V L. Trontelj, J. Trontelj, S. Zorman UVOD Sodelavci Laboratorija za mikroelektroniko Fakultete za elektrotehniko, skupaj s strokovnjaki iz firme International Microelectronic Products, Inc. že več kot leto dni intenzivno delujejo na raziskavah in razvoju posameznih korakov v zahtevnem procesu CMOS, ki omogoča realizacijo analognih in digitalnih funkcij skupaj s pomnilniškimi elementi E^PROM. Končni cilj te dejavnosti naj bi bil utečen tehnološki proces z obširno knjižnico standardnih celic in z načrtovalskimi orodji za načrtovanje integriranih vezij za srenjo sistemskih inženirjev. Za tipičen operacijski ojačevalnik je v izbrani tehnologiji ciljni parameter produkta pasovne širine in ojačenja 300 MHz, komparator naj izvrši funkcijo v 6 nsec, sita SC naj delujejo v „uporabniškem" frekvenčnem področju za radio televizijske naprave. Digitalno analogni pretvorniki naj konverzijo o-pravijo s taktom 100 MHz. Ne nazadnje naj tehnologija omogoča realizacijo vezij za digitalno o-mrežje z dodanimi storitvami (ISDN). Skratka, tipične aplikacije v sodobni elektroniki zahtevajo višjo hitrost in natančnost obdelave informacij, programabilnosti in izboljšano integracijsko gostoto v skladu z Moorovim pravilom, ki je v mikroelektroniki v veljavi že dve desetletji. Celična zasnova funkcijskih blokov omogoča struk-turiran načrtovalski pristop. DILEME V RAZVOJU TEHNOLOGIJE Kvalitetna realizacija analognih vezij omogoča proces CiyiOS, ki zagotavlja med ostalim natančno izdelavo interpolisilicijevih kondenzatorjev, povsem izolirane bipolarne tranzistorje na vhodu vezja za zagotovitev čim nižjega šuma ter precizne tankoplastne upore. Po drugi plati zahteva „hitri" digitalni proces visoko transkonduktanco integriranih tranzistorjev in kompaktnost. Zaželena Je možnost doravnavanja in programiranja. Oba tipa elektronskih funkcij seveda težita za čim boljšo im-unostjo na degradacijo lastnosti integriranega tranzistorja, ki nastaja zaradi vročih elektronov v kratkem kanalu. Izbira tipa otoka je odvisna od več med seboj nasprotujočih si kriterijev. Realizacija z otokom p za tranzistor tipa n omogoča sicer trikratno transkonduktanco kot jo ima enak gradnik s kanalom p zaradi višje gibljivosti nosilcev. Seveda pa ima n kanalni gradnik večji „fiickerjev" šum v primerjavi z gradnikom tipa p. To „hibo" iahko „popravimo" z ustreznimi dimenzijami tranzistorja n, kot Je to razvidno iz izraza za šumno napetost (Enačba 1): - 2 I eq C„WL &f Enačba 1: Šumna napetost Uporabljeni simboli imajo standardno notifika-cijo. Aplikacije v biomedicinski nizkofrekvenčni elektroniki, kjer je nizek „fiickerjev" šum še posebej pomemben pa zahtevajo vhodno stopnjo na otoku n. Pri višjih frekvencah Je izbira tipa otoka manj pomembna. Porast pragovne napetosti in s tem povezano zmanjšanje dinamičnega območja za gradnike v otokih, bogatejših s primesmi v primerjavi z onimi na „visokoohmskem" substratu je lahko ovira za fleksibilnost v analognem načrtovanju. Posebej prirejen postopek z otokom n dovoljuje izvedbo izoliranega vertikalnega bipolarnega tranzistorja npn. Kolektor tega tranzistorja leži v otoku, njegova baza pa Je posebej difundirana. Taka izvedba ima seveda veliko prednosti pred konvencionaino lateralno. p E PROM pomnilniki so danes zgrajeni s tehnologijo z otokom n. Če torej tehtamo prednosti in slabosti otoka n v primerjavi z otokom p, se odločimo za otok n, saj Je z nJim možno realizirati vse omenjene ciljne parametre. Digitalni del vezja z napajalno napetostjo 5V shaja z debelino oksida pod krmilno elektrodo v velikosti vsega 25 nm. Brez potrebnih ukrepov pa se bo tranzistorju s tako tankim dielektrikom pod krmilno elektrodo že po nekaj urah obratovanja zmanjšala transkonduktanca za približno 10 %. To povzročijo vplivi vročih elektronov v kanalu. Sub~ stratni tok bo namreč pri napetosti 5,5V za tak gradnik presegel 5 % toka ponora. Električno polje v bližini spoja ponora je prevladujoči faktor, ki vpliva na degradacijo. Izraz za maksimalno električno polje Emax je z globino spoja ponora xj, njegovo napetostjo nasičenja Udsat in debelino izolatorja tox nad kanalom približno takle (Enačba 2): Ud - Udsat N Xj Enačba 2: Maksimalno električno polje To polje lahko zmanjšamo s strukturo LDD (niz-kodoplran ponor) skupaj z oksidnimi ločnlki. Taka rešitev dramatično poveča življenjsko dobo gradnika in tako zmanjša degradacijo zaradi vročih elektronov. Taka rešitev pa seveda vnese dodatno serijsko upornost ponora in izvora. Rezultirajoča karakteristika l-U kaže zmanjšan tok In transkon-duktanco ter zmanjšanje uporabnega področja nasičenja (slika 1). 4 3 _- 2_/ 1 /// -- Nekaj naših izkušenj je naštetih v naslednjem poglavju. JEDKANJE Za ilustracijo problematike, s katero se srečujemo pri plazma Jedkanju, lahko dobro služi primer jedkanja polisilicija. Najprej navedimo nekatere nastavljive parametre, ki vplivajo na izid jedkanja: * Tlak procesne komore ' Izhodna moč RF generatorja * Medelektrodna razdalja * Sestava plinske mešanice * Masni pretoki posameznih plinovv plinski mešanici Tudi trajanje jedkanja je lahko odločilno za kvaliteto Jedkanja. To kontroliramo po metodi končne točke. Ta omogoča določitev trenutka, ko je Jedkanje v glavnem končano ter s tem izključi poškodbo spodnje plasti. Številni nastavljivi parametri omogočajo optimizacijo Jedkalnih programov. Jedkanje lahko izvršimo v več korakih, z vsakim korakom pa lahko optimiramo določeno fazo. Presek rezine med jedkanjem tipično sestavljajo plasti različnih materialov. V primeru jedkanja polisilicija se pod njim nahaja plast silicijevega dioksida, na kateri Je potrebno jedkanje ustaviti. Na vrhu polisilicija je fo-torezistna maska, katere podobo želimo čimbolj verno prenesti na pollsilicij. Za mnogo težav pri jedkanju poskrbi plast tankega samorodnega oksida med polisilicijem in fotorezistom. Le-ta deluje kot mikromaska in jo Je treba pred jedkanjem poli plasti odstraniti. V primeru, da nam to ne uspe. Je izgled Jedkane površine lahko takšen kot ga prikazuje slika 2. NAPETOST PONORA Slika 1: ID/VD karakteristika, W/L. = 20/1.2 Posebno skrb zahteva povečana napajalna napetost (10V) za nekatere telekomunikacijske zahteve. V tem primeru Je ob uporabi strukture LDD treba tudi povečati debelino tankega oksida na 40 nm. Za mešana analognodigitalna vezja je treba torej področje, kjer tranzistorji delujejo v režimu napetosti Uds > 8V, načrtati s posebno topologijo (masko) za relativno povečanje debeline tankega oksida. Zmanjšanje dimenzij in našteti dodatki v topologiji gradnika so poseben izziv za vsefotolitograf-ske postopke. Uspešnost preslikave zagotavlja metoda s koračnim poravnainikpm v razmerju 1:1. Jedkalni postopki so omejeni na suhe v plazmi. 'MM^^mmmMMmmm Siika 2: Posiedica mikro maske Optimalni jedkalni program za polisiiicij je sestavljen iz več korakov. V prvem, imenujemo ga in-icializacija, želimo s površine polislllclja odstraniti ves silicijev dioksid. V tej fazi jedkanja je zaželena čim nižja selektivnost proti silicijevemu dioksidu. Koje površina polisilicija čista, sledi glavni jedkalni korak, ki zahteva visoko stopnjo anizotropnos-ti. Biti mora zadovoljivo hiter in mora imeti še sprejemljivo selektivnost proti oksidu. Obema omenjenima korakoma običajno sledi še korak prejed-kavanja. Potreben je zato, da zanesljivo odstranimo ves preostali polisiiicij z mest, kjer je bila začetna debelina polislllclja večja od normalne in z mest, kjer je na začetku Jedkanje napredovalo počasneje zaradi prisotnosti neželene mikro maske. Glavna zahteva v tem koraku Je, da ne napravimo škode že oblikovanemu profilu Izjed-kanih figur in ne poškodujemo oksida. Med vsemi jedkalnimi koraki želimo čim manj spreminjati geometrijo maske, saj ta določa končne oblike v pollsiliciju. Zato v vseh korakih Jedkanja ne smemo poškodovati fotopolimera. Tako za optimiranje, kot tudi za samo vzdrževanje procesa je izredno pomembno poznavanje vplivov procesnih parametrov. Veliko število vplivnih parametrov ne dopušča možnosti izvršitve popolne karakterizacije Jedkalnega procesa. Taka karakterizaclja bi zahtevala preobsežno eksperimentalno delo, da bi to bilo praktično. Zadovoljiti se moramo z delnimi karakterlzacljaml, ki nam dajo določeno predstavo o dogajanju v procesu. Študij vpliva tlaka procesne komore, Izhodne moči RF generatorja in medelektrodne razdalje na Jedkal-no hitrost polisilicija, selektivnost in profil Izjed-kanih linij. Je primer delne karakterizacije procesa. Karakterizaclja Je bila izvršena za He, CI2 plazmo, ob nespreminjanih masnih pretokih obeh plinov. Izbrane meje opazovanih vplivnih parametrov so zbrane v tabeli 1. tlak procesne komore: moč RF generatorja: medelektrodne razdalja: 200 - 800 (mtorr) 150-400 (W) 0.4-1.3 (cm) Tabela 1: Meje spremlnjanlh procesnih parametrov. Slike 3,4 in 5 nazorno prikazujejo kakšni so bili rezultati meritev Jedkalnlh hitrosti za polisiiicij in silicijev dioksid ter Izračun selektivnosti polisilicija proti silicijevemu dioksidu. Meje opazovanega parametričnega prostora so podane s površino v koordinatni sistem vrisane kocke. Vsaka od osi koordinatnega sistema predstavlja enega od opazova-nihvplivnih parametrov. Izmerjene, oz. izračunane vrednosti opazovanih odvisnih parametrov so vpisane na mestih, ki ustrezajo eksperimentalnim točkam. 800 9 15 185 658 313 JM16 •328 0.4 200/1 410 612 1 150 514' ^^400 420/^ S03 /laa Slika 3: Hitrost jedkanja polisilicija 3,4 4.1 J/ 1 I y/lS.B / 6.6 10,3 / 2.0 ^18.0 0.4 24.7 P 3.9. 200/ 10. 150 22,8 /•400 400 800, fy/ / 8.7 / Slika 4: Hitrost jedkanja oksida (nm/min) 8 1.3 54 122X / K» 30 / .164 0.4 25 P 140- 20^ 41j/ / 5,8 150 - 23 400 800/ V Slika 5: Selektivnost Na podlagi rezultatov je mogoče postaviti izkustveni model procesa. Enačba 3 predstavlja eno izmed možnih oblii< takega modela za jedkalno liitrost polisilicija. Tabela 2 vsebuje numerične vrednosti koeficientov enačbe 3. Pri vsem tem se moramo zavedati, da model te vrste laiiko dobro služi kot orientacija. Slika 6 prikazuje tipični presek izjedkanih linij. Zgornji del linije, z rahlim naklonom bokov je po jedkanju preostali fotorezist. Spodnji odsekano strm del pa polisilicij. Visoka stopnja anizotropnos-ti jedkanja je očitna. Spodjedkavanjafotorezista ni opaziti. r a Enačba 3: Vj... jedkalna hitrost * ax ... koeficient modela ' p ... tlak (mtorr) * P ... moč (W) * g ... razdalja med elektrodama (cm) a* vrednost ao 6500.7 -3.864 12.38 -8122.1 -0.003 10.22 -15.32 -0.001 0.008 3421.6 01 92 33 04 as ae a? Tabela 2: Numerične vrednosti koeficientov enačbe 3. Seveda tlak, moč in medelektrodna razdalja niso edini vplivni parametri. Opazili smo, da dodatek SF5 v plinsko mešanico He in CI2, močno spremeni jedkalno hitrost polisilicija in zmanjša selektivnost za silicijev dioksid. Kot se je izkazalo vpliva SF5 tudi na zmanjšanje stopnje anizotrop-nosti jedkanja. Tabela 3 vsebuje rezultate meritev vpliva dodajanja SF5 v He, CI2 plinsko mešanico. SF5 smo dodajali tako, da smo pri stalnih masnih pretokih He in CI2 povečali masni pretok SF5 od O do 20 sccm. Očiten je vpiiv SF5 na zmanjšanje poškodb fotopolimera. SFstok ERpoii ERoks ERres Sp/o Sp/r (sccm) (nm/min) (nm/min) (nm/min) Q Q 0 349 17 149 20.5 2.3 5 1112 73 255 15.2 4.4 10 1061 76 273 14.0 3.9 15 1095 78 253 14.6 4.3 20 997 65 196 15.3 5.1 Slika 6: Profili poli linije Tabela 3; Jedkalne hitrosti polisilicija, silicijevega dioksida, fotorozista in selektivnosti polisilicija proti oksidu in fotorezlstu v odvisnosti od pretoka SF5. Na hitrost jedkanja polisilicija vpliva tudi število vgrajenih primesi v plasti. Znano je, da tip n polisilicija Jedkamo znatno hitreje od tipa p ali nedo-piranega polisilicija. Meritve jedkalnih hitrosti smo izvršili na dva načina, Prva meritev Jedkalne hitrosti je bila izvršena tako, da smo dano rezino jedkali 30 s ter pred jedkanjem in po Jedkanju pomerili debelino polisilicija. Iz teh podatkov smo nato izračunali jedkalno hitrost: V tabeli 4 so rezultati meritev Jedkalne hitrosti po drugi metodi. To pot smo izmerili debelino polisilicija na vsaki od rezin le pred jedkanjem. Nato smo vse rezine Jedkali dokler nismo odstranili vsega polisilicija z nemaskiranih mest. Med jedkanjem smo snemali Izhodni signal senzorja za detek-cljo končne točke Jedkanja. Na podlagi tega podatka in podatka o začetnih debelinah polisilicija, je bilo mogoče izračunati Jedkalno hitrost. N R r t ER plazma 04 423 16.1 26 976 12 433 15.5 33 787 He 16 433 32.3 31 a.^s CI2 22 460 / 62 445 SFs 23 460 7 62 445 05 442 15.8 80 317 13 433 39.1 90 289 He 15 433 39.2 90 289 CI2 20 463 / 112 248 21 460 / 112 247 03 422 16.0 49 / 10 435 46.5 67 / 0 14 437 47.2 67 / b 24 460 / 96 / e 25 458 / 96 / 300 R«l%) Slika 7 Sprememba jedkalne hitrosti polisilicija v odvisnosti od plastne upornosti Tabela 4. Meritve jedkalne hitrosti polisilicija na podlagi znane začetne debeline in izmerjenega časa jedkanja. Oznake v tabeli imajo naslednji pomen: * N ... Števill