Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19830825Elc022.shtml

Динамические ЗУПВ емкостью 256К— проблемы и пути их решения

УДК 681.327.2.025

Майкл Смейлинг (Michael Smayling)
Фирма Texas Instruments Inc. (Хьюстон, шт.Техас)

Майк Маекава (Mike Maekawa)
Фирма Texas Instruments Inc. (Хьюстон, шт.Техас)

Michael Smayling, Mike Maekawa. 256-K dynamic RAM is more than just an upgrade, pp. 135—137.

Рассматриваются проблемы разработки массового прибора памяти нового поколения, идущего на смену современным динамическим ЗУПВ емкостью 64К — кристалла емкостью 256К. Для его создания понадобится освоить и внедрить в серийное производство такие конструкторско-технологические новшества, как формирование силицидов металлов и использование транзисторов со слаболегированными краями стоковых — истоковых областей.

Создание динамического ЗУПВ емкостью 256К означает появление нового поколения массовых МОП-приборов и новой технологии их изготовления. Более прецизионная фотолитография, например, позволит вчетверо увеличить информационную емкость приборов памяти по сравнению с кристаллом динамического ЗУПВ емкостью 64К при увеличении площади схемного кристалла менее чем в два раза. В результате кристалл емкостью 256К можно будет монтировать в обычный 16-контактный корпус типа DIP.

По рабочим характеристикам динамическое ЗУПВ емкостью 256К должно быть таким же или даже лучше своего предшественника емкостью 64К. Чтобы добиться этого, необходимо пропорционально уменьшить геометрические размеры МОП-приборов в новом ЗУ (см. табл.1). Как и в предыдущих поколениях динамических ЗУПВ, пропорциональная миниатюризация элементов, повышающая рабочие характеристики схем, предъявляет еще более жесткие требования к технологии их изготовления.

Таблица 1. Сравнение типовых характеристик технологий изготовления динамических ЗУПВ емкостью 16К и 256К

Характеристика

16К

64К

256К

Длина канала, мкм

6—7

2,5-3

1,5—2,5

Толщина затворного окисла, нм

90—100

40—50

20—30

Глубина переходов, мкм

1—1.2

0,4—0,5

0,25—0,35

Удельная площадь, мкм2/бит

450

170

30—50

Материал разрядных линий

Диффузионная n+-область

Диффузионная n+-область

Алюминий

Материал словарных линий

Алюминий

Алюминий

Тугоплавкий металл или поликремний/силицид

Технологический процесс изготовления таких плотноупакованных приборов памяти должен обладать достаточно высокими экономическими показателями и вместе с тем обеспечивать высокую надежность ЗУ. В нем должны быть предусмотрены меры защиты от усиления любых побочных эффектов, нарушающих нормальную работу ЗУ, — в том числе от случайных (динамических) сбоев, электрических помех, паразитных сопротивлений межсоединений, эффектов короткого канала, прогрешностей литографии и снижения выхода годных. Если повышение информационной емкости в ЗУПВ емкостью 256К будет сопровождаться повышением частоты случайных сбоев и уменьшением запасов работоспособности по рабочим напряжениям, то оно окажется для большинства потребителей малопривлекательным.

Особое внимание изготовители ЗУ уделяют при разработке конструкции кристаллов и технологии их изготовления сохранению их невосприимчивости к случайным сбоям. Источниками случайных сбоев являются разные эффекты, причем самый неприятный из них — паразитная радиоактивность. Альфа-частицы, излучаемые микроскопическими количествами радиоактивных примесей в материалах корпусов ИС или образующиеся под действием космических лучей, могут генерировать в кремниевой подложке миллионы электронно-дырочных пар. Эти носители заряда могут разряжать запоминающие конденсаторы в ячейках памяти, разрядные линии или внутренние считывающие узлы в усилителях считывания.

Случайные сбои под действием альфа-частиц почти полностью определяются величиной хранимого в запоминающих элементах заряда. Причиной случайных сбоев могут быть и определенные последовательности адресных кодов, однако эти сбои, в отличие от ранее рассмотренных, связаны с токами утечки между соседними запоминающими элементами или емкостными связями между разрядными линиями или линиями, по которым проходят сигналы от периферийных схем ЗУ. Большинство этих проблем внутренних связей удается решить при помощи генератора смещения подложки, выращивания высокоомного эпитаксиального слоя на низкоомной подложке и тщательного проектирования электрической схемы и топологии ЗУ.

Насколько же успешно решается проблема случайных сбоев в кристалле памяти емкостью 256К? Рассмотрим запоминающий элемент динамического ЗУПВ. Три последних поколения динамических ЗУ с произвольной выборкой были выполнены на однотранзисторных запоминающих элементах, в которых активный МОП-транзистор осуществляет доступ к заряду, хранимому на МОП-конденсаторе с тонким окисным диэлектриком. Через этот транзистор хранимый заряд передается на разрядную линию, которая в свою очередь подключена к дифференциальному усилителю, считывающему сигнал.

Если бы не было альфа-частиц, то в запоминающем конденсаторе можно было хранить лишь тот заряд, который бы сохранялся без утечки в течение времени, разделяющего последовательные операции регенерации (4-мс интервалы). Для защиты хранимой информации от разрушения при ударах альфа-частиц количество хранимых зарядов должно превышать число электронно-дырочных пар, генерируемых при таких ударах.

В конденсаторе емкостью 50 фФ, заряженном до 5 В, хранится заряд величиной 250 фКл, которому соответствует 1,5 млн. электронов. Это и есть тот минимальный заряд, который выдерживает удар альфа-частицы без полного разрушения. Получить емкость величиной 50 фФ на уменьшенной площади запоминающего элемента динамического ЗУПВ емкостью 256К можно только в случае уменьшения затворного окисла структуры примерно до 20 нм.

Некоторые изготовители предлагают увеличивать величину хранимого заряда, применяя диэлектрики с диэлектрической проницаемостью, превышающей проницаемость двуокиси кремния, которая сегодня используется во всех без исключения динамических ЗУПВ. Конденсатор с нитридом кремния хранит примерно на 50% больше заряда по сравнению с конденсатором с двуокисью кремния такой же площади, а формирование нитридного слоя между слоями двуокиси кремния облегчает осаждение таких диэлектриков в рамках существующих технологических процессов. Была рассмотрена также возможность применения пленок пятиокиси тантала, который по диэлектрической проницаемости превосходит двуокись кремния более чем в 5 раз. Однако большинство фирм пока что не считают эти новые технологии приемлемыми по экономическим показателям.

Повышение емкости запоминающего элемента одновременно увеличивает и сигнал на входах усилителей считывания, повышая их быстродействие и снимая проблему разбаланса плеч (сдвига нулевого уровня). Вследствие деления напряжения величина сигнала на входе усилителя считывания зависит от величины отношения емкости разрядной линии к емкости запоминающего элемента. Для динамического ЗУПВ емкостью 256К типовая величина этого отношения может составлять 10:1. Поэтому в режиме наихудшего случая результирующий считываемый на входе усилителя сигнал зачастую оказывается менее 100 мВ.

Изменение конструкции разрядных линий

В динамических ЗУПВ емкостью 16К и 64К разомкнутые диффузионные разрядные линии не только обладают большими электрическими емкостями, но и представляют собой «удобные» мишени для альфа-частиц. Для решения этих проблем разрядные линии в ЗУПВ емкостью 256К сделаны спаренными, что уменьшает помехи, и представляют собой не диффузионные, а металлические проводники, в результате чего снижается их емкость и увеличиваются считываемые сигналы. Такая попарная прокладка разрядных линий, при которой соседние линии подключаются к входам одного дифференциального усилителя считывания, превращает локальные помехи на обеих соседних линиях в синфазный входной сигнал, подавляемый усилителем считывания.

Переход в ЗУПВ емкостью 256К на металлические разрядные линии существенно влияет на всю структуру межсоединений кристалла, поскольку для получения времен выборки менее 100 нс его разрядные и словарные линии должны быть выполнены в низкоомных слоях. При диффузионных разрядных линиях словарные линии выполнялись из алюминия и в отдельных точках соединялись с поликремниевыми затворами транзисторов выборки. Но если единственный слой алюминия в структуре отдан под разрядные линии, то для изготовления словарных линий можно выбрать следующие материалы (табл.2): поликремний, тугоплавкие металлы, силициды или полициды (составные пленки поликремний-силицид).

Таблица 2. Сравнение материалов межсоединений для динамических ЗУПВ

Материал

Поверхностное сопротивление пленки толщиной 250 нм, Ом/квадрат

Покрытие ступенек на поверхности кристалла

Поликремний

10

Отличное

Тугоплавкие металлы

—0,3

Плохое

Силициды

 

 

     молибдена

2,5—3,5

 

     вольфрама

2,5—3,5

 

     тантала

2

Удовлетворительное

     титана

1

 

Полициды

Такое же, как у соответствующих силицидов

Отличное

Высокое поверхностное сопротивление сразу исключает поликремний из рассмотрения. Моделирование схем показывает, что задержка в поликремниевой словарной линии увеличивает времена выборки ЗУ на 20—30 нс, что, очевидно, неприемлемо для высококачественного быстродействующего прибора памяти. С другого конца диапазона поверхностных сопротивлений стоят тугоплавкие металлы, однако их применение в качестве второго уровня соединений станет возможным только при условии усовершенствования методов их осаждения и создания каких-либо защитных слоев.

Как силициды, так и полициды весьма успешно выдерживают все технологические операции, которые следуют после их осаждения. С этими материалами можно обращаться почти так же, как и с поликремнием. Многие изготовители динамических ЗУПВ емкостью 256К выбрали полициды потому, что они сочетают в себе лучшие свойства поликремния и силицидов; действительно, первый этап при формировании полицида — это осаждение поликремния. В результате в технологическом процессе сохраняются свойственные поликремнию отличное однородное покрытие ступенек на поверхности кристалла и все характеристики затворных электродов транзисторов.

При толщине пленки поликремния более 150 нм слой силицида почти не оказывает влияния на пороговое напряжение транзисторов. При более тонких слоях поликремния сдвиг порогового напряжения, обусловленный различием работ выхода для кремния и силицида, требует дополнительных мер для получения транзисторов с нужными характеристиками. Таким образом, в технологии с полицидными межсоединениями оптимизация характеристик транзисторов и межсоединений может осуществляться независимо. Наиболее распространенные варианты силицидов для динамических ЗУПВ емкостью 256К — это силициды молибдена, титана и тантала.

Полицидные затворы транзисторов — не единственное конструктивное отличие транзисторов в кристаллах емкостью 256К от транзисторов с самосовмещенными затворами в прежних динамических ЗУПВ. Эффекты короткого канала и проблемы, связанные с горячими носителями, не позволяют осуществлять непосредственную пропорциональную миниатюризацию транзисторных структур приборов емкостью 64К. Просто уменьшить длину поликремниевого затвора с 3 до 2 мкм при сохранении прежнего 5-В напряжения питания может оказаться делом весьма сложным. Одна из возникающих при этом проблем — лнжекция горячих носителей в затворный окисел транзистора, которая может резко ухудшить долговременную надежность ЗУ.

Слаболегированные стоковые области

Все современные методы изготовления транзисторов с длиной затворов 2 мкм и меньше включают тот или иной способ формирования слаболегированной стоковой области, впервые предложенной компанией IBM Corp. В такой структуре между каналом и сильнолегированными имплантированными областями истока и стока n+-типа делаются промежуточные участки n--типа (рис.1). Растягивая область околостокового электрического поля (и уменьшая тем самым его максимальную величину), эта слаболегированная область ослабляет эффекты короткого канала. Дальнейшее уменьшение околостокового электрического поля можно получить, сделав переход сток — подложка более плавным по изменению примесной концентрации.


Рис.1. Для подавления эффектов короткого канала в структуру МОП-транзисторов ЗУПВ емкостью 256К между канелом и сильнолегированными истоковой и стоковой областями n+-типа вводятся слаболегированные участки n--типа. Эти слаболегированные имплантированные области маскируются боковыми окисными прослойками.

Благодаря уменьшению электрического поля в такой структуре со слаболегированным стоком происходит уменьшение генерации горячих носителей и повышается пробивное напряжение перехода. На рис.2 приведены вольт-амперные характеристики транзистора со структурой, показанной на рис.1.

По вольт-амперным характеристикам показанной на рис.1 структуры видно, что она не отличается от типичных МОП-транзисторов с длинными каналами. Благода
Рис.2. По вольт-амперным характеристикам показанной на рис.1 структуры видно, что она не отличается от типичных МОП-транзисторов с длинными каналами. Благодаря слаболегированной стоковой области включение прибора происходит достаточно резко, а напряжение сквозного обеднения в цепи сток — исток получается значительно больше 10 В.

Но даже при уменьшении минимальных размеров элементов с 3 до 2 мкм планируемая на сегодняшний день в отрасли площадь кристалла ЗУПВ емкостью 256К составляет от 35 до 48 мм2, т.е. на 30—60% больше по сравнению с площадью типичных ЗУПВ емкостью 64К. Современные методы сборки кристаллов в пластмассовые корпуса плохо приспособлены к монтажу таких больших кристаллов в стандартные 16-контактные DIP-корпуса с межрядным расстоянием 7,62 мм, поэтому работы по дальнейшей миниатюризации кристаллов и совершенствованию методов их сборки в корпуса продолжаются. Но при этом следует иметь в виду, что разводка выводов кристаллов емкостью 64К и методы их регенерации были разработаны с прицелом на будущее, так что многие существующие системы памяти можно будет достаточно легко перевести в дальнейшем на кристаллы емкостью 256К.

Несмотря на все усилия получить минимально возможную площадь кристалла при заданном уровне его емкости, первое время выход годных для этих больших кристаллов емкостью 256К будет ниже, чем для менее крупных кристаллов емкостью 64К. Компенсировать этот недостаток можно при использовании резервирования, так как в новых кристаллах будут предусмотрены дополнительные строки или столбцы запоминающих элементов. Эти резервные строки и столбцы можно будет подключать к схеме на стадии проверки кристаллов на пластинах, заменяя таким образом дