Samonastavitelná brána - Self-aligned gate

V elektronice , je samo zarovnán brána je tranzistor funkce výroby, přičemž žáruvzdorná brána oblast elektrody je z MOSFET (kov-oxid-polovodič unipolární tranzistor) se používá jako maska pro dotování zdrojových a vypouštěcích oblastí. Tato technika zajišťuje, že brána bude mírně překrývat okraje zdroje a odtoku.

Použití samonastavitelných hradel v tranzistorech MOS je jednou z klíčových inovací, které vedly k velkému nárůstu výpočetního výkonu v 70. letech. Samonastavitelné brány se stále používají ve většině moderních procesů integrovaných obvodů .

Úvod

Image
Schéma standardního MOSFETu

IC konstrukce

Integrované obvody (IC, neboli „čipy“) se vyrábějí v několika krocích, které vytvářejí více vrstev na povrchu silikonového disku známého jako „ destička “. Každá vrstva je konstruována potažením destičky fotorezistem a jejím vystavením ultrafialovému světlu prosvícenému šablonovou „ maskou “. V závislosti na procesu fotorezist, který byl vystaven světlu, buď ztvrdne, nebo změkne, a v obou případech jsou potom měkčí části odplaveny. Výsledkem je mikroskopický vzor na povrchu destičky, kde je vystaven křemík, zatímco zbytek je chráněn pod zbývajícím fotorezistem.

Oplatka je poté vystavena řadě procesů, které přidávají nebo odstraňují materiály z částí oplatky, které nejsou chráněny fotorezistem. V jednom běžném procesu se oplatka zahřeje na asi 1000 ° C a poté se vystaví plynu obsahujícímu dopingový materiál, který mění elektrické vlastnosti křemíku. To umožňuje, aby se křemík stal donorem elektronů, elektronovým receptorem nebo izolátorem v závislosti na dopantu. V typickém návrhu integrovaného obvodu se tento proces používá k výrobě jednotlivých tranzistorů, které tvoří klíčové prvky integrovaného obvodu.

V konstrukci MOSFET (tranzistor s efektem kovu – oxidu – polovodičového pole) jsou třemi částmi tranzistoru zdroj, odtok a hradlo (viz schéma). Ty jsou od sebe odděleny materiály, které by normálně byly izolační. „Efekt pole“ v názvu odkazuje na změny vodivosti, ke kterým dochází při umístění napětí na bránu. Tím se vytvoří elektrické pole, které způsobí, že se materiál mezi zdrojem a odtokem stane vodivým, čímž se tranzistor „zapne“. Protože z brány do odtoku neproudí žádný proud, je spínací energie FET velmi malá ve srovnání s dřívějšími typy tranzistorů, kde brána (nebo základna, jak byla známá) byla v souladu s proudem.

Starší metodologie

V raných metodikách výroby IC byla kabeláž mezi tranzistory vyrobena z hliníku . Hliník se taví při 660 ° C, takže po dokončení všech dopingových fází při teplotě 1000 ° C se musel jako jeden z posledních kroků procesu nanášet.

V běžném případě je oplatka jako celek nejprve předpjatá, aby měla zvláštní elektrickou kvalitu, na obrázku je základní materiál předpjatý kladně, nebo „p“. Maska se poté použije k vytvoření oblastí, kde budou umístěny záporné části tranzistorů. Oplatka se poté zahřeje na asi 1 000 ° C a vystaví se plynu, který difunduje do povrchu oplatky za vzniku sekcí „n“. Tenká vrstva izolačního materiálu se poté navrství na horní část oplatky. Nakonec je brána vzorována na izolační vrstvě.

Proces fotomasky a litografie není dokonalý, takže zdroj a odtok nejsou navzájem dokonale paralelní. Navíc, když se oplatka pohybuje z kroku na krok, musí být pečlivě vyrovnána, aby byla nová maska ​​ve správné poloze vzhledem k předchozím krokům, a toto vyrovnání není nikdy dokonalé. Aby bylo zajištěno, že brána skutečně pokrývá podkladový zdroj a odtok, musí být materiál brány širší než mezera mezi n sekcemi, obvykle až třikrát.

Výsledkem je, že brána obsahuje značné množství kovu, který funguje jako kondenzátor . Tato parazitní kapacita vyžaduje, aby byl celý čip poháněn na vysokých úrovních výkonu, aby bylo zajištěno čisté přepínání. Nesprávné vyrovnání brány k podkladovému zdroji a odtoku navíc znamená, že existuje vysoká variabilita čipu k čipu, i když fungují správně.

Samonastavení

Samonastavitelná brána se vyvinula v několika krocích do své současné podoby. Klíčovým pokrokem bylo zjištění, že silně dotovaný křemík je dostatečně vodivý, aby nahradil hliník. To znamenalo, že vrstvu brány bylo možné vytvořit v jakékoli fázi procesu výroby ve více krocích .

V procesu samovyrovnávání je oplatka nejprve připravena zakrytím v izolační vrstvě, což bylo dříve provedeno těsně před koncem procesu. Brána je poté nahoře vzorovaná a silně dotovaná. N-sekce jsou poté vzorovány pomocí masky, která představuje pouze vnější okraje zdroje a odtoku, vnitřní okraj těchto sekcí je maskován samotnou bránou. Výsledkem je, že zdroj a odtok se „samy vyrovnávají“ s bránou. Vzhledem k tomu, že jsou vždy perfektně umístěné, není třeba bránu rozšiřovat, než je požadováno, a parazitní kapacita je výrazně snížena. Rovněž se zkrátí doba zarovnání a variabilita čipu k čipu.

Po raných experimentech s různými materiály hradel využívajících hliník , molybden a amorfní křemík si polovodičový průmysl téměř univerzálně osvojil samovyrovnávací hradla vyrobená z polykrystalického křemíku, tzv. Technologie křemíkového hradla (SGT), která měla oproti snížení parazitních kapacit. Jedním z důležitých rysů SGT bylo, že křemíková brána byla zcela pohřbena pod vysoce kvalitním tepelným oxidem (jeden z nejlepších známých izolátorů), což umožnilo vytvářet nové typy zařízení, což není možné u konvenční technologie nebo u samonastavitelných bran vyrobených jinými materiály. Obzvláště důležitá jsou zařízení s vazbou na náboj (CCD), používaná pro obrazové snímače, a energeticky nezávislá paměťová zařízení využívající plovoucí struktury křemíkové brány. Tato zařízení dramaticky rozšířila rozsah funkcí, kterých lze dosáhnout elektronikou v pevné fázi.

Aby bylo možné vytvořit samonastavitelné brány, byly nutné určité inovace:

Před těmito inovacemi byly na zařízeních s kovovou bránou předvedeny samonastavitelné brány , ale jejich skutečný dopad byl na zařízení se silikonovou bránou.

Dějiny

První MOSFET vynalezli Mohamed Atalla a Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959. Jako materiál kanálu použili křemík a hliníkovou (Al) bránu, která není vyrovnaná . Technologie procesu MOS s hliníkovou bránou začala definováním a dopingem zdrojových a odtokových oblastí tranzistorů MOS, následovala maska ​​brány, která definovala oblast tenkého oxidu tranzistorů. S dalšími kroky zpracování by se poté vytvořila hliníková brána přes oblast tenkého oxidu, která by dokončila výrobu zařízení. Kvůli nevyhnutelnému nesprávnému vyrovnání masky brány vzhledem ke zdrojové a odtokové masce bylo nutné mít mezi oblastí brány a oblastmi zdroje a odtoku poměrně velkou oblast překrytí, aby bylo zajištěno, že oblast tenkého oxidu překlenuje zdroj a odtok, a to i v nejhorším případě nesouososti. Tento požadavek vyústil v parazitní kapacity od brány ke zdroji a od brány k odtoku, které byly velké a proměnlivé od oplatky k oplatce, v závislosti na vychýlení masky oxidu brány vzhledem k masce zdroje a odtoku. Výsledkem bylo nežádoucí šíření rychlosti vytvářených integrovaných obvodů a mnohem nižší rychlost, než je teoreticky možné, pokud by bylo možné parazitní kapacity snížit na minimum. Překrývající se kapacita s nejnepříznivějšími důsledky na výkon byla parazitní kapacita gate-to-drain Cgd, která díky známému Millerovu efektu zvýšila kapacitu tranzistoru gate-to-source tranzistoru o Cgd vynásobenou ziskem obvod, jehož součástí byl tento tranzistor. Dopadem bylo značné snížení spínací rychlosti tranzistorů.

