КМОП

Описание решения и конечных устройств

Решение представляет собой технологическую платформу для производства интегральных микросхем на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник. Элементы формируются методами фотолитографии, ионной имплантации, травления и осаждения тонких пленок. Выбор техпроцесса осуществляется с учётом требуемого быстродействия, энергопотребления и плотности компоновки транзисторов.

КМОП-микросхема выполнена в виде многослойной структуры на кремниевой подложке, включающей сформированные карманы, изолированные активные области, транзисторы с поликремниевым затвором и многоуровневую систему металлических межсоединений. Литографические процессы обеспечивают формирование затворов, истоков и стоков, а также высокую плотность их размещения (вплоть до миллиардов транзисторов на кристалл). При необходимости в единый техпроцесс интегрируются аналоговые блоки, сенсоры или силовые ключи.

Принцип работы основан на управлении током в канале транзистора с помощью электрического поля, прикладываемого к затвору. Комплементарная пара n- и p-канальных транзисторов позволяет создавать логические элементы, потребляющие энергию только в момент переключения. Такой подход обеспечивает низкое статическое энергопотребление, высокую помехоустойчивость и возможность создания сверхбольших интегральных схем.

КМОП-микросхемы предназначены для обработки информации, хранения данных, преобразования сигналов и управления устройствами. Области применения включают вычислительную технику (процессоры, память), потребительскую электронику (смартфоны, датчики камер), телекоммуникации (радиочастотные блоки), автомобильную электронику, медицинскую диагностику и специальные применения (космическая и радиационно-стойкая электроника). Конструкцию и материалы выбирают с учётом требований к тактовой частоте, энергопотреблению, надёжности и условиям эксплуатации (температурный диапазон, радиация).

Примеры конечных изделий

Внешний вид кремниевой пластины, топологии и МОП-транзистора

Производственные участки

Участок фотолитографии/Формирование топологии: - карманы (n-well/p-well); - активные области (изоляция STI); - затворы (поликремний); - контактные окна слои металлизации

Автоматическая установка обработки фоторезиста

Система проекционной литографии

Участок фотолитографии относится к зонам с наивысшими требованиями к чистоте (класс ISO 5 и выше). На пластину наносится светочувствительный материал — фоторезист, который затем засвечивается ультрафиолетовым излучением через систему фотошаблонов. Каждый слой микросхемы требует отдельной операции литографии с точностью совмещения относительно предыдущих слоев, измеряемой нанометрами. 

Участок термических процессов: Термическое окисление/Диффузионное процессы/Термический отжиг 

Вертикальная трубная печь 

Печь RTP

Высокотемпературная обработка кремниевых пластин. Здесь расположены диффузионные печи и установки быстрого термического отжига (RTP). Процессы ведутся при температурах от 600 до 1200 °C в контролируемых газовых средах. Основная задача — выращивание оксидных слоев, введение и активация легирующих примесей.

Участок плазмохимического травления: Формирование изоляционных канавок/Формирование поликремниевых затворов/Травление контактных окон/Формирование межсоединений в диэлектрике/Удаление фоторезиста и полимерных остатков в плазме 

Установка плазмохимического травления полупроводников, диэлектриков, металлов

Установка плазменной очистки

С состав участка входят вакуумные установки, в которых создается плазма из химически активных компонентов. Ионы и радикалы плазмы вступают в реакцию с материалом пластины на незащищенных фоторезистом участках, образуя летучие соединения. Ключевая особенность плазмохимического травления — возможность анизотропного процесса, при котором травление идет строго вертикально, формируя стенки с малым отклонением от вертикали, что критически важно для сохранения проектных размеров.

Участок химической обработки: Удаление фоторезиста после литографии/Очистка пластин перед термическими процессами (RCA-очистка)/Травление оксида и нитрида на некритичных операциях/Удаление остатков после плазмохимического травления

Системы химической обработки по одной пластине

Системы групповой химической обработки

Процессы травления на участке являются изотропными — материал удаляется равномерно во всех направлениях, поэтому участок не используется для формирования критических размеров. Основное назначение — удаление фоторезиста, очистка поверхности от органических и металлических загрязнений, удаление технологических слоев на этапах, где точность профиля не критична.

Участок ионной имплантации: Формирование карманов/Регулировка порогового напряжения транзисторов/Создание областей истока и стока/Специальные легирующие операции

Установка ионного легирования

В состав участка входят установки, которые генерируют пучок ионов легирующих элементов (бора, фосфора, мышьяка), разгоняют их до высоких энергий и направляют на поверхность пластины. Ионы внедряются в кристаллическую решетку кремния на заданную глубину, определяемую энергией пучка. Доза легирования контролируется временем имплантации и током пучка. После имплантации кристаллическая структура частично разрушается, поэтому пластины направляются на термический отжиг.

Участок осаждения тонких пленок (CVD/PVD): Осаждение поликремния/Осаждение диэлектриков/Напыление металлов/Формирование барьерных слоев 

Установка плазмохимического осаждения (CVD)

Система магнетронного распыления (PVD)

Происходит наращивание слоев материалов поверх пластины. В установках CVD газообразные реагенты вступают в химическую реакцию вблизи нагретой поверхности пластины, осаждая твердую пленку. PVD-методы основаны на распылении мишени ионами плазмы и осаждении распыленных атомов на пластину. 

Участок химико-механической планаризации: Выравнивание поверхности после заполнения изоляционных канавок/Планаризация межслойных диэлектриков

Установка химико-механической полировки

Пластина прижимается лицевой стороной к вращающемуся полировальному кругу (подушке) в присутствии химически активной абразивной суспензии. Процесс сочетает химическое воздействие (размягчение материала реагентами) и механическое удаление абразивными частицами. После полировки обязательна тщательная очистка от остатков абразива и продуктов реакции.

Участок метрологии: Оптическая инспекция поверхности для выявления дефектов/Измерение толщин нанесенных пленок/Контроль критических размеров сформированных структур/Измерение профиля травления и осаждения

Система автоматической оптической инспекции

Участок контроля пронизывает все производство — измерения проводятся после критических операций для оперативного выявления брака. Оптические методы позволяют быстро обнаруживать крупные дефекты (царапины, загрязнения). Эллипсометрия и рефлектометрия используются для бесконтактного измерения толщины и оптических свойств пленок. CD-SEM обеспечивает нанометровую точность измерения размеров.