Развитие технологии МОП ИС

Содержание

Стр.

Введение. 3

1 Развитие МОП ИС. 4

2 Принцип работы и структура МОП - транзистора 6

3 Технология n – канальных МОП СБИС. 8

3.1 Исходный материал. 10

3.2 Изоляция. 11

3.3 Легирование области канала. 12

3.4 Формирование затвора. 13

3.5 Формирование областей истока и стока. 14

3.6 Нанесение и оплавление фосфорно-силикатного стекла (ФСС) 15

3.7 Металлизация. 16

4 Особенности технологии КМОП БИС 17

5 Особенности субмикронных МОП – транзисторов. 21

5.1 Конструкции МОП - транзисторов в СБИС 23

5.2 Методы улучшения характеристик МОП - транзисторов. 26

Список использованных источников. 31

Введение

Схемы на МОП (металл - окисел - полупроводник) - транзисторах составляют в настоящее время значительную часть изделий, выпускаемых электронной про­мышленностью. На их основе строится большинство интеграль­ных схем с сверх большой (СБИС) и большой степенью интеграции. Схемы на МОП - транзисторах занимают доминирующее поло­жение при создании таких функционально законченных изделий, как постоянные и оперативные запоминающие устройства, микроконтроллеры, микропроцессоры, АЦП, ЦАП и т.д.

Благодаря своей высокой надежности и большой функцио­нальной сложности МОП СБИС позволяют строить более дешевую аппаратуру. При равной функциональной сложности они имеют меньшие геометрические размеры, чем схемы на би­полярных транзисторах, а процесс их изготовления, как пра­вило, проще, чем технология схем на биполярных приборах. Значительным достоинством МОП ИС является и то, что их применение в устройствах позволяет повысить надеж­ность и сложность последних, а также предсказывать параметры разрабатываемых на их основе систем [1].

Развитие технологии изготовления МОП ИС позволило повысить скорость работы цифровых микросхем, которые в настоящее время строятся на МОП транзисторах и уменьшить при этом габаритные размеры микросхем.

В работе рассматриваются основные этапы технологии, используемые при изготовлении МОП – транзисторов и тенденция развития технологии.

1 Развитие МОП ИС

Принцип работы полевого транзистора (МОП - транзистора) был известен ещё до появления биполярного транзистора. Однако лишь недавно, благодаря достижению стабильности и контролируемости технологического процесса МОП БИС стали реальностью.

Согласно литературным источникам, первые попытки построить активный полупроводниковый прибор, основанный на эффекте поля, были предприняты Лилиефельдом в начале 30 – х гг. О. Хейл запатентовал свое открытие в Великобритании в 1935 г. Первая действующая модель униполярного полевого транзистора была разработана фирмой Bell Telephone Laboratories, где в 1948 г. Бардиным и Бреттейном был открыт транзисторный эффект. Ученые наблюдали этот эффект в серии экспериментов по модуляции тока, протекающего через точеч­ные контакты с кристаллом германия. Их открытие проложило дорогу к разработке точечных транзисторов и к изобретению биполярных транзисторов, работа которых в большей степени основаны на инжекции неосновных носителей заряда, чем на полевом эффекте. Затем внимание исследователей переключи­лось на эти два типа биполярных транзисторов, и развитие полевых транзисторов фактически приостановилось.

В 1952 г. Шокли описал полевой транзистор с управляю­щим обратно смещенным р - n - переходом. Такие полевые тран­зисторы были впоследствии изготовлены и исследованы Декеем и Россом, которые в 1955 г. аналитически определили предель­ные параметры подобных транзисторов. Однако первые по­пытки изготовить полевой МОП - транзистор оказались безуспеш­ными, поскольку не удавалось получить контролируемую и ста­бильную поверхность.

В 1958 г. появилась первая монолитная ИС с биполярными плоскостными транзисторами.

Важным достижением в полупроводниковой технике явилась разработка в начале 60-х гг. кремниевой планарной технологии. Выращивание, травление и повторное выращивание изоли­рующего слоя окисла на поверхности кремниевой подложки позволили получить значительно более стабильную поверхность, а также контролировать геометрические размеры с большей точностью, чем это было возможно ранее. В результате на­ступил период в развитии МОП - транзисторов, когда стало воз­можным заменить ими электронные лампы и дорогостоящие биполярные транзисторы. Попытки серийного производства МОП - транзисторов натолкнулись на трудности, связанные с миграцией заряда вдоль поверхности, которая приводила к ухудшению их электрических характеристик. С последующим улучшением технологии появились первые надежные дискретные МОП -транзисторы с воспроизводимыми параметрами.

ИС содержащая меньше 100 полевых транзисторов была изготовлена в 1961 г Bell Laboratories более чем через 30 лет после открытия принципа действия полевого транзистора.

Проблемы контроля технологического процесса постоянно беспокоили изготовителей МОП – схем вплоть до 1967 г. В это время процент годных МОП – схем со стабильными параметрами был увеличен как за счёт усовершенствования основного МОП процесса, так и за счёт усиления технологической дисциплины и установления строго контролируемой окружающей среды в чистых помещениях на критических этапах технологического процесса. Впоследствии процент входа годной продукции продолжал непрерывно расти благодаря накоплению производственного опыта и созданию лучших оборудования, инструментов и исходных материалов.

В дополнение к повышению качества материалов и оборудования значительно возрос и объем знаний в области физики поверхности полупроводников, что привело к усовершенствова­нию технологического процесса в некоторых его критических точках. Другим фактором, который помог увеличить выход годной продукции, было развитие схемотехники, позволившее полнее использовать специфические свойства МОП – транзисторов [1].

В 1969 году ИС на МОП транзисторах содержали от 1000 до 10000 транзисторов. 1971 году была придумана технология ионной имплантации, 1975 году благодаря технологии с самосовмещённого затвора, стало возможным производство СБИС (10000 – 100000 транзисторов).

В 1980 году – степень интеграции увеличилась до 100 000 транзисторов и больше на кристалле, и появились УБИС (ультра большие ИС).

Наконец, с 1990 годов производятся ИС с 1000000 и больше транзисторов. Благодаря развитию технологии одна микросхема малых размеров может выполнять множество функций и с большой производительностью.

2 Принцип работы и структура МОП - транзистора

Структура n-канального МОП - транзистора приведена на рис. 2.1. Затвор выполнен на металле, а сток и исток - на n-областях (при замене на p-области получается p-канальный транзистор). Области n(p) называют диффузионными. При подаче напряжений на затвор и сток (исток) под затвором образуется тонкий канал, по которому течет ток, создаваемый движением электронов (дырок) от истока к стоку в nМОП (pМОП) - транзисторе. Толщина канала составляет около 100 ангстрем. Поскольку подвижность электронов почти в 2,5 раза выше, чем подвижность дырок, проводимость открытого n МОП - транзистора в 2,5 раза больше проводимости p МОП - транзистора. МОП - транзисторы имеют следующие усредненные характеристики: входной ток - 5 мкА, входное сопротивление в статическом режиме - 106 Ом, сопротивление исток - сток закрытого транзистора 1012 Ом, сопротивление открытого транзистора - сотни Ом, паразитная емкость исток - сток - 10 пФ. В биполярном транзисторе движение носителей происходит в слое, имеющем значительно большую толщину, чем в канальном транзисторе. Биполярные транзисторы имеют следующие усредненные характеристики: входной ток - 1 мкА, входное сопротивление - сотни Ом, сопротивление открытого транзистора - десятки Ом, сопротивление закрытого транзистора - сотни кОм, паразитная емкость эмиттер - коллектор - 10 пФ.

1	2	3	4	5	6	7