Схемотехническая часть последовательного регистра на RS-триггерах

Моделирование осуществлялось с помощью следующих программ из пакета 2-D моделирования TCAD:

· DIOS (моделирование технологических процессов создания полупроводниковых приборов);

· MDRAW (преобразование данных для последующих операций);

· DESSIS (построение ВАХ транзистора);

· INSPECT (расчет порогового напряжения транзистора);

В скрипте для программы DIOS (nmost_dio.cmd, pmost_dio.cmd) содержится список технологических операций, используемых при формировании транзистора. Текст скриптов приводится в Приложении 2 в Исходных кодах программ 1 и 2. Выходные файлы представляют собой графические результаты моделирования, просмотреть которые возможно прямо в программе DIOS в после окончания моделирования (рис. 2.2.1, 2.2.2).

Рис. 2.2.1. Результаты моделирования p-МОПТ в программе DIOS

Рис. 2.2.2. Результаты моделирования n-МОПТ в программе DIOS.

В скрипте для DESSIS (nmost_des.cmd, pmost_des.cmd) прописаны названия электродов и величины, характеризующие ВАХ транзистора (токи, напряжения). Текст скриптов приводится в Приложении 2 в Исходных кодах программ 3 и 4.

Программа INSPECT позволяет увидеть результаты работы программы DESSIS по построению ВАХ, а также рассчитать пороговые напряжения транзисторов. Для n-канального транзистора было получено значение VT = 0.80016445 В, для p-канального VT = -0.90085803 В. ВАХ транзисторов приведены на рис. 2.2.3 и рис. 2.2.4.

Получение требуемых пороговых напряжений осуществлялось с помощью контроля примеси в приповерхностной области транзистора: для nMOST - подлегированием бора, для pMOST - легированием кармана фосфором.

Рис. 2.2.3. Проходная ВАХ для p-канального транзистора, полученная в результате работы DESSIS.

Рис. 2.2.4. Проходная ВАХ для n-канального транзистора, полученная в результате работы DESSIS.

2.3 Использование эффекта понижения температуры плавления тонких пленок меди в процессе заполнения канавок и контактных окон для технологии многоуровневой металлизации кремниевых ИС

2.3.1 Введение

Уменьшение размеров и повышение плотности элементов в современных кремниевых интегральных схемах обуславливает уменьшение размеров межсоединений и увеличение числа их уровней. С одной стороны, эта тенденция привела к необходимости замены алюминия, традиционно используемого в качестве материала межсоединений, на медь. С другой - она привела к изменению технологии формирования многоуровневой системы межсоединений и разработке технологии «damascene», по которой межсоединения формируются путем заполнения траншей в диэлектрике и последующей планаризации. Выделим основные преимущества меди перед алюминием:

· более низкое удельное сопротивление, в результате чего уменьшается паразитная RC-задержка;

· более низкая величина электромиграции и стрессомиграции;

· наличие методов заполнения окон (полостей) с высоким аспектным соотношением.

Несмотря на преимущества, переход к новому материалу межсоединений порождает свои проблемы. При заполнении окон и траншей традиционными для микроэлектроники методами физического осаждения из газовой фазы (PVD) скорость осаждения на стенках и дне окон и траншей оказывается ниже, чем на поверхности диэлектрика. По этой причине заполнение происходит с образованием пустот, что не допустимо.

Для достижения однородного, беспустотного заполнения глубоких окон и траншей медью известны по меньшей мере три приема: химическое осаждение и газовой фазы, химическое осаждение и электрохимическое осаждение. Однако каждый из этих приемов требует специального оборудования и/или специальных реактивов. К тому же для указанных методов проблема беспустотного заполнения лишь отодвигается. Это связано с тем, что с уменьшением размеров возникает различие в скорости осаждения в углублениях и на поверхности - скорость осаждения в углублениях начинает ограничиваться доставкой реагентов внутри углублений, чего не бывает на поверхности. Другая проблема - поиск новых материалов диффузионно-барьерных слоев (ДБС) для медной металлизации. Наличие ДБС, отделяющего медный проводник от активной области, является необходимым, поскольку попадание атомов меди в эту активную область приводит к катастрофическому изменению электрофизических характеристик кремниевого полупроводникового прибора. Более того, ДБС нужен и для изоляции медного проводника от межслойного или межуровневого диэлектрика, так как атомы меди имеют высокую диффузионную подвижность не только в кремнии, но и в диэлектриках, в частности в .