V roce 1966 si Robert W. Bower uvědomil, že pokud by byla definována hradlová elektroda jako první, bylo by možné nejen minimalizovat parazitní kapacity mezi bránou a zdrojem a odtokem, ale také by to bylo necitlivé na vychýlení. Navrhl metodu, při které byla samotná hliníková hradlová elektroda použita jako maska ​​k definování oblasti zdroje a odtoku tranzistoru. Jelikož však hliník nemohl odolat vysoké teplotě potřebné pro konvenční doping zdrojových a odtokových uzlů, navrhl Bower použít iontovou implantaci, novou dopingovou techniku, která je stále ve vývoji u Hughes Aircraft, jeho zaměstnavatele, a zatím není k dispozici v jiných laboratořích . Zatímco Bowerova myšlenka byla koncepčně správná, v praxi to nefungovalo, protože nebylo možné adekvátně pasivovat tranzistory a opravit radiační poškození struktury křemíkových krystalů iontovou implantací, protože tyto dvě operace by vyžadovaly vyšší teploty. z těch, které přežily hliníkové brány. Jeho vynález tedy poskytl důkaz principu, ale žádný komerční integrovaný obvod nebyl nikdy vyroben Bowerovou metodou. Bylo zapotřebí více žáruvzdorného materiálu brány.

V roce 1967 John C. Sarace a spolupracovníci v Bell Labs nahradili hliníkovou bránu elektrodou vyrobenou z vakuově odpařeného amorfního křemíku a podařilo se jí vybudovat funkční tranzistory MOS s vlastní zarovnáním brány. Proces, jak je popsán, však byl pouze důkazem principu, vhodným pouze pro výrobu diskrétních tranzistorů, a nikoli pro integrované obvody; a jeho vyšetřovatelé ho již dále neprováděli.

V roce 1968 průmysl MOS převážně používal tranzistory s hliníkovým hradlem s vysokým prahovým napětím (HVT) a chtěl mít proces MOS s nízkým prahovým napětím (LVT), aby zvýšil rychlost a snížil ztrátový výkon integrovaných obvodů MOS . Nízkoprahové tranzistory s hliníkovým hradlem vyžadovaly použití [100] křemíkové orientace, která však vedla k vytvoření příliš nízkého prahového napětí pro parazitní MOS tranzistory (MOS tranzistory vznikly, když hliník přes oxid pole překlenul dva spoje). Ke zvýšení parazitního prahového napětí nad napájecí napětí bylo nutné zvýšit dopingovou hladinu typu N ve vybraných oblastech pod oxidem pole, což bylo zpočátku provedeno pomocí takzvané masky zátky kanálu a později s iontovou implantací.

