В технологии изготовления полупроводниковой электроники самосовмещенный затвор — это подход к изготовлению транзисторов , при котором затворный электрод МОП-транзистора (МОП-транзистор с металл-оксидом-полупроводником) используется в качестве маски для легирования областей истока и стока . Эта технология обеспечивает естественное и точное совмещение затвора с краями истока и стока.
Использование самосовмещенных затворов в МОП-транзисторах является одним из ключевых нововведений, которые привели к значительному увеличению вычислительной мощности в 1970-х годах. Самосовмещенные затворы до сих пор используются в большинстве современных процессов интегральных схем .
Интегральные схемы (ИС или «чипы») производятся в ходе многоэтапного процесса, в ходе которого на поверхности кремниевого диска, называемого « пластиной », наносится несколько слоев. Каждый слой формируется путем покрытия пластины фоторезистом и последующего воздействия на нее ультрафиолетового света, проходящего через трафаретную « маску ». В зависимости от процесса фоторезист, подвергшийся воздействию света, либо затвердевает, либо размягчается, и в любом случае более мягкие части затем смываются. В результате на поверхности пластины образуется микроскопический рисунок, где часть верхнего слоя экспонируется, а остальная часть защищена оставшимся фоторезистом.
Затем пластина подвергается различным процессам, которые добавляют или удаляют материалы из частей пластины, которые не защищены фоторезистом. В одном из распространенных процессов пластина нагревается примерно до 1000 °C, а затем подвергается воздействию газа, содержащего легирующий материал (обычно бор или фосфор), который изменяет электрические свойства кремния. Это позволяет кремнию стать донором электронов, рецептором электронов или почти изолятором в зависимости от типа и/или количества легирующей примеси. В типичной ИС этот процесс используется для производства отдельных транзисторов , которые составляют ключевые элементы ИС.
В MOSFET три части транзистора — это исток, сток и затвор (см. схему). «Полевой эффект» в названии относится к изменениям проводимости, которые происходят при подаче напряжения на затвор. Ключевым моментом является то, что это электрическое поле может привести к тому, что область «канала», разделяющая исток и сток, станет того же типа, что и исток-сток, тем самым включив транзистор. Поскольку ток не течет от затвора к стоку, энергия переключения полевого транзистора очень мала по сравнению с более ранними типами биполярных транзисторов , где затвор (или база, как его называли) был на одной линии с током.
В ранних методах изготовления МОП-транзисторов затвор изготавливался из алюминия , который плавится при температуре 660 °C, поэтому его приходилось наносить на одном из последних этапов процесса после завершения всех стадий легирования при температуре около 1000 °C.
Пластина в целом сначала выбирается с определенным электрическим качеством, например, смещенным либо положительно, или "p", либо отрицательно, "n". На иллюстрации базовый материал - "p" (называемый n-каналом или nMOS). Затем используется маска для создания областей, где будут размещены отрицательные "n" секции транзисторов. Затем пластина нагревается примерно до 1000 °C и подвергается воздействию легирующего газа, который диффундирует в поверхность пластины для создания "n" секций. Затем на пластине выращивается тонкий слой изолирующего материала (диоксида кремния). Наконец, затвор формируется поверх изолирующего слоя в новой фотолитографической операции. Чтобы гарантировать, что затвор фактически перекрывает лежащий под ним исток и сток, материал затвора должен быть шире зазора между n секциями, как правило, в три раза. Это тратит пространство и создает дополнительную емкость между затвором и истоком-стоком. Эта паразитная емкость требует, чтобы весь чип работал на высоких уровнях мощности для обеспечения чистого переключения, что неэффективно. Кроме того, изменение смещения затвора относительно базового истока-стока означает, что существует высокая изменчивость от чипа к чипу, даже когда они работают правильно.
Самовыравнивающийся затвор развивался в несколько этапов до своей нынешней формы. Ключом к прогрессу было открытие того, что сильно легированный поликремний был достаточно проводящим, чтобы заменить алюминий. Это означало, что слой затвора мог быть создан на любой стадии многоэтапного процесса изготовления . [1] : стр. 1 (см. рис. 1.1)
В самовыравнивающемся процессе ключевой слой затвора-изоляции формируется вблизи начала процесса. Затем затвор осаждается и формируется сверху. Затем истоки-стоки легируются (для поликремния затворы легируются одновременно). Таким образом, рисунок истока-стока представляет только внешние края истока и стока, внутренний край этих секций маскируется самим затвором. В результате исток и сток «самовыравниваются» с затвором. Поскольку они всегда идеально расположены, нет необходимости делать затвор шире, чем требуется, и паразитная емкость значительно уменьшается. Время выравнивания и изменчивость от чипа к чипу также уменьшаются. [2]
После ранних экспериментов с различными материалами затвора с использованием алюминия , молибдена и аморфного кремния , полупроводниковая промышленность почти повсеместно приняла самосовмещенные затворы, изготовленные из поликристаллического кремния (полисиликона), так называемую технологию кремниевого затвора (SGT) или технологию «самосовмещенного кремниевого затвора», которая имела много дополнительных преимуществ по сравнению с уменьшением паразитных емкостей. Одной из важных особенностей SGT было то, что транзистор был полностью скрыт под высококачественным термическим оксидом (одним из лучших известных изоляторов), что позволило создавать новые типы устройств, невозможные с помощью обычной технологии или самосовмещенных затворов, изготовленных из других материалов. Особенно важны приборы с зарядовой связью (ПЗС), используемые для датчиков изображения, и устройства энергонезависимой памяти, использующие плавающие структуры кремниевого затвора. Эти устройства значительно расширили диапазон функциональности, который мог быть достигнут с помощью твердотельной электроники.
Для создания самовыравнивающихся литников потребовались некоторые нововведения: [3]
До этих инноваций самосовмещающиеся затворы демонстрировались на устройствах с металлическим затвором , но их реальное применение проявилось в устройствах с кремниевым затвором.
Технология алюминиевого затвора МОП началась с определения и легирования областей истока и стока МОП-транзисторов, за которыми следовала маска затвора, определяющая область тонкого оксида транзисторов. С дополнительными этапами обработки алюминиевый затвор затем формировался над областью тонкого оксида, завершая изготовление устройства. Из-за неизбежного смещения маски затвора относительно маски истока и стока, было необходимо иметь довольно большую область перекрытия между областью затвора и областями истока и стока, чтобы гарантировать, что область тонкого оксида будет соединять исток и сток, даже при наихудшем смещении. Это требование приводило к паразитным емкостям затвор-исток и затвор-сток, которые были большими и изменялись от пластины к пластине в зависимости от смещения маски оксида затвора относительно маски истока и стока. Результатом был нежелательный разброс в скорости производимых интегральных схем и гораздо более низкая скорость, чем теоретически возможно, если бы паразитные емкости можно было свести к минимуму. Емкостью перекрытия с наиболее неблагоприятными последствиями для производительности была паразитная емкость затвор-сток, Cgd, которая, благодаря известному эффекту Миллера, увеличивала емкость затвор-исток транзистора на Cgd, умноженную на коэффициент усиления схемы, частью которой был этот транзистор. Влиянием было значительное снижение скорости переключения транзисторов.
В 1966 году Роберт В. Бауэр понял, что если сначала определить затворный электрод, то можно будет не только минимизировать паразитные емкости между затвором и истоком и стоком, но и сделать их нечувствительными к несоосности. Он предложил метод, в котором сам алюминиевый затворный электрод использовался в качестве маски для определения областей истока и стока транзистора. Однако, поскольку алюминий не выдерживал высокой температуры, необходимой для обычного легирования переходов истока и стока, Бауэр предложил использовать ионную имплантацию, новую технологию легирования, которая все еще разрабатывалась в Hughes Aircraft, его работодателе, и пока недоступна в других лабораториях. Хотя идея Бауэра была концептуально обоснованной, на практике она не работала, поскольку было невозможно адекватно пассивировать транзисторы и восстановить радиационные повреждения, нанесенные кремниевой кристаллической структуре ионной имплантацией, поскольку эти две операции потребовали бы температур, превышающих те, которые выдерживает алюминиевый затвор. Таким образом, его изобретение обеспечило доказательство принципа, но ни одна коммерческая интегральная схема не была произведена с помощью метода Боуэра. Требовался более тугоплавкий материал затвора.