2.3.2 Выбор материала для изготовления ДБС

Наиболее общим параметром, характеризующим температурно-временную стабильность гетерогенной структуры, является теплота (энергия) смешения её составляющих. Положительная величина указывает на тенденцию к обособлению фаз или даже к их расслоению. Кроме того, имеет смысл рассмотреть существование слоёв системы металлизации с более частных физико-химических позиций. С технологической точки зрения, деградацией является нарушение электрофизических параметров функциональных слоёв, вызванное изменением фазового состава. Вероятным вариантом деградации ДБС является протекание реакции между ним и контактирующими с ним другим материалом A в результате которой образуется соединение B: A+ДБС>В. Поэтому, с точки зрения уменьшения термодинамической движущей силы деградации, для затруднения протекания реакции между материалами изменение энергии Гиббса должно быть положительным, или хотя бы отрицательность ее должна быть незначительной:

Поэтому, теплота образования материала барьера должна быть сильно отрицательна, а вещества, образующиеся в процессе деградации максимально положительной. Вторым критерием стабильности являются кинетические ограничения, лимитирующие реализацию взаимодействия компонентов системы под действием термодинамического фактора. Среди кинетических факторов можно выделить следующие:

1) для уменьшения скорости выхода активированных атомов в зону реакции материал ДБС должен обладать поверхностной инактивностью компонентов, которую можно оценить по давлению собственных паров над поверхностью либо их теплотам сублимации.

2) на начальной стадии реакция протекает в зонах с повышенной свободной энергией, скорость диффузии на этих участках также сильно выше. Поэтому, для ликвидации межзёренной границы желательно существование материала в аморфном состоянии максимально долго при внешних воздействиях.

В результате проведённого исследования [4] был разработан сплав Ta-W-Si-N, который предотвратил проникновение алюминия на интерфейс с кремнием при отжиге 670 ?С (выше температуры плавления Al) в течении 30 минут. Что подтверждается проведённым Оже-исследованием (рис. 2.3.1).Удельное сопротивление данного сплава составляет 300-350 мкОм·см. Так же проводилось исследование барьерных свойств данного сплава в случае использования медного проводящего слоя. Исследование показало, что наилучшим оказался сплав Ta-W-N, т.е. с отсутствием кремния, при этом проникновение меди не было обнаружено даже при 800 ?С в течении 30 мин, что подтверждается Оже-исследованием (рис. 2.3.2). Удельное сопротивление этого сплава составляет 250-280 мкОм·см. Толщина исследованных ДБС равна 100нм. Причина выбора такого состава ДБС кроется в упомянутых выше критериях. Сплав Ta-W обладает очень отрицательной теплотой образования, которая была рассчитана по методу Миэдема, кроме того, тантал и вольфрам обладают высокой теплотой сублимации. Добавление азота и кремния обусловлено тем, что из литературы известны как аморфизирующие добавки. Так же из литературных источников азот известен как сильно подвижный в сплаве компонент, т.о. он в первую

Рис. 2.3.1. ОЭС-профиль структуры Al/Ta-W-Si-N/Si после отжига при 670 ?С 30 мин. (Al стравлен).

Рис. 2.3.2. ОЭС-профиль структуры Cu/Ta-W-N/TiSi2/Si после отжига при 800 ?С 30 мин. очередь попадает в зоны с повышенной свободной энергией и уменьшает её.

Добавление кремния позволяет снизить градиент концентрации между контактным и проводящим слоем, тем самым уменьшает движущую силу реакции. Однако, из-за наличия относительно легко образующегося силицида меди, присутствие кремния в составе медного ДБС нежелательно. Так же следует отметить, что проведённое XRD-исследование при нагреве свободных сплавов Ta-W-Si-N и Ta-W-N показало, что они сохраняют рентгено-аморфное состояние до температуры 700 °С, а в структуре

- до 800 °С.

Изучим процесс диспергирования и его зависимость от температуры для пленок меди из инертной поверхности слоя аморфного сплава , а также возможность его использования для заполнения канавок и контактных окон, сформированных в диэлектрическом материале.

2.3.3 Эффект скин-плавления и диспергирования тонкой пленки меди в зависимости от толщины

При отжиге структуры

, в которой толщина медного слоя составляла 20нм,

обнаруживается резкое повышение уже при температуре 635 °С, что ниже, чем температура деградации барьерного материала . Это возрастание обусловлено процессом диспергирования пленки меди на капли. [2]

На рис. 2.3.3 представлены РЭМ-микрофотография начальной и конечной стадий процесса диспергирования пленки меди толщиной 75 нм в структуре . Видно, что на начальной стадии (при 800 °С) медь уходит с отдельных небольших участков, оголяя слой , в то время как на всей остальной площади ее пленка сохраняет свою непрерывность (рис. 2.3.3,а). В конечном итоге (при 850 °С) медь собирается в капли, по форме похожие на капли жидкости (рис 2.3.3,б). Это указывает на то, что диспергирование пленки меди, вероятно, происходит, черед стадию плавления на инертной поверхности сплава . Эффект скин-плавления или понижения температуры плавления для тонких пленой малой толщины известен. Из классической термодинамики следует, что если пренебречь изменением площади поверхности и объема в результате фазового перехода, то температура плавления тонкой пленки толщиной изменяется в соответствии с выражением

, (1)

где - температура фазового перехода, в частности, плавления, системы при отсутствии поверхности; - изменение поверхностной энергии системы при переходе из твердого состояния в жидкое; А - площадь поверхности; - изменение энтальпии системы при переходе из твердого состояния в жидкое; V - объем системы.

Рис. 2.3.3. РЭМ - микрофотографии поверхности структуры

после отжига: а - при 800 °С (начальная стадия процесса диспергирования); б - при 850 °С (конечная стадия процесса диспергирования)

На рис. 2.3.4 приведена экспериментальная зависимость температуры диспергирования от толщины медного слоя в структуре . Аппроксимация к функции , где С - константа, 1356 К - температура плавления объемной меди, методом наименьших квадратов (кривая 1) показывает, что выражение (1) не описывает полученных экспериментальных результатов. Это вполне объяснимо, поскольку выражение (1) предполагает, что в процессе фазового перехода меняется только соотношение удельных величин поверхностей и объемной H энергий. В действительности система стремится снизить энергию в целом. При этом уменьшается отношение абсолютных значений поверхностных энергии к объемной. Это, в свою очередь, может быть достигнуто не только

Рис 2.3.4. Зависимость температуры диспергирования от толщины тонкой пленки меди на поверхности диффузионно-барьерного слоя аморфного сплава :

1. 2 - аппроксимация экспериментальных точек к функции (1) и (4) соответственно. изменением соотношения удельных энергий при фазовом переходе, но и изменением соотношения площади поверхности и объема, т.е. система стремится оптимизировать форму.

В твердом состоянии изменение соотношения площади поверхности и объема затруднено из-за диффузионного ограничения. Однако при переходе в жидкое состояние это ограничение исчезает. С этого момента начинается процесс собирания в капли, который является энергетически выгодным процессом уменьшения отношения площади поверхности к объему. Снижение энергии системы в результате оптимизации формы приводит к тому, что при этой же температуре возникает процесс кристаллизации. Таким образом, процесс диспергирования тонкой пленки на инертной подложке состоит из нескольких одновременно идущих физико-химических процессов, а именно: скин-плавления, оптимизации соотношения поверхности и объема, кристаллизации.

Температура процесса диспергирования будет описываться выражением

, (2)

где - поверхностная энергия границы пленка/вакуум; - поверхностная энергия границы пленка/подложка; и - изменения системы в результате плавления и кристаллизации соответственно; r - радиус капли. Следует отметить, что величина отрицательная в отличие от , поэтому процесс кристаллизации в результате собирания в капли также понижает температуру диспергирования пленки.

При фиксированной температуре, продолжительности отжига и толщине пленки h капля объемом может собраться в некоторой площади поверхности A'. Тогда радиус капли связан с толщиной пленки зависимостью

(3)

Отсюда функция, описывающая температурную зависимость процесса диспергирования тонкой пленки от толщины, имеет вид

, (4)

где , - константы.

Аппроксимация экспериментальных данных точек функции (4) действительно дает хороший результат с коэффициентом корреляции 0,98 (кривая 2 на рис. 2.3.4).

2.3.4 Заполнение медью узких канавок и контактных окон

Явление диспергирования тонкой пленки, включающее процессы скин-плавления, оптимизации формы и кристаллизации, может быть использовано для заполнения медью узких канавок и контактных окон с высоким аспектным соотношением. Важно, что процесс заполнения можно осуществлять при температуре, которая значительно ниже температуры плавления мели и при которой медь не проникает через ДБС. Более того, этой температурой можно варьировать, задавая толщину пленки (рис. 2.3.4). Для пленки меди, толщиной 100нм - это температура порядка 850 °С, для пленки толщиной 20нм - 700 °С.

Для успешного заполнения необходимо, чтобы поверхность, на которую осаждена медь, хорошо ею смачивалась. Отсутствие взаимодействия между ДБС и медью и, как следствие, плохое смачивание медью поверхности приводит к результату, демонстрируемому на рис. 2.3.5. На РЭМ-микрофотографии исходной структуры видно, что на боковых стенках канавок пленка меди тоньше (рис. 2.3.5,а), что характерно для методов PVD. В процессе термообработки при 850 °С медь не затекает в канавки, а собирается в шарики, которые подвешены на гребне структуры (рис. 2.3.5,б).

Рис. 2.3.5. РЭМ-микрофотографии скола структур : а - до отжига; б - после отжига при температуре 850 °С.

Хорошее смачивание возможно, когда поверхностная энергия межфазной границы пленки с нижележащим слоем стремится к нулю. Поскольку значения поверхностных энергий чаще всего неизвестны, выбор смачивающего слоя может быть сделан, исходя из склонности к взаимодействию пленки со смачивающим слоем. Наилучший вариант - это когда материалы пленки и смачивающего слоя образуют химические соединения. Поэтому в качестве материала смачивающего слоя был выбран титан, образующий с медью интерметаллиды.

Как видно из рис. 2.3.6, добавление смачивающего слоя титана толщиной 20 нм между слоями меди и Ta-W-N кардинально меняет ситуацию: медь однородно заполняет канавки, не образуя пор. Отметим, что это происходит практически при той же температуре, что и процесс диспергирования (850 °С для пленки меди толщиной 100 нм). Можно было ожидать, что введение смачивающего слоя повысит температуру процесса заполнения, поскольку в выражении (2) слагаемое, относящееся к плавлению, уменьшается, а слагаемое, относящееся к собиранию в капли, практически исчезнет. Вероятно, это так и происходит на плоской поверхности.

Рис. 2.3.6. Заполнение медью углублений в результате отжига структур при 850 °С с шириной канавки 4 мкм (а) и 0,7 мкм (б)

При введении смачивающего слоя тонкий слой меди лишается возможности уменьшения соотношения поверхности и объема. Однако, стремление к этому система сохраняет. Для тонкого медного слоя наличие и контактных колодцев, искусственно сформированных на поверхности, - это новая возможность уменьшения соотношения поверхности и объема. Это проявляется в том, что в равенстве (2) вновь появляется последнее слагаемое, где r в этом случае - глубина канавки или контактного колодца при условии, что энергия межфазной границы между слоем меди и смачивающим слоем близка к нулю. Таким образом, наличие канавок и контактных колодцев должно вызывать понижение температуры заполнения (при идеальном смачивающем слое с увеличением глубины канавок или контактных колодцев это снижение должно становиться заметнее).

2.4 Выводы

В ходе работы был разработан технологический маршрут производства КМОП-пары транзисторов, которые удовлетворяю топологическим нормам, указанным в ТЗ. Этот маршрут (урезанный, содержащий только основные технологические операции, не критичные при компьютерном моделировании) был промоделирован с помощью пакета программ TCAD, в результате чего были уточнены режимы технических операций. Пороговое напряжение VT(nMOST) составило 0.80016445 В, VT(pMOST) = -0.90085803 В, при требуемых соответственно 0.8 и -0.9 В.

В заключительной части был проанализирован эффекта понижения температуры плавления тонких пленок меди и возможность его использования в процессе заполнения канавок и контактных окон для технологии многоуровневой металлизации кремниевых ИС. Было продемонстрирована возможность заполнения окон с различным аспектным соотношением в диэлектрике при использовании метода физического осаждения меди из газовой фазы на инертной поверхности диффузионно-барьерного слоя аморфного сплава . Температура такого процесса ниже температуры плавления объемной меди и зависит от толщины пленки меди. С точки зрения технологии существенно, что, задавая толщину пленки меди, можно управлять температурой процесса заполнения. При недостаточно полном заполнении медью канавок и контактных окон можно однородно дозаполнить медью обычными методами физического осаждения из газовой среды, или также можно осуществить методом электрохимического осаждения, не имея сложного технологического оборудования.

Заключение

В ходе работы был разработан технологический маршрут производства КМОП-пары транзисторов, которые удовлетворяю топологическим нормам, указанным в ТЗ. Этот маршрут (урезанный, содержащий только основные технологические операции, не критичные при компьютерном моделировании) был промоделирован с помощью пакета программ TCAD, в результате чего были уточнены режимы технических операций. Пороговое напряжение VT(nMOST) составило 0.80016445 В, VT(pMOST) = -0.90085803 В, при требуемых соответственно 0.8 и -0.9 В.

В заключительной части был проанализирован эффект понижения температуры плавления тонких пленок меди и возможность его использования в процессе заполнения канавок и контактных окон для технологии многоуровневой металлизации кремниевых ИС. Была продемонстрирована возможность заполнения окон с различным аспектным соотношением в диэлектрике при использовании метода физического осаждения меди из газовой фазы на инертной поверхности диффузионно-барьерного слоя аморфного сплава . Температура такого процесса ниже температуры плавления объемной меди и зависит от толщины пленки меди. С точки зрения технологии существенно, что, задавая толщину пленки меди, можно управлять температурой процесса заполнения. При недостаточно полном заполнении медью канавок и контактных окон можно однородно дозаполнить медью обычными методами физического осаждения из газовой среды, или также можно осуществить методом электрохимического осаждения, не имея сложного технологического оборудования.

Список литературы

1. Зи С. Технология СБИС. - М.: Мир, 1986.

2. Известия ВУЗов. Электроника. - М.: МИЭТ, 6`2004.

3. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов.- М.: Техносфера, 2002.

4. Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д., Евдокимов В.Л. Высокостабильные диффузионно-барьерные материалы на основе сплава Ta-W для медной и алюминиевой металлизации кремниевых СБИС - Дивноморское, Россия, 2002. Доклады Восьмой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники».

5. Ю.А. Браммер, И.Н. Пащук. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Высшая школа, 1999.

6. Ю.Ф. Опадчий и др. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Телеком, 1999.

7. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 2003.

Приложение 1

Топологические чертежи устройств

Рис. 2. 2И-НЕ.

Рис.1.Инвертор

Рис. 4. Последовательный регистр.

Рис. 3. RS-триггер.

Электрические схемы и временные диаграммы работ устройств

а)

б)

Рис. 5. Электрическая схема (а) и временная диаграмма работы (б) инвертора

б)

а)

Рис. 6. Электрическая схема (а) и временная диаграмма работы (б) элемента 2И-НЕ.

Рис.7. Временная диаграмма работы RS-триггера.

Рис.8. Временная диаграмма работы последовательного регистра.

Приложение 2

Исходный код программы 1

TITLE('simple nmos example')