Выбор структуры и подложки для КМОП ИС. (Лекция 3)

КМОП - структура

Варианты КМОП структур

Выбор кармана КМОП - структуры

Влияние температуры и среды на перераспределение примеси при окислении кремния
(N в

Инверсионный канал по краю кармана р-типа

[2]

1018

1017

1016

Латеральная диффузия бора

Рабочая область транзистора

Инверсный

Зависимость подвижности от электрического поля, легирования и температуры

Зависимость подвижности носителей от концентрации примеси

Пороговое напряжение МОП-транзистора

Выбор кармана КМОП - структуры

Карманы в КМОП структуре

Однокарманный вариант
Двухкарманный вариант

Выбор кармана КМОП - структуры

Подгонка порогового напряжения в двухкарманной КМОП-структуре

Uп п-канал
+1В
+0,5В
0В

Uп п-канал
+1В
+0,5В
0В

Uп р-канал
-1В
-0,5В
0В

1011 1012

Подгонка порогового напряжения в двухкарманной КМОП-структуре

Uп п-канал
+1В
+0,5В
0В

Uп п-канал
+1В
+0,5В
0В

Uп р-канал
-1В
-0,5В
0В

1011 1012

Возникает ли инверсный канал по периферии р-кармана в случае двухкарманной технологии?

1018

Токи утечки в двухкарманной КМОП структуре

Преимущества р+- р подложки

1. Улучшение качества полупроводника
2. Уменьшение потока неосновных носителей

Выращивание слитка кремния по методу Чохральского

С - 1016 см-3

О – 1018 см-3

SiO

Зависимость концентрации кислорода в кремнии от диаметра слитка

Дефекты кремния, вызванные преципитацией кислорода

Дефекты слитка кремния, вызванные преципитацией кислорода

Геттерирование примесей на границе раздела пленка-подложка

Зависимость подвижности носителей от концентрации носителей и ориентации подложки

[4]

Подвижность электронов, см2/Вс

Подвижность

Создание КМОП структуры на гибридно-ориентированной подложке

[4]

Стадия 1. Окисление рабочего слоя
монокремния

Механизм гидрофобного сращивания

HF

(газ)

Формирование гибридно-ориентированной подложки методом аморфизации и рекристаллизации кремния

Эпитаксия кремния +
осаждение нитрида

Конструкция и проблемы формирования наноразмерной КМОП структуры

[1]

Составной затвор:
- разные величины работы

Эффект защелкивания в КМОП структуре

[ 1 ]

Эффект защелкивания в КМОП структуре

КНИ КМОП структура

[2]

КМОП-структура на основе КНС

Недостатки КНС - структуры
106
102
Кремний
Сапфир ( Al2 O3

Nд

Улучшение КНС - структуры

Гетероэпитаксия Аморфизация ТО (11000С) - рекристаллизация
и

РЭМ - фото границы раздела КНС - структуры до и после

КНИ -структура

Преимущества КНИ КМОП структуры

Резкое уменьшение ёмкостей стока и истока на подложку
Уменьшенный

Уменьшение емкости сток/исток - подложка

Уменьшение емкости сток/исток - подложка

Увеличение быстродействия и уменьшение потребляемой мощности ИС ЗУ в случае КНИ

Увеличение порогового напряжения МОП-транзистора при последовательном соединении для объёмных КМОП

Образование электрон-дырочных пар при облучении полупроводниковой структуры

Повышение радиационной стойкости КНИ КМОП ИС

Температурная зависимость тока утечки КНИ и объемного МОП-транзисторов

Сращивание окисленных кремниевых пластин

[2]

Исходные структуры

Термокомпрессия (бондинг)

Утонение рабочего слоя

Бондинг-метод

Поверхность окисленной пластины кремния

Механизм гидрофильного бондинга

Механизм гидрофильного сращивания

2

H2O

Si–OH + OH–Si  Si–O–Si+H2O

Механизм гидрофильного сращивания

H2 O

Метод сращивания со стоп-слоем

[2]

Vтр n+ = 10 Vтр n

Подложка

Эпитаксия кремния

Бондинг

Окисление

Smart-cut - метод сращивания пластин кремния

Smart-cut - метод сращивания пластин кремния

[2]

Окисление кремния

Ионная имплантация водорода

Бондинг низкотемпературный

Образование

Образование пузырьков водорода

Механизм газового расщепления

Оксид кремния

ПЭМ изображение скрытого дефектного слоя

(а) после облучения, (б); после предварительного отжига

Влияние пыли на ионную имплантацию водорода

ПЭМ –изображение КНИ – структуры перед расщеплением

Заглубленный слой окисла (а) и

Зависимость прочности сращивания от зазора между пластинами при бондинге

1 – предельная

Формирование КНИ структуры методом имплантации кислорода ( SIMOX)

[2]

Исходная пдастина кремния

Ионная имплантацитя

Микрофотография косого шлифа первой SIMOX структуры (1976 год)

Ток ионного пучка

Факторы, влияющие на параметры КНИ-структуры

Доза ионов более 1018 см-2

Изменение распределения кислорода в процессе термообработки после имплантации (шнурование)

Влияние искусственных центров преципитации на распределение кислорода – «шнурование»

Поперечное сечение структур КНИ SIMOX, полученное с помощью ПЭМ

а) Сразу же

Структура ITOX–SIMOX подложки на различных стадиях технологии

а) ИИ кислорода: 180 кэВ,

ПЭМ–изображения поперечного сечения КНИ ITOX–SIMOX - структуры

а) сразу после имплантации;
б)

АСМ изображения поверхности кремния и границы раздела КНИ структур ITOX–SIMOX.

Трехмерная интегральная схема на основе КНИ - структуры

Бондинг и SIMOX

Трехмерная КМОП –структура этажерочного типа

Трехмерная КМОП – структура мезонинного типа

ZMR - процесс

Поликремний
Оксид кремния
Кремний

Лазерный луч

Монокристалл

Жидкая зона

Монокристалл Поликремний

Скорость движения луча - 40

Проблемы ZMR

Кристаллографические дефекты вследствие взаимодействия лазерного луча с кремнием
Изменение оптических

Требования к источнику лазерного излучения

Мощность излучения - более 20 Вт/см2

Косвенный лазерный нагрев (КЛН)

Антиотражающее покрытие
Молибден
Оксид кремния
Поликремний
Оксид кремния
Кремниевая монокристаллическая подложка

Луч лазера

Жидкая

Структура пленки кремния после рекристаллизации

Крупноблочная структура Поликреминй

Направление движения луча лазера

Конфигурации островков из поликремния

Влияние направления движения лазера на равномерность толщины пленки кремния

Результат ZMR обработки пленки поликремния

Поликремний

Крупноблочная структура

Островок монокристалл кремнияа

Направление движения луча лазера

КНИ МОП - транзистор, сформированный ZMR - процессом

Трехмерная КНИ КМОП ИС преобразователя сигналов (106 транзисторов 2 уровня ,МИЭТ

Токовые потоки в КНИ МОП транзисторе

A- нормальный верхний кана,, B –

Биполярный эффект в КНИ МОП транзисторе

Принцип работы полевого транзистора ( из патента Лилиенфельда, 1926 год )

Принцип работы беспереходного ( БПТ) КНИ МОП - транзистора

Изменение области обеднения в БПТ

Микрофотографии КНИ МОП БПТ

Области канала в инверсионном и БП транзисторах

Подвижность носителей в разных областях инверсионного и БП транзисторов

Зависимость подвижности электронов от концентрации примеси в кремнии

«Нанопроволочный» КНИ МОП БПТ

«Нанопроволочный» КНИ МОП БПТ

Конструкция и проблемы формирования наноразмерной КМОП структуры

[1]

Составной затвор:
- разные величины работы

Мелкая щелевая изоляция

- ограниченные литографией
размеры
- независимость ширины от глубины
- малая

Неоднородно легированный канал

- подавление короткоканальных
эффектов
- гало-области для подавления
спада

Подзатворный диэлектрик

- очень тонкий для подавления
короткоканальных эффектов
и

Составной затвор

- разные величины работы выхода
для затворов n- или p-