В 1967 году Джон К. Сарас и его коллеги из Bell Labs заменили алюминиевый затвор электродом из вакуумно-испаренного аморфного кремния и успешно построили работающие МОП-транзисторы с самосовмещенным затвором. Однако описанный процесс был лишь доказательством принципа, подходящим только для изготовления дискретных транзисторов, а не для интегральных схем; и не был далее исследован
В 1968 году в МОП-индустрии преобладало использование алюминиевых затворных транзисторов с высоким пороговым напряжением (HVT) и желали иметь низкопороговый (LVT) процесс МОП для увеличения скорости и снижения рассеиваемой мощности интегральных схем МОП . Низкопороговые транзисторы с алюминиевым затвором требовали использования ориентации кремния [100], что, однако, давало слишком низкое пороговое напряжение для паразитных МОП-транзисторов (МОП-транзисторы, созданные, когда алюминий над полевым оксидом будет соединять два перехода). Чтобы увеличить паразитное пороговое напряжение за пределы напряжения питания, необходимо было увеличить уровень легирования N-типа в выбранных областях под полевым оксидом, и это было первоначально достигнуто с использованием так называемой маски-стоппера канала, а затем с помощью ионной имплантации.
SGT была первой технологической технологией, использованной для изготовления коммерческих МОП-интегральных схем, которая впоследствии была широко принята всей отраслью в 1960-х годах. В конце 1967 года Том Кляйн, работавший в Fairchild Semiconductor R&D Labs и подчинявшийся Лесу Вадасу , понял, что разница в работе выхода между сильно легированным кремнием P-типа и кремнием N-типа была на 1,1 вольта ниже, чем разница в работе выхода между алюминием и тем же кремнием N-типа. Это означало, что пороговое напряжение МОП-транзисторов с кремниевым затвором могло быть на 1,1 вольта ниже, чем пороговое напряжение МОП-транзисторов с алюминиевым затвором, изготовленных из того же исходного материала. Следовательно, можно было использовать исходный материал с ориентацией кремния [111] и одновременно достигать как адекватного паразитного порогового напряжения, так и транзисторов с низким пороговым напряжением без использования маски-ограничителя канала или ионной имплантации под полевым оксидом. Таким образом, при использовании легированного кремниевого затвора P-типа можно будет не только создавать транзисторы с самосовмещенным затвором, но и процесс с низким пороговым напряжением, используя ту же ориентацию кремния, что и процесс с высоким пороговым напряжением.
В феврале 1968 года Федерико Фаггин присоединился к группе Леса Вадаша и был назначен ответственным за разработку технологии процесса МОП с низким пороговым напряжением и самосовмещенным затвором. Первой задачей Фаггина была разработка решения для точного травления для аморфного кремниевого затвора, а затем он создал архитектуру процесса и подробные этапы обработки для изготовления МОП-ИС с кремниевым затвором . Он также изобрел «скрытые контакты», метод создания прямого контакта между аморфным кремнием и кремниевыми переходами без использования металла, метод, который позволил добиться гораздо более высокой плотности схем, особенно для случайных логических схем.
После проверки и характеристики процесса с использованием разработанного им тестового шаблона Фаггин изготовил первые рабочие МОП-транзисторы с кремниевым затвором и тестовые структуры к апрелю 1968 года. Затем он разработал первую интегральную схему с использованием кремниевого затвора, Fairchild 3708, 8-битный аналоговый мультиплексор с декодирующей логикой, который имел ту же функциональность, что и Fairchild 3705, ИС с металлическим затвором, которую Fairchild Semiconductor с трудом производила из-за ее довольно строгих спецификаций.
Появление модели 3708 в июле 1968 года также послужило платформой для дальнейшего совершенствования процесса в последующие месяцы, что привело к отгрузке первых образцов модели 3708 клиентам в октябре 1968 года и к тому, что она стала доступна на общем рынке до конца 1968 года. В период с июля по октябрь 1968 года Фаггин добавил к процессу два дополнительных важных шага:
Благодаря кремниевому затвору долговременная надежность МОП-транзисторов вскоре достигла уровня биполярных ИС, что устранило одно из основных препятствий на пути широкого внедрения МОП-технологии.