Vývoj technologie křemíkové brány ve Fairchildu

SGT byla první procesní technologií používanou k výrobě komerčních integrovaných obvodů MOS, která byla později široce přijata celým průmyslem v 60. letech. Na konci roku 1967 si Tom Klein, pracující ve výzkumných a vývojových laboratořích Fairchild Semiconductor a odpovědný společnosti Les Vadasz , uvědomil, že rozdíl pracovních funkcí mezi silně dopovaným křemíkem typu P a křemíkem typu N byl o 1,1 voltu nižší než rozdíl pracovních funkcí mezi hliníkem a stejný křemík typu N. To znamenalo, že prahové napětí tranzistorů MOS se silikonovým hradlem mohlo být o 1,1 voltu nižší než prahové napětí tranzistorů MOS s hliníkovým hradlem vyrobeným ze stejného výchozího materiálu. Proto by bylo možné použít výchozí materiál s orientací křemíku [111] a současně dosáhnout jak adekvátní parazitní prahové napětí, tak nízkoprahové napěťové tranzistory bez použití masky zastavující kanál nebo iontové implantace pod oxidem pole. S křemíkovým hradlem dopovaným typem P by proto bylo možné nejen vytvářet samočinné hradlové tranzistory, ale také proces nízkého prahového napětí pomocí stejné křemíkové orientace procesu vysokého prahového napětí.

V únoru 1968 se Federico Faggin připojil ke skupině Les Vadasz a byl pověřen vývojem technologie procesu MOS s nízkým prahovým napětím a vyrovnáním brány. Fagginovým prvním úkolem bylo vyvinout řešení přesného leptání pro amorfní křemíkovou bránu a poté vytvořil architekturu procesu a podrobné kroky zpracování pro výrobu integrovaných obvodů MOS se silikonovou bránou . Vynalezl také „zakopané kontakty“, což je způsob přímého kontaktu mezi amorfním křemíkem a křemíkovými spoji bez použití kovu, což je technika, která umožňuje mnohem vyšší hustotu obvodů, zejména pro náhodné logické obvody.

Po ověření a charakterizaci procesu pomocí testovacího vzoru, který navrhl, vytvořil Faggin do dubna 1968 první funkční tranzistory a testovací struktury MOS křemíkových hradel. Poté navrhl první integrovaný obvod využívající křemíkovou bránu, Fairchild 3708, 8bitový analog multiplexer s dekódovací logikou, který měl stejnou funkcionalitu jako Fairchild 3705, IC s kovovou bránou, které Fairchild Semiconductor kvůli svým poměrně přísným specifikacím těžko dělal.

Dostupnost 3708 v červenci 1968 poskytla také platformu pro další zdokonalení procesu v následujících měsících, což vedlo k odeslání prvních 3708 vzorků zákazníkům v říjnu 1968 a jeho uvedení na trh pro všeobecné použití před koncem roku 1968 1968. V období od července do října 1968 přidal Faggin k procesu další dva důležité kroky:

  • Výměna vakuově odpařeného amorfního křemíku za polykrystalický křemík získaný depozicí v plynné fázi. Tento krok se stal nezbytným, protože odpařený amorfní křemík se zlomil tam, kde prošel přes „kroky“ na povrchu oxidu.
  • Použití získávání fosforu k absorpci nečistot, které jsou vždy přítomny v tranzistoru, což způsobuje problémy se spolehlivostí. Získávání fosforu umožnilo podstatně snížit svodový proud a zabránit posunu prahového napětí, které stále trápilo technologii MOS s hliníkovým hradlem (tranzistory MOS s hliníkovým hradlem nebyly vhodné pro získávání fosforu kvůli vysoké požadované teplotě).

Díky silikonové bráně dosáhla dlouhodobá spolehlivost tranzistorů MOS brzy úrovně bipolárních integrovaných obvodů, což odstranilo jednu hlavní překážku širokého přijetí technologie MOS.

Na konci roku 1968 dosáhla technologie křemíkové brány působivých výsledků. Ačkoli 3708 byl navržen tak, aby měl přibližně stejnou plochu jako 3705, aby se usnadnilo používání stejných výrobních nástrojů jako 3705, mohl být podstatně menší. Ve srovnání s 3705 měl nicméně vynikající výkon: byl 5krát rychlejší, měl stokrát menší svodový proud a odpor velkých tranzistorů tvořících analogové přepínače byl 3krát nižší.

Komercializace ve společnosti Intel

Technologie silicon-gate (SGT) byla přijata společností Intel při jejím založení (červenec 1968) a během několika let se stala základní technologií pro výrobu integrovaných obvodů MOS po celém světě, která přetrvává dodnes. Intel byl také první společností, která vyvinula energeticky nezávislou paměť pomocí plovoucích tranzistorů se silikonovou bránou.

Prvním paměťovým čipem, který používal technologii křemíkové brány, byl čip Intel 1101 SRAM (statická paměť s náhodným přístupem ), vyrobený v roce 1968 a představený v roce 1969. První komerční jednočipový mikroprocesor , Intel 4004 , byl vyvinut společností Faggin pomocí jeho technologie MOS IC na bázi křemíkové brány, spolu s Marcianem Hoffem , Stanem Mazorem a Masatoshi Shimou .

Originály dokumentů na SGT

  • Bower, RW a Dill, RG (1966). "Izolované tranzistory s efektem pole brány vyrobené s použitím brány jako masky odtoku zdroje". IEEE International Electron Devices Meeting, 1966
  • Faggin, F., Klein, T. a Vadasz, L .: „Izolované tranzistorové integrované obvody brány s efektem pole se silikonovými branami“. IEEE International Electron Devices Meeting, Washington DC, 1968 [1]
  • US 3475234 , Kerwin, RE; Klein, DL & Sarace, JC, „Metoda pro vytvoření struktury MIS“, vydaná 28. 10. 1969 
  • Federico Faggin a Thomas Klein .: „Rychlejší generace zařízení MOS s nízkými prahovými hodnotami jezde na vrcholu nové vlny, IC Silicon-Gate“. Titulní článek na Fairchild 3708, časopis „Electronics“, 29. září 1969.
  • Vadasz, LL; Grove, AS; Rowe, TA; Moore, GE (říjen 1969). „Technologie Silicon Gate“. IEEE Spectrum . str. 27–35.
  • F. Faggin, T. Klein "Silicon Gate Technology", "Solid State Electronics", 1970, sv. 13, s. 1125–1144.
  • US 3673471 , Klein Thomas & Faggin Federico, „Doped Semiconductor Electrodes for MOS Type Devices“, vydaný 27. června 1972, přidělený společnosti Fairchild Camera and Instruments Corporation, Mountain View, CA 

Patenty

Samořízený design brány byl patentován v roce 1969 týmem Kerwin, Klein a Sarace. Nezávisle jej vynalezl Robert W. Bower (US 3 472 712, vydaný 14. října 1969, podaný 27. října 1966). The Bell Labs Kerwin et al. patent 3 475 234 byl podán až 27. března 1967, několik měsíců poté, co RW Bower a HD Dill zveřejnily a představily první publikaci této práce na Mezinárodním setkání elektronových zařízení ve Washingtonu DC v roce 1966.

V rámci soudního sporu týkajícího se Boweru rozhodl třetí obvodní odvolací soud, že Kerwin, Klein a Sarace byli vynálezci tranzistoru se silikonovým hradlem. Na tomto základě jim byl udělen základní patent US 3 475 234. Vlastně samosvorná brána MOSFET byla vynalezena Robertem W. Bowerem v USA 3 472 712, vydaném 14. října 1969, podáno 27. října 1966. Patent Bell Labs Kerwin a kol. 3 475 234 byl podán až 27. března 1967 několik měsíců po RW Bower a HD Dill Publikovány a představeny první publikace této práce s názvem IZOLOVANÉ TRANSISTORY FIELD EFEKTU EFEKTU FABRIKOVANÉ POUŽITÍM BRÁNY JAKO ZDROJOVOU DRAINOVOU MASKU na International Electron Device Meeting, Washington, DC, 1966. Bowerova práce popisovala self-aligned-gate MOSFET, vyrobený z hliníkových a polysilikonových bran. K vytvoření zdroje a odtoku používal iontovou implantaci i difúzi pomocí hradlové elektrody jako masky k definování oblastí zdroje a odtoku. Tým Bell Labs se zúčastnil tohoto setkání IEDM v roce 1966 a diskutovali o této práci s Bowerem po jeho prezentaci v roce 1966. Bower nejprve vyrobil samořízenou bránu pomocí hliníku jako brány a před představením v roce 1966 vyrobil zařízení pomocí polykrystalického křemíku jako brány.

Vyrovnaná brána obvykle zahrnuje iontovou implantaci , další inovaci polovodičových procesů v 60. letech. Historie iontové implantace a samovyrovnávacích hradel jsou velmi vzájemně propojeny, jak je popsáno v hloubkové historii RB Fair.

Prvním komerčním produktem využívajícím technologii samonastavitelného křemíkového hradla byl 8bitový analogový multiplexor Fairchild 3708 z roku 1968, který navrhl Federico Faggin, který byl průkopníkem několika vynálezů s cílem proměnit výše uvedené nepracující důkazy koncepce na to, co toto odvětví ve skutečnosti přijato poté.

Výrobní proces

Důležitost samonastavitelných bran přichází v procesu, který se používá k jejich výrobě. Proces použití hradlového oxidu jako masky pro zdrojovou a odtokovou difúzi zjednodušuje proces a výrazně zlepšuje výtěžek.

Kroky procesu

Následují kroky při vytváření samoobslužné brány:

Image
Zařízení pro čisté prostory, kde se tyto kroky provádějí

Tyto kroky poprvé vytvořil Federico Faggin a byly použity v procesu technologie Silicon Gate Technology vyvinutém ve Fairchild Semiconductor v roce 1968 pro výrobu prvního komerčního integrovaného obvodu, který jej používá, Fairchild 3708

1. Jamky na oxidu pole jsou naleptány tam, kde mají být vytvořeny tranzistory. Každá jamka definuje zdroj, odtok a aktivní hradlové oblasti tranzistoru MOS.
2. Pomocí suchého procesu tepelné oxidace se na křemíkové destičce pěstuje tenká vrstva (5 až 200 nm) oxidu brány (SiO 2 ).
3. Použitím procesu chemické depozice v plynné fázi (CVD) se vrstva oxidu křemičitého vypěstuje na povrchu hradlového oxidu.
4. Na polysilikon se nanese vrstva fotorezistu .
5. Na fotorezist je umístěna maska ​​a je vystavena UV záření ; to rozloží vrstvu fotorezistu v oblastech, kde ji maska ​​nechránila.
6. Fotorezist je vystaven specializovanému vývojářskému řešení. Účelem je odstranit fotorezist, který byl rozbit UV zářením.
7. Polysilikon a oxid hradlový, které nejsou pokryty fotorezistem, jsou odleptány pufrovaným iontovým leptáním. Obvykle se jedná o kyselý roztok obsahující kyselinu fluorovodíkovou .
8. Zbytek fotorezistu je odstraněn z křemíkové destičky. Nad oxidem hradla a nad oxidem pole je nyní destička s polysilikonem.
9. Tenký oxid se odleptá a odhalí zdrojové a odtokové oblasti tranzistoru, s výjimkou oblasti hradla, která je chráněna polysilikonovým hradlem.
10. Použitím konvenčního dopingového procesu nebo procesu zvaného iontová implantace se dotuje zdroj, odtok a polysilikon. Tenký oxid pod křemíkovou bránou působí jako maska ​​pro dopingový proces. Díky tomuto kroku se brána sama vyrovná. Zdrojové a odtokové oblasti jsou automaticky správně zarovnány s (již na místě) bránou.
11. Oplatka je žíhána ve vysokoteplotní peci (> 800 ° C nebo 1 500 ° F). To difunduje dopant dále do krystalové struktury, aby se vytvořily oblasti zdroje a odtoku, a výsledkem je, že dopant mírně difunduje pod bránu.
12. Proces pokračuje depozicí par oxidu křemičitého k ochraně exponovaných oblastí a všemi zbývajícími kroky k dokončení procesu.

Viz také

Poznámky

Reference