Введение к работе
3.1. Актуалькость темы
Развитие литографической техники последних лет позволило ведущим странам Запада, Японии и США перейти к освоению в промышленной технологии СБИС с минимальными топологическими размерами до 0,3 мкм, при этом планируется в 2000-ом году начать переход на еще более малый размер-0,17 мкм.
Данное обстоятельство создало новую ситуацию в микроэлектронике, которая характеризуется тем, что вертикальные размеры активных областей элементов микросхем становятся соизмеримыми с тшанариыми размерами, т.е. транзисторные структуры элементов микросхем становятся "трехмерными". С другой стороны, резкое уменьшение пленарных размеров конструкций элементов привело к серьезному обострению существующих проблем в микроэлектронике и возникновению новых, среди которых наиболее важними являются: физические ограничения, связанные с предельно высокими электрическими полтт в активных областях приборов; технологические — связанные со статистическими флуктуациями легируюшнх примесей и необходимостью выполнения огромного числа малонадежных межсоединений элементов микросхем, схемотехнические - связанные с увеличением энергопотребления и большим разрывом в быстродействии транзисторов и самих СБИС; ограничения ио стойкости СБИС к ВВФ, связанные с соизмеримостью вносимых дефектов с размерами активных областей структур и т.д.
Рассматривая данные проблемы, автор диссертации убедился в том, что успешная модернизация и разработка СБИС нового поколения, теп боже с повышенной устойчивостью к ВВФ, могут быть более эффективны на основе использования и дальнейшего развития идей функциональной интеграции. Исходя из этого, тема диссертационной работы направлена на решение актуальной проблемы микроэлектроники - развитие теоретических концепций и методов функциональной интеграции ИС, и разработку на их основе функционально-интегрированных структур (ФИС) для СБИС с уровнем интеграции, энергодинамики и стойкости к ВВФ, существенно превышающим аналогичные параметры интегральных схем на основе традиционной элементной бззы-
Настояшая работа является обобщением результатов теоретических и экспериментальных исследований в области методов конструирования функционалъно-икгегрировашшх структур для нового поколения СБИС топологического диапазона менее 1,0 мкм. Отдельные экспериментальные разработки для подтверждения эффективности предложенных методов проведены на структурах с топологическими размерами более 1мкм (по причине отсутствия технологической базы).
Решением поставленных задач будем считать доказуемостт экспериментальными и расчетными методиками преимущества предложенных работе новых технических решений ФИС над традиционными.
1.2 Состояние проблемы.
Проблема создания фуыиагонально-иитефнрованной элементной базы СБИС является сложной и многоплановой, т.к. включает в себя поиск новь» взаимосвязанных приборных, схемотехнических н технологических решений.
Первые идеи о возможности функциональной интеграции элементной базы микросхем возникли в начале 60-тых годов в связи с гипотетическим предположением, высказанным А. Даммером еще в 1952 г. "о возможное представления электронного оборудования в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов и выполняющего заданные логические функции за счет организации структуры". По существу, данная идея А. Даммера и аналогичное идеи Зворыкина В.Н., Винера Н., Зи С, Денарда Р. и др., нашли блестящее воплощение еще в 60-тых годах в специализированных СБИС, в частности: в схемах ПЗС приемников оптического изображения, в схемах оперативной динамической памяти ДОЗУ и электрически программируемой энергонезависимой памяти Э11ПЗУ.
В 70-тьгх годах элементы функциональной интеграции появились в конструкцв'ях логических элементов для универсальных СБИС. Среди наиболее важных достижений в этом направлении отметим изобретение Слобом Д. и Хартом Н. инжекционной логики (И2Л) и Кремлевым В.Я. - инжекционнс-полевой логики ("ИПЛ").
Следует отметить, что функциональная интеграция оказалась весьма эффективной для микросхем малой интеграции, в частности, силовых схем IGBT.
Восьмидесятые годы, в связи с появлением КИИ технологий, характеризовались успешным использованием принципов функциональной интеграции при разработке так называемых трехмерных интегральных схем. Отметим значительный вклад российских ученых Стафеева В.И., Кармазинского А.В., Кремлева В.Я., Королева М.А., Федотова Я.А. я др. в развитие данного направления. Наиболее важные этапные достижения в области функциональной интеграции в микроэлектронике систематизированы в табл.1.
К сожалению, функциональная интеграция элементов микросхем, как правило, приводит к существенному усложнению конструкции и технологии изготовления ИС. Данное обстоятельство значительно ограничило использование "И 2Л", "ЯШІ" - логик и трехмерных конструкция в практике производства СБИС. В настоящее время ситуация в микроэлектронике заметно изменилась. Это связано с тем, что основные активные элементы ИС -субмикронные транзисторы, сами стали более сложными конструкгивно-технологичесюгми объектами, имеющими специфический характер работы.
Данное обстоятельство и ряд других выявили необходимость систематизации, переоценки известных и развития новых методов я принципов функциональной интеграции СБИС.
1.3 Цель работа.
Развитие научных основ функциональной интеграции СБИС с экстремально высоким уровнем интеграции, энергодинамики и стойкости к ВВФ. Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач:
- теоретического обобщения и классификации существующих технических
решений н методов синтеза функционально- интегрированных структур (ФИС);
разработки новых методов синтеза ФИС на всех уровнях интеграции;
создание математических моделей для анализа физических аспектов работы синтезированных функционально-интегрированных транзисторов и логических элементов СБИС в нормальных условиях н условиях воздействия ВВФ; -разработки новых технологий для изготовления ФИС;
постановки и реализации технологических экспериментов по исследованию характеристик предложенных ФИС;
сравнительного анализа, показывающего прешгущесгво предложенных ФИС над традиционными структурами по быстродействию, интеграции и стойкости к ВВФ;
использования разработанного математического обеспечения для анализа реакции СБИС на действия импульсных ВВФ в отраслевых организациях электронной и атомной промышленности;
внедрения разработанных схемотехнических, конструкпгвно-тогголсгнческих и технологических решений в электронной и атомной промышленности.
1.4 Предмет и методы исследований.
Предметная область исследований и интересов автора состоит в развитии, теоретических концепций и методов функциональной интеграции кремниевых СБИС. Исследования направлень? на разработку новых функционально-интегрированных структур на всех четырех уровнях интеграции -транзисторном, фрагмента схемы, конструкции матричного накопителя и микросхемы в целом, отличающихся повышенной энергоцинамнкой, стойкостью к ВВФ и степенью интеграции (до J О9 элементов на кристалле).
Методологической основой разработки методов синтеза структур является эвристический подход. Анализ физических аспектов работы новых функциональных транзисторов и логических элементов в нормальных условиях и условиях ВВФ базируется на аналитических и численных решениях системы дифференциальных травистий ь частамх ирогоъодных параболического типа.
1.5. Научная новизна работы.
2. На основе проведенного сравнительного анализа структурно-топологических решений ФИС СБИС:
Предложена четырех-уровневая классификация, позволяющая установить однозначное соотаетстьке ФИС и традацш>нннх структур СБИС и прогнозировать пути их эволюционного развития;
разработаны и использованы для поиска перспективных функционально-интегрированных транзисторных (ФИТ) структур новые методы их синтеза, основанные на введении новых представлений о транзисторе, как функциональном элементе с общими областями, образую»цими другие виды транзисторов: транзисторе, в котором имеются "вяpтyaльныe,' активные области, формируемые электрическим полем; "конвертируемом" транзисторе, который работает на различных физических эффектах в зависимости от условий работы.
- разработан и использован для поиска перспективных конструкций функционально-интегрированных логических элементов (ФИЛЭ) и устройств (ФИУ) метод синтеза, основанный на минимизации общего числа активных областей транзисторных структур и контактов к ним путем использования целенаправленной итерационной процедуры перебора активных областей транзисторов в ограниченном кубическом пространстве до достижения технологически реализуемого варианта конструкции.
разработан и использован для поиска более простых технологических решений метод деннтеграцин (декомпозиции) технологически сложных функциональных элементов, используемых в СБИС, пугем понижения многомерности их конструкций.
2. Впервые предложены математические и физические модели,
описывающие:
специфический характер ВАХ предложенных ФИТ транзисторов "ТУН-МОП-ДШ"и"1ТТДЗ":
кинетику накопления заряда в элементах памяти энергонезависимых ЭПГОУ;
ионизационные процессы в полупроводниковых элементах при высоких уровнях импульсного излучения;
характер и особенности усиления ионизационных токов в. детекторах радиационных частиц.
3. Впервые предложены и защищены патентами и авторскими
свидетельствами ъ России и за рубежом:
-
Конструктивно-технологические методы повышения стойкости БИС к действию ВВФ.
-
Классы новых функционально-интегрированных транзисторов (ФИТ), включая:
БИ-МОГТ- транзистор с распределенными параметрами;
МОП-БИ-транзистор;
транзистор с двойным управлением (ПТДЗ);
туннельный МОП-ДШ-транзистор.
3.3. Класс ФИЛЭ для матричных и заказных логических БИС, включая:
- трехмерные К-МОП элементы со структурой кремний на изоляторе (КНИ);
К-МОП-ТУН-ДІП элементы с КНИ структурой;
"И-НЕ" униполярные логические элементы
3.4. Новый класс функциональных элементов памяти оперативных
(ОЗУ), репрограммируемых (РПЗУ) и постоянных (ПЗУ) запоминающих
устройств, в частности:
элементы памяти статического ОЗУ на ПТДЗ структурах;
элементы памяти динамического ОЗУ на биполярных структурах;
функдаонально-янтегрировашше БИ-МОП элементы памяти дла РПЗУ;
"водородный" к "электрофотонтшй" элементы памяти с мембранной МОП структурой для РЛЗУ (с возможностью достижения уровня итеграши ІГбит/кристалл).
3.5. Новый класс последовательных функциональных устройств
нейронного типа, на базе которых могут быть реализованы с высокими
параметрами:
- сенсоры газов, температурного и магнитного полей;
последовательные сверхскоростные постоянные и оперативные запоминающие устройства;
устройства приема ч отображения оптической информации (сканеры, дисплеи нового поколения);
коордтгдатно-времелные интегоальные детекторы заряженных частиц и т.д.
1.6. Пракгеческая значимость полученных в диссертации результатов
заключается а том, что:
-
Предложенные методы расчета позволяют оценить реакцию полущюводаккоаых. прибороа и микросхем на действие импульсных и непрерывных ВВФ и легли в основу отраслевых стандартов ОСТ Ї 1.073.060 76 и ОСТ П.073.059.76;
-
Схемотехнические н конструктивно-технологические решения обеспечили:
- повышение устойчивости к ВВФ БИС серий 1822, 533, 537,
"Инструмент", ШК. ХМ-15, БМК-МАЖОР до требуемых уровней; предельных
требований;
3. Структурные и физикентехнологичееше решения нового класса
функционально-ингефярованных транзисторов (ФИТ) первого уровня
интеграции ИС обеспечили возможность разработки и экспериментального
исследования:
- "туннельного МОП-ДОГ' транзистора, позволяющего повысить
быстродействие К-МОП ИС в 2-3 раза и уменьшить занимаемую площадь на
кристалле относительно традиционного аналога в 2-3 раза при одновременном
упрощении технологии изготовления микросхем;
функционального транзисгора с "виртуальной" подзатворной областью (транзистора с д&ойным полевым управлением (ПТДЗ)), позволяющего достичь предельных требований по стойкости микросхем к ВВФ
и обеспечить реализацию малошумящего зарядо-чувствительного усилит технологически совместимого с ТВС приборами изделия;
- «конвертируемого» функционального транзистора, позволякш
повысить быстродействие К-МОП СБИС на монокремнии в 3-5 раз;
функционально-интегрированного униполярно-биполяр* транзистора, позволяющего повысить стойкость микросхем к фактору И быстродействие ТТЛ вентилей в 1.5 - 2 раза;
4. Схемотехнические, структурные и конструктивно-технологичес решения нового класса функционально-интегрированных логических элеме* (ФИЛЭ) второго и третьего уровнен функциональной интеграции обеспеч разработку и экспериментальные исследования:
«БИ-К-МОП» логических вентилей для СБИС на монокреш превосходящих традиционные К-МОП вентили но быстродействию в 3-5 лрн сохранении идентичных размеров и технологам изготовления;
«БИ-К-МОП» вентилей с КНИ структурой, превосходящих «Б МОП» вентили по интеграции и быстродействию более чем в 2 раза упрощении технологии изготовления;
- "К-МОП-ТУИ-ДЩ" туннельных логических вентилей для С типа матричных БМК со структурой КНИ (кремний иа изолято превосходящих традиционные К-МОП вентили по быстродействию интеграции (а 1,5 раза), технологичности и стойкости к ВВФ;
"И-НЕ" униполярных логических вентилей на базе транзиет "ПДТЗ" для матричных БМК, отличающихся от традиционных лучии показателями по интеграции и мощности потребления (на порядок) работающих при напряжении литания - 0.6-0.8 В;
элементов памяти для статического К-МОП ОЗУ ПВ (емкое -Шбит при Li=1.5mkm) на основе "БИ-К-МОП" и ПИК элемен-превосходящих традиционные К-МОП триггеры по итеграшш (более чем і раза) и быстродействию (более чем в 10 раз);
водородного и "элекгро-фотонного" элементов пам) позволяющих повысить быстродействие и степень интеграции РПЗУ (более' на порядок) и достичь уровня информационной емкости порядка ІГбиг кристалл (при топологической норме Lt~0. 17 мкм);
- двух-затворного элемента намята типа "FAMOS", отличающег
более простой технологией изготовления и надежностью работы і
несущественном увеличении занимаемой площади кристалла (~20%);
5. Схемотехнические, структурные я конструктивно-технологичес решения нового класса функционально-штгегрированных устройств (Ф1 четвертого уровня функциональной интеграции обеспечили разработку экспериментальное исследование:
а) матричного накопителя для РПЗУ емкостью свыше ~1Гбш произвольной выборкой информации, являющегося монолитной ЄДИ) конструкцией, в которой полностью отсутствуют межсоединения ме>
элементами памяти, для реализации которой необходимы лишь две несовмещаелше фотолитографически олерации;
б) последовательного функционального динамического запоминающего устройства (аналога ГОС приборов), иа базе которого созданы макетные образцы:
координатного детектора а-частиц с точностью разрешения по координате на плоскости не хуже 3xLr и по времени прихода радиационных частиц не более -0.3нс;
сенсора температуры с точностью измерения ±0.01 С;
скоростного последовательного ЗУ со временем выборки менее ~1нс, потребляющего минимальную энергию и нечувствительного к отказу значительной части элементов матрицы;
скоростного фотоприемлого устройства (сканера) со временем выборки оптической информации менее ~1нс, недостижимого для ГОС приборов;
простого управляющего устройства для жидко-крист оптического дисплея с возможностью ввода информации фотопером.
6. Использование предложенных технологических решений позволило:
с помощью радиадиояяо-теринческого процесса (РТП) на 2 порядка снизить чувствитслъиостъ МДП-транзисторов к фактору СЗ и повысить устойчивость К-МОП КС серий 537,1822, изделий, БМК-"МАЖОГ', "ИНСТРУМЕНТ" зо пределыш-хтребовапта». ?гакдарта;
на основе способа изготовления «иосгаковьіхг- КИЙ структур обеспечить ''квазиполную" дяэл&лрическую ііжшящію бхполяр/гых транзисторов и повысить их устойчивость к фактору Ш до предельных зребованкй;
обеспечить изготовление тестовых МОП транзисторных структур со евгрхмадой длиной канала (0,1-0,2 мкм\ меньшей, используемой топологической нормы (Lt>1,5 мкм);
с использованием способа изготовления матричных накопителей позволяет получить сверхсовмещенные МОИ структуры с шагом в две топологические нормы;
на базе способа термического отжига МОП структур в условиях внешнего электрического поля удалось на порядок снизить плотность поверхностных состояний и достичь уровняNss=5-109-1010 см -2.
Перечисленные результаты, защищенные рядом авторских свидетельств и патентов, позволили поддержать российский приоритет в таких важнейших направлениях развития микроэлектроники, как СБИС оперативной и энергонезависимой памяти, матричные БМК, интегральные сенсоры, фотоприемные устройства, плоские-теплей.
1.7. Внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы в более двадцати и ОКР, выполнявшихся по важнейшей тематике электронной промышленн Млтуза, Министерства атомной промышленности и Академии Наук РФ. диссертации и внедрение ее научных и практических результатов связ; плановыми НИР и ОКР МИСиС, НИИ «Электростандарт», НИИ "Саш АООТ «НИИ МЭ завод Микрон», НИИ Микроприборов, КБ "Вым Российского научного центра "Курчатовский институт", НИИ Прс технологии микроэлектроники АН, Физического института АН им. Лебедева.
Основные научно исследовательские результаты диссертации изложс пяти учебных пособиях, и внедрены в учебный, процесс в МИСиС подготовке инженерных и научньг-с кадров в облаеіи микроэлектроники.
Экономический эффект, полученный от использования отрасл стандартов ОСТ 11.073.060'76 и ОСТ 11.073.059.76 на микросхемах серий 1822, БМК-МАЖОР, ИНСТРУМЕНТ и т.д. и макетных изделий а-детек ПЗС-фотоариемника, подтвержденный актами внедрения, составляет боле млн. руб.
1.8. Автор защищает:
-
Чегырех-уровнезую систему классификации и идеитифик функці:онально-і^псірированнь,'х структур СБИС.
-
Методики синтеза и декомпозиции конструкта технологических решений функционально-интегрированных структуї транзисторов, логических о.чемеогюв. фрзгм? ггов и усгройсчв СКИС.
-
Новые классы патешно'шетых транзисторов, вкл "конвертируемый МОП", "ТУН-МОП- ДШ" и "ПТДУ транзисторы.
-
Новые классы паг.'ешночветых функционал интегрированных логических злеменгое, вюноч.ад трехмерные логически МОП "И-НЕ" элементы, К-МОИ-ТУН-ДШ элементы с КНИ структурой, НЕ" униполярные низковольтовые элементы, отличающиеся от традициоі аналогов более высокой плотностью компоновки и энергодинамикой.
-
Новые классы патентночистых функциональных элеме памяти, включая ячейки памяти для статического К-МОП ОЗУ и динамичес ОЗУ, "водородный" и "электрофотонный" элементы памяти с мембраї структурой для энергонезависимого РПЗУ с рекордным уровнем интеграцш
-
Новые классы патентночистых функционал интегрированных устройств нейронного типа, на базе которых могут і реализованы электронные приборы с уникальными экстшуатационн параметрами, в частности, сенсоры, сканеры, устройства приема и отображ информации, детекторы частиц и т.д.
-
Оригинальные технологические решения, включающие: пнационно-герюїчеааш процесс, повышающий стойкость К-МОП и полярных БИС к действию фактора СЗ; процесс изготовления КНИ структур квазиполной" изоляцией, повышающий быстродействие биполярных ИС и их зйкость в 2-3 раза; процесс изготовления МОП транзисторов с сверхмалой иной канала —0.1—0.5 мкм; термоэлектрический" процесс формирования сидов, стойких к действию фактора СЗ и имеющих низкий уровень верхностных состояний (Nss~5-109-10,a см"2)
-
Результаты экспериментальных исследований и математического щепщюватю функционально-интегрированных структур «ПТДЗ», «ТУН-ОП-ЩІ» и "конвертируемого" транзистора.
-
Математические модели описаная реакции элементов СБИС на тульсное и статическое воздействие ВВФ.
-
Результата расчета и проектирования предложенных элементов устройств микроэлектроники.
1.9. Обоснованность полученных результатов и выводов.
Основные результаты я "зыводы, сформулированные в диссертации, «таерждаются успешным внедрением на предприятиях электронной и omhoS промышленности, я vnictte ifx соответствием теории и практке івремеккой физики полупроводниковых интегральных струїстур.
1-І'-- Щблцканш^
По теме диоссртащт опубликовано 99 г^штык работ, в той числе 4-І атьи. 5 учебных пособий и 50 пзгорских свидетельств и патентов.
1.11. Апробация работы.
Результаты исследований, составляющие содержание диссертации, экладывались на:
- XIV Вузовской научно-технической конференции на секции
Электрофизические науки" (24-26 апреля 1978 г. г. Кишинев).
VI Республиканской научно-технической конференции Ризическне проблемы МДГГ интегральной электроники" (28-30 мая 1990 г. г. евастополь).
- Ш Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность
качество изделий электронной техники" (24-28 мая 1992 г. г. Севастополь).
II Научпо-техническом семинаре "Проблемы технологии КНИ груктур и приборов на их основе" (1-2 апреля 1994 г., г. Зеленоград).
Международной конференции по микроэлектронике "Элементная аза СБИС с КНИ структурой" (1О-20 декабря 1994г., г. Звенигород Московской обл.).
- Международной конференции "КНЙ сенсоры с высокой
чувствительностью и высокой рабочей температурой" (10-15 ноября 1995 г., г.
Туссон, США).
V Международной конференции "Применение ядерной технологии" (2-15 июня 1996 г., г. Крит, Греция).
- Международной конференции "Взрывные детекторы для
безопасности" (12-15 ноября 1996 г., Атлантик-Сити, США).
Международной конференции "Датчик-97" (16-17 июня 1997г., Чикаго, США).
V Международной конференция "Применение п/п детекторов в науке и технике" (№-22 мая 1998г.,г. Рига, Латвия).
Международной конференции "КНИ технология и приборы" (1998г., г. Киев).
- II Юбилейной научно-технической конференции "Разработка,
технология и производство полупроводниковых микросхем" (16 марта 1999г., г
Зеленоград, завод «Микрон»).
- 26 Международной научной конференции «Космические частицы и
их детектирование"' (17-25 августа 1999г., Солит-Сити, США).
- Научной Российской конференции "Стойкость электронных
систем" (НИИ ijpjrfJcpoB, г. Дыткаринэ, 1 -3 июня 1999)
2.0. СОдаРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Структура и объем диссертации.