К концу 1968 года технология кремниевых затворов достигла впечатляющих результатов. Хотя 3708 был разработан примерно с той же площадью, что и 3705, чтобы облегчить использование той же производственной оснастки, что и 3705, его можно было сделать значительно меньше. Тем не менее, он имел превосходную производительность по сравнению с 3705: он был в 5 раз быстрее, у него был примерно в 100 раз меньший ток утечки, а сопротивление во включенном состоянии больших транзисторов, составляющих аналоговые переключатели, было в 3 раза ниже. [4] : стр. 6-7
Технология кремниевого затвора (SGT) была принята Intel с момента ее основания (июль 1968 г.) и в течение нескольких лет стала основной технологией для изготовления интегральных схем МОП во всем мире, оставаясь таковой и по сей день. Intel также была первой компанией, разработавшей энергонезависимую память с использованием транзисторов с плавающим кремниевым затвором.
Первой микросхемой памяти , использующей технологию кремниевого затвора, была микросхема Intel 1101 SRAM (статическая память с произвольным доступом ), изготовленная в 1968 году и продемонстрированная в 1969 году. [5] Первый коммерческий однокристальный микропроцессор , Intel 4004 , был разработан Фаггином с использованием его технологии кремниевого затвора МОП-ИС. В архитектуру внесли свой вклад Марсиан Хофф , Стэн Мазор и Масатоши Шима . [6]
Конструкция самовыравнивающегося затвора была запатентована в 1969 году группой Кервина, Кляйна и Сарасе. [7] Она была независимо изобретена Робертом В. Бауэром (US 3,472,712, выдан 14 октября 1969 года, подан 27 октября 1966 года). Патент Bell Labs Кервина и др. был подан только 27 марта 1967 года, через несколько месяцев после того, как Р. В. Бауэр и HD Дилл опубликовали и представили первую публикацию этой работы на Международном собрании по электронным приборам в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1966 году. [8]
В судебном иске с участием Боуэра Апелляционный суд третьего округа постановил, что Кервин, Кляйн и Сарас были изобретателями самосовмещенного кремниевого затворного транзистора. На этом основании им был выдан основной патент US 3,475,234. На самом деле самосовмещенный затвор MOSFET был изобретен Робертом В. Бауэром US 3,472,712, выдан 14 октября 1969, подан 27 октября 1966. Патент Bell Labs Kerwin et al 3,475,234 был подан только 27 марта 1967 года, через несколько месяцев после того, как RW Bower и HD Dill опубликовали и представили первую публикацию этой работы под названием INSULATED GATE FIELD EFFECT TRANSISTORS FABRICATED WITHING THE GATE AS SOURCE-DRAIN MASK на Международной конференции по электронным приборам в Вашингтоне, округ Колумбия, 1966. Работа Бауэра описывала самосовмещенный затвор MOSFET, изготовленный как с алюминиевыми, так и с поликремниевыми затворами. Он использовал как ионную имплантацию, так и диффузию для формирования истока и стока, используя электрод затвора в качестве маски для определения областей истока и стока. Команда Bell Labs посетила это заседание IEDM в 1966 году и обсудила эту работу с Бауэром после его презентации в 1966 году. Бауэр впервые создал самосовмещенный затвор, используя в качестве затвора алюминий, а перед презентацией в 1966 году создал устройство, используя в качестве затвора поликремний.
Самовыравнивающийся затвор обычно включает в себя ионную имплантацию , еще одно новшество полупроводникового процесса 1960-х годов. Истории ионной имплантации и самовыравнивающихся затворов тесно взаимосвязаны, как изложено в подробной истории RB Fair. [9]
Первым коммерческим продуктом, использующим технологию самовыравнивающихся кремниевых затворов, был 8-битный аналоговый мультиплексор Fairchild 3708, разработанный в 1968 году Федерико Фаггином , который был пионером нескольких изобретений, чтобы превратить вышеупомянутые неработающие доказательства концепции в то, что впоследствии фактически приняла промышленность. [10] [11]
Важность самовыравнивающихся затворов заключается в процессе их изготовления. Процесс использования оксида затвора в качестве маски для диффузии истока и стока упрощает процесс и значительно повышает выход.
Ниже приведены шаги по созданию самовыравнивающегося затвора: [12]
Эти этапы были впервые созданы Федерико Фаггином и использовались в процессе Silicon Gate Technology, разработанном в Fairchild Semiconductor в 1968 году для изготовления первой коммерческой интегральной схемы с ее использованием, Fairchild 3708 [13]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )