Диэлектрические плёнки в технологии ИМС

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

На протяжении вот уже более трёх десятилетий выполняется эмпирический закон Гордона Мура – число элементов на полупровод-никовом чипе удваивается каждые полтора года. Такими же темпами увеличивается емкость модулей памяти, растёт быстродействие микропроцессоров, улучшаются параметры устройств, использующих полупроводниковую элементную базу. Развитие интегральных микросхем (ИМС), модулей памяти (RAM) и микропроцессоров (CPU) происходит в следующих направлениях:

– уменьшение минимального размера ширины линии/окна, l_min;

– увеличение числа элементов на чип, N_el;

– увеличение ёмкости модулей памяти, N_b;

– увеличение площади чипа, S_ch;

– увеличение диаметра пластин, D_w;

– уменьшение минимальной толщины диэлектрических плёнок, d_min;

– уменьшение глубины залегания p–n-переходов, x_j;

– уменьшение плотности электрически активных дефектов, N_d;

– увеличение числа уровней металлизации N_met.

Тенденции развития ИМС по годам сведены в таблицу.

Параметр
L_min, мкм N_el, эл./чип N_b, бит/чип S_ch, мм² D_w, мм d_min, нм X_j, нм N_d, см^–2 N_met DRAM N_met CPU	2×10⁶ 1 M 0.2 1…2	0.5 4×10⁷ 16 M 0.05	0.25 10⁹ 256 M 7.3 0.016 2…3	0.13 2×10¹⁰ 4 G 4.5 0.012	0.07 4×10¹¹ 64 G 3.5 0.005	0.03 4×10¹² 640 G 2.5 0.003

Подобное бурное развитие полупроводниковой микро- и наноэлектроники происходит исключительно за счёт разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов. Значительную роль при этом играет внедрение моделирования в разработку и проектирование ИМС.

Целью моделирования является сокращение сроков разработки и проектирования ИМС. Внедрение моделирования позволило уменьшить число итераций-коррекций при проектировании ИМС с 3–5 до 2–3 и тем самым сократить срок разработки с 1.5–3 лет до 4–6 месяцев и менее.

Существует несколько уровней моделирования:

1. Функциональное моделирование, целью которого является разра-ботка серии ИМС для разрабатываемой аппаратуры.

2. Схемотехническое моделирование, целью которого является раз-работка принципиальной электрической схемы каждой серии ИМС.

3. Элементное моделирование, целью которого является разработка библиотеки элементов для разрабатываемых ИМС.

4. Топологическое моделирование, целью которого является разра-ботка топологии разрабатываемых ИМС, а также комплекта шаблонов для изготовления ИМС.

5. Физико-технологическое моделирование, целью которого является разработка технологического маршрута изготовления ИМС, а также режимов операций (операционных карт).

Разработка завершается:

– изготовлением опытной партии ИМС;

– измерением параметров ИМС и тестовых структур;

– выявлением ошибок схемы / элементов / топологии / технологии;

– коррекцией схемы / элементов / топологии / технологии;

– изготовлением новой опытной партии с коррекциями;

– передачей разработки в серийное производство.

С увеличением степени интеграции ИМС (N_el) повышается и уровень сложности физико-технологического моделирования. Так, при проектиро-вании БИС с числом элементов на чип N_el » 10⁴ эл./чип использовались 1- и 2-мерные аналитические модели процессов с постоянным коэффициентом диффузии типа SUPREM-II, Техис-1. При проектировании СБИС с числом элементов N_el» 10⁵ эл./чип использовались 1-мерные численные модели типа SUPREM-III, ФАКТ-1, а при проектировании СБИС с числом элементов N_el» 10⁶ эл./чип – 2-мерные численные модели процессов с эффективным коэффициентом диффузии типа BICEPS, Дельта-2. При проектировании современных УБИС с числом элементов N_el³ 10⁷ эл./чип используются 1- и 2-мерные многочастичные численные модели с подвижными межслойными границами, учитывающие взаимодействия между частицами-компонентами (атомами примеси, собственными точечными дефектами и их комплексами) и их диффузию, типа SUPREM-4, TCAD, OLIMP, TITAN, ФАКТ-2, а также 3-мерные модели типа CUSTOM, XMAS, AMPITS-3D, TRIP.

ОКИСЛЕНИЕ

Диэлектрические плёнки в технологии ИМС

В технологии ИМС диэлектрические плёнки имеют следующее назначение:

– для маскирования при операциях локальной диффузии, имплантации, окисления, травления;

– электрической изоляции элементов ИМС, межсоединений, слоёв металлизации;

– защиты поверхности от окружающей среды и стабилизации параметров ИМС;

– в качестве активного диэлектрика в МДП-транзисторах и конденсаторах.

В технологии кремниевых ИМС обычно используются следующие диэлектрические плёнки: аморфный диоксид кремния (a-SiO₂), аморфный нитрид кремния (a-Si₃N₄), аморфный оксид алюминия (a-Al₂O₃), а также примесно-силикатные стёкла – борносиликатное (БСС), фосфорно-силикатное (ФСС), свинцово-силикатное (ССС) и др. Некоторые свойства диэлектрических плёнок приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Свойства диэлектрических плёнок

Свойства	a-SiO₂ (терм.)	a-Si₃N₄	a-Al₂O₃
Ширина запрещенной зоны, эВ Показатель преломления Диэлектрическая проницаемость Удельное сопротивление, Ом ·см Электрическая прочность, В/см Заряд на границе с кремнием, см^–2 Коэффициент диффузии Na, см²/с Относительная радиационная стойкость	8.9 1.46 ~10¹⁶ 10⁷ 10¹⁰ 10^–14	4.5 2.0 6.9 ~10¹⁶ 5×10⁶ 10¹² 10^–17…10^–18	1.67 8…9 10¹⁴…10¹⁵ 10⁶ 10¹¹…10¹² –

Как видно из таблицы, диэлектрические пленки a-Al₂O₃ обладают максимальной радиационной стойкостью, плёнки a-Si₃N₄ обладают наилучшими защитными свойствами от проникновения загрязняющих примесей, а плёнки термического a-SiO₂ имеют наименьший заряд на границе с кремнием. Последнее свойство плёнок a-SiO₂ наряду с высокими диэлектрическими свойствами и с другими вполне удовлетворительными электрофизическими свойствами обусловило широчайшее применение этих плёнок и особенно плёнок термического a-SiO₂ в технологии кремниевых ИМС.