1982 году в «Микроне» и
НИИМЭ началось активное освоение КМОП-технологии уже с поли-
кремниевым затвором размером 3,0...2,5 мкм.
16 Глава 1. Страничка истории
Становление КМОП-технологий в НИИТТ и на заводе «Ангстрем»
происходило более динамично по причине того, что после переориен-
тации этих организаций с разработки и производства гибридных ИС на
монолитные их основным научно-техническим направлением было раз-
витие МОП- и КМОП-технологий и ИС на их основе. В июле 1973 года
были начаты первые разработки, а в конце 1974 года получены первые
образцы микросхем по технологии с алюминиевым затвором. Разработки
схем по технологии с поликремниевым затвором начались во втором
квартале 1978 года, а начало производства и выпуск первых образцов
реализованы уже в 1979 году.
Дальнейшее развитие технологий в России осуществлялось по извест-
ным причинам довольно экстенсивно и заморозилось на минимальных
размерах 1,0–0,8 мкм на пластинах диаметром 150 мм вплоть до 2006 года,
т.е. до начала реализации проекта «Микрона» по строительству фабрики
и освоению технологии уровня 180 нм на пластинах диаметром 200 мм.
1.2. Причины мирового перехода на КМОП-
технологию
Несколько слов о причинах тотального «засилья» КМОП-технологии в
общих объемах производства и продаж. По мере развития технологий
микросхем в соответствии с известным законом Мура уже в начале
80-х годов появились микросхемы, содержащие несколько десятков
тысяч транзисторов. Если бы эти микросхемы продолжили проектиро-
вать и изготавливать на основе биполярной технологии с ТТЛ-логикой,
то их мощность составили бы сотни ватт, что уже было совершенно
неприемлемо, не говоря уж о схемах следующих поколений. В логиче-
ских элементах КМОП-типа n-канальные и p-канальные транзисторы
соединены последовательно. При этом в статическом состоянии один
из этих транзисторов обязательно закрыт. Следовательно, статический
ток потребления логического элемента соответствует току утечки
транзистора, а это единицы наноампер и даже пикоамперы в случае
глубокосубмикронных технологий. Для примера: типовой статический
ток утечки в нормальных условиях схемы статического ОЗУ емкостью
1 Мбит («Микрон») составляет около 1 мА, а схема содержит примерно
8 миллионов транзисторов. Таким образом, получаем менее 0,3 нА на
один транзистор. Совершенно очевидно, что никакая другая схемотех-
ника, кроме КМОП, не может обеспечить создание современных СБИС
с количеством транзисторов в несколько сотен миллионов и более.
Уважаемые читатели!
Перед вами старт книжного проекта в области микроэлектроники,
начало которому будет положено учеными Национального исследова-
тельского университета МИЭТ. Серия книг, первый выпуск которой вы
держите в руках, станет подробным навигатором по миру современных
технологий интегральных схем и других полупроводниковых прибо-
ров. В книгах этой серии авторы – ведущие специалисты российской
микроэлектроники – последовательно проведут читателя по всем этапам
создания современных СБИС, от основ технологических процессов и
особенностей работы высокоточного оборудования до проектирования
и изготовления фотошаблонов.
В рамках серии авторы раскроют эволюцию технологий ИС от
микро- к наноэлектронике с самыми современными проектными
нормами. Читатель получит подробные сведения о ключевых этапах
производства СБИС. Будут рассмотрены основные технологические
процессы и операции микроэлектронного производства, включая во-
просы литографии, а также методы моделирования технологических
процессов, проектирования микроэлектронных приборов и систем с
использованием средств САПР.
Анонсируемая серия книг будет полезна студентам высших учебных
заведений, обучающимся по направлениям «Электроника и наноэлек-
троника», «Радиотехника», «Конструирование и технология электронных
средств» и делающим первые шаги в мире микроэлектроники, маги-
странтам, аспирантам и инженерам, стремящимся систематизировать
свои знания и ищущим темы для прорывных исследований, а также
действующим специалистам технологических фабрик и дизайн-центров.
Редколлегия
Предисловие
Книга предназначена для студентов старших курсов, магистров и аспи-
рантов, специализирующихся в области микроэлектроники и обуча-
ющихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника» (11.03.04 –
бакалавр, 11.04.04 – магистр), «Радиотехника» (04.04.01 – магистр) «Кон-
струирование и технология электронных средств (11.03.03 – бакалавр).
Книга также представляет интерес и будет весьма полезна для научных
работников, инженеров и руководителей разного уровня, работающих в
области разработки, производства и применения интегральных микросхем.
Материал книги предполагает знание основ и понимание основных
технологических процессов планарной технологии, используемых при
изготовлении интегральных схем. В конце предисловия представлен
перечень доступных изданий, в которых описаны технологические
процессы производства ИС. Среди этого списка следует отметить ка-
питальную трехтомную монографию группы белорусских авторов [5].
В книге описаны технологические маршруты, то есть последова-
тельность технологических операций, которые применялись и при-
меняются в процессе обработки кремниевых пластин при производ-
стве КМОП ИС – от периода становления технологии до реализации
глубо косубмикронных и нанометровых транзисторов. При этом особое
внимание уделено развитию конструктивно-технологических методов
формирования транзисторных структур и других элементов, которые
разрабатывались в процессе масштабирования технологии и обеспечили
ее развитие до нанометровых размеров.
В связи с этим книга также может представлять интерес как справоч-
ник по технологиям, в котором можно оперативно найти информацию,
связанную с технологией изготовления СБИС.
Примечания по тексту книги
– Технологическая операция «фотолитография» (ФЛ) включает в
себя нанесение и сушку (при необходимости дополнительную
обработку – задубливание) фоторезиста.
– После операций травления каких-либо слоев или ионной имплан-
тации всегда осуществляется удаление фоторезиста и химическая
отмывка пластин, как правило, в растворах КАРО (серная кислота
и перекись водорода) и ПАР (перекись водорода и аммиак). Эти
операции при описании маршрутов не указаны в целях сокраще-
ния текста.
Предисловие 9
– В описании маршрутов не указаны технологические операции фор-
мирования на пластинах меток совмещения для фотолитографии,
которые различаются как по фотолитографическим установкам,
так и по типам технологий.
Сокращения, используемые в тексте книги
АСО – атомно-слоевое осаждение (ALD)
АСТ – атомно-слоевое травление (ALE)
ПХТ – плазмохимическое травление
ЖХТ – жидкостное химическое травление
ПХО – плазмохимическое осаждение
ФСС – фосфоро-силикатное стекло
БФСС – борофосфорно-силикатное стекло
ФЛ – фотолитография
С/И – области стоков и истоков транзисторов
З – затворы транзисторов
n-тип – область кремния донорного типа проводимости
p-тип – область кремния акцепторного типа проводимости
n+ или p+ – область кремния соответствующего типа проводимости с
высокой концентрацией примеси (примерно от 1018 см-3 и более)
Si* – поликристаллический кремний
ИИ – ионная имплантация
LDD (Lightly Doped Drain) – низколегированные области стоков/ис-
токов транзисторов
МОП – структура транзистора «металл – оксид – полупроводник»
КМОП – структура комплементарных транзисторов «металл – оксид –
полупроводник»
С/И – сток и/или исток транзистора
CVD (Chemical Vapor Deposition) – осаждение из газовой фазы
ХМП (Chemical mechanical polishing – CMP) – химико-механическая
планаризация или полировка
LOCOS – изоляция областей транзисторов, полученная селективным
окислением кремния
STI – мелкощелевая изоляция областей транзисторов
OPC (Optical Proximity Correction) – корреция оптической близости
10 Предисловие
Литература к предисловию
(издания, в которых наиболее полно описаны технологические процессы
изготовления микросхем на русском языке)
1. Липатов Г.И. Особенности производства ИС: Учебное пособие [Элек-
тронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (3,0 Мб) /
Г.И. Липатов. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет», 2019. – URL: https://cchgeu.ru/upload/
iblock/718/l36yumdbm8tvh6c5mjq2lp64efe607si/01_UP_2019_Lipatov_
Osobennosti-proizvodstva-IS.pdf.
2. Цветков Ю.Б. Процессы и оборудование микротехнологии. Часть 1 /
Ю.Б. Цветков. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. –
168 с.: ил. – URL: https://open.bmstu.ru/media/pdfs/mt11_1SSM4zR.pdf.
3. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология, конструк-
ции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем.
Часть 1. Технологические процессы изготовления кремниевых ин-
тегральных схем и их моделирование. – М.: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2012. – 397 с.: ил.
4. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Путря М.Г., Шевяков В.И. Технология,
конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных
микросхем. Часть 2. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 422 с.
5. Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых
приборов и интегральных схем на кремнии. – В 3 т. / О.Ю. Наливайко
[и др.] – Минск: Интегралполиграф, 2013. – 784 с.
Благодарности
Автор выражает благодарность сотрудникам АО «НИИМЭ» Роману
Александровичу Арилину и Владимиру Викторовичу Иванову за ценные
советы по отдельным разделам книги.
Особая благодарность выражается директору по развитию технологий
АО «НИИМЭ» Игнатову Павлу Викторовичу за консультации, дискус-
сии и помощь в классификации технологических уровней и привязке
конструктивно-технологических решений к соответствующим уровням
технологий.
глава 1
Страничка истории
1.1. Создание КМОП ИС и причины тотального
«засилья» на рынке
История создания интегральных схем многократно описана в различных
источниках [1.1–1.4]. В конце концов первенство изобретения микро-
схемы и, соответственно, планарной технологии было отдано Роберту
Нойсу (Robert Norton Noyce) и компании Fairchild. Первая интегральная
схема на основе планарной технологии с четырьмя биполярными тран-
зисторами и пятью резисторами была изготовлена в 1960 году. С этого
момента технологии ИС начали очень быстро развиваться. Появлялись
новые компан ии, в том числе занявшиеся разработкой технологического
оборудования для производства ИС. Объемы производства микросхем
росли практически экспоненциально, что подметил в 1965 году один из
основателей компании Intel Гордон Мур, опубликовавший прогноз об
удвоении степени интеграции (т.е. количества компонентов на кристалле
микросхемы) каждые полтора года, названный впоследствии законом
Мура. Около двух десятков лет объемы производства обеспечивались
биполярными технологиями. В первую очередь это объясняется тем, что
их производство на начальной стадии развития технологий оказалось
значительно более технологичным, т.к. в то время технология получе-
ния бездефектных тонких диэлектрических пленок, необходимых для
МДП-транзисторов, еще не была отработана. Во-вторых, биполярные
транзисторы и, соответственно, микросхемы были гораздо более быстро-
действующими, что определило их преимущество в погоне за скоростью
вычислительных устройств практически до конца 80-х годов.
Полевой транзистор со структурой металл – оксид – полупроводник,
или МОП-транзистор, был изобретен Мохамедом М. Аталла и Давоном
Канг в компании Bell Labs в 1959 году. Первоначально существовало
два типа процессов производства: МДП-транзисторы с каналом p-типа
(p-МОП) и МДП-транзисторы с каналом n-типа (n-МОП)). Оба типа
были разработаны Аталлой и Кангом. Образцы были изготовлены в
1960 г. с длиной затвора 20 мкм, а затем 10 мкм. Но компания Bell Labs
1.1. Создание КМОП ИС и причины тотального «засилья» на рынке 13
не стала развивать это направление развития и ограничила свои иссле-
дования биполярными транзисторами. Разработка МДП-транзисторов
была продолжена в Fairchild Semiconductor, куда перешли из Bell Labs семь
специалистов, не разделявших взгляды Шокли.
Новый тип логики на основе МОП-транзисторов, объединяющий оба
процесса – PMOS и NMOS, был разработан Са Чжитаном (Chih-Tang Sah)
и Фрэнком Уонласом (Frank Wanlass) из Fairchild и назван дополнитель-
ным МОП (КМОП). В феврале 1963 года они опубликовали результаты
исследований в статье. В июне 1963 года Уонласс подал заявку на патент
США 3.356.858 на схему КМОП, и он был выдан в 1967 году. Как в иссле-
довательской работе, так и в патенте при описании производства КМОП-
устройств было указано, что оно осуществлялось на основе термического
окисления кремниевой подложки с получением слоя диоксида кремния,
расположенного между контактом стока и контактом истока. Первые
микросхемы по технологии КМОП были получены в 1968 году [1.3], т.е.
через пять лет после получения первой биполярной микросхемы.
Следует отметить, что технологических проблем МДП-технологий в
начальный период развития было значительно больше, чем в биполярной
технологии. Вероятно, именно этим объясняется значительно больший
временной интервал от получения первых микросхем до промышленного
производства в КМОП-технологии по сравнению с биполярной.
Основными недостатками КМОП-технологии в первые годы ее раз-
вития были:
– низкая надежность;
– недостаточная стойкость к электростатическому пробою;
– большой логический перепад, равный напряжению питания, сни-
жавший и без того медленные схемы по причине большой длины
канала (порядка 10 мкм на первых схемах).
Со временем надежность микросхем возросла за счет совершенствова-
ния технологических процессов и повышения чистоты технологических
сред газов и растворов, применявшихся при изготовлении чипов ИС.
Проблемы электростатического пробоя были решены путем разра-
ботки схем и методов, обеспечивших непопадание высокого напряжения
электростатических разрядов на затворы МОП-транзисторов.
Быстродействие КМОП-микросхем росло вместе с уменьшением
размеров элементов. При этом кроме уменьшения непосредственно то-
пологических размеров, обеспеченного фотолитографией, существенное
значение для миниатюризации транзисторов сыграло одно техническое
14 Глава 1. Страничка истории
решение, примененное в 1968 году в компании Bell Labs. Разработчики
компании сменили материал затвора с алюминия на поликремний. Это
обеспечило возможность самосовмещения областей стока/истока с
границами затвора, т.к. поликремний служил маской при имплантации
примеси в области стоков/истоков и обеспечивал возможность по-
следующей высокотемпературной обработки для активации примесей,
что невозможно сделать при алюминиевом затворе. Несмотря на то что
сопротивление затвора стало существенно выше, преимущества новой
конструкции быстро завоевали популярность и все компании перешли
на технологии с применением поликремния в качестве затвора [1.1].
Описание изменений в конструкциях компонентов и технологии из-
готовления представлены в следующих главах.
Несмотря на первенство в получении первой микросхемы компанией
Fairchild Semiconductor, первой компанией, осуществившей коммерче-
ское производство КМОП-микросхем, оказалась известная в то время
американская компания RCA. Были разработаны схемы КМОП для
компьютера ВВС в 1965 году, а также КМОП микросхема статической
памяти емкостью 288 бит в 1968 году. RCA также использовала КМОП
для своих интегральных схем серии 4000 в 1968 году, начиная с процесса
производства микросхем с размерами элементов 20 мкм до 10-микрон-
ного процесса в течение следующих нескольких лет.
Любопытно, что полупроводниковая промышленность США на на-
чальном этапе недооценила перспективность КМОП-технологии (RCA
можно считать исключением). Причиной этого являются перечисленные
выше недостатки и погоня за быстродействием, которая до 90-х годов
обеспечивалась биполярными микросхемами на основе ТТЛ и ЭСЛ-
логики. Это дало уникальный шанс японским полупроводниковым ком-
паниям. КМОП-технология была быстро принята и усовершенствована
в Японии и широко применена в изделиях, требующих низкого энер-
гопотребления, что привело к развитию японской полупроводниковой
промышленности. Toshiba разработала C2MOS (Clocked CMOS), схемную
технологию с более низким энергопотреблением и более высокой ско-
ростью работы, чем у обычных КМОП, в 1969 году. Toshiba использовала
свою технологию C2MOS в целях разработки микросхем большой инте-
грации (БИС) для карманных калькуляторов, выпущенных в 1972 году.
С 1970-х годов в огромных количествах было развернуто производство
микросхем для различных часов.
Самые ранние микропроцессоры на основе МДП-транзисторов в
начале 1970-х изготавливались на основе р-МОП-технологий, которые
1.1. Создание КМОП ИС и причины тотального «засилья» на рынке 15
доминировали в то время. К концу 1970-х годов микропроцессоры на
основе п-МОП обогнали процессоры р-МОП. И только в 1975 году
КМОП-микропроцессоры были представлены в моделях Intersil 6100 и
RCA CDP 1801. Но они еще существенно уступали по быстродействию
аналогичным схемам на основе биполярных транзисторов. Процессоры
на основе КМОП-транзисторов стали доминирующими только после
середины 1980-х.
1.1.1. Появление КМОП-технологий в СССР
В имеющихся публикациях, в т. ч. и в [1.2], много сведений о людях
и изделиях, сыгравших существенную роль в развитии отечественной
микроэлектроники, но практически нет сведений о развитии и станов-
лении технологий. Данный абзац написан на основе воспоминаний
ветеранов НИИМЭ – «Микрона» и НИИТТ – «Ангстрема». Разработки
МОП-технологий и p-МОП-микросхем были начаты одновременно
уже в конце 60-х годов. И уже в 1969 году в 14-м отделе НИИМЭ были
получены первые образцы изделий на основе КМОП-транзисторов, есте-
ственно, с алюминиевым затвором и 10-микронными минимальными
размерами. Аналогично тому, как это было в США, эти первые микро-
схемы были весьма ненадежными. Технологи еще пока не знали, как
бороться с зарядом в диэлектрике. Соответственным было и отношение
завода «Микрон» к освоению этих микросхем. Кроме того, основной за-
дачей НИИМЭ было обеспечение быстродействия электронных систем
за счет быстродействия компонентов. Поэтому, естественно, главным
направлением разработок и освоения производства были биполярные
схемы и совершенствование их технологий. Работы по развитию КМОП-
технологий оказались в НИИМЭ на грани закрытия. Начальник отдела
М.А. Королев ушел в МИЭТ. Однако продолжение работ было поддер-
жано директором К.А. Валиевым. Благодаря этому в 1971 году появились
первые КМОП-схемы с хорошими показателями и удовлетворительной
надежностью. Эта технология пользовалась спросом со стороны НЗПП
(г. Новосибирск). Уже в 1972 г. первые логические и триггерные МОП ИС
начали осваиваться в НЗПП (164 и 172 серии КМОП ИС). Плодотворная
работа специалистов отдела 14 НИИМЭ и НЗПП продолжалась вплоть
до 1982 года. Как вспоминают ветераны, к 1980 году удалось разобрать-
ся с причинами возникновения зарядов в оксиде, был освоен процесс
формирования затворов из поликремния. А в 1982 году в «Микроне» и
НИИМЭ началось активное освоение КМОП-технологии уже с поли-
кремниевым затвором размером 3,0...2,5 мкм.
16 Глава 1. Страничка истории
Становление КМОП-технологий в НИИТТ и на заводе «Ангстрем»
происходило более динамично по причине того, что после переориен-
тации этих организаций с разработки и производства гибридных ИС на
монолитные их основным научно-техническим направлением было раз-
витие МОП- и КМОП-технологий и ИС на их основе. В июле 1973 года
были начаты первые разработки, а в конце 1974 года получены первые
образцы микросхем по технологии с алюминиевым затвором. Разработки
схем по технологии с поликремниевым затвором начались во втором
квартале 1978 года, а начало производства и выпуск первых образцов
реализованы уже в 1979 году.
Дальнейшее развитие технологий в России осуществлялось по извест-
ным причинам довольно экстенсивно и заморозилось на минимальных
размерах 1,0–0,8 мкм на пластинах диаметром 150 мм вплоть до 2006 года,
т.е. до начала реализации проекта «Микрона» по строительству фабрики
и освоению технологии уровня 180 нм на пластинах диаметром 200 мм.
1.2. Причины мирового перехода на КМОП-
технологию
Несколько слов о причинах тотального «засилья» КМОП-технологии в
общих объемах производства и продаж. По мере развития технологий
микросхем в соответствии с известным законом Мура уже в начале
80-х годов появились микросхемы, содержащие несколько десятков
тысяч транзисторов. Если бы эти микросхемы продолжили проектиро-
вать и изготавливать на основе биполярной технологии с ТТЛ-логикой,
то их мощность составили бы сотни ватт, что уже было совершенно
неприемлемо, не говоря уж о схемах следующих поколений. В логиче-
ских элементах КМОП-типа n-канальные и p-канальные транзисторы
соединены последовательно. При этом в статическом состоянии один
из этих транзисторов обязательно закрыт. Следовательно, статический
ток потребления логического элемента соответствует току утечки
транзистора, а это единицы наноампер и даже пикоамперы в случае
глубокосубмикронных технологий. Для примера: типовой статический
ток утечки в нормальных условиях схемы статического ОЗУ емкостью
1 Мбит («Микрон») составляет около 1 мА, а схема содержит примерно
8 миллионов транзисторов. Таким образом, получаем менее 0,3 нА на
один транзистор. Совершенно очевидно, что никакая другая схемотех-
ника, кроме КМОП, не может обеспечить создание современных СБИС
с количеством транзисторов в несколько сотен миллионов и более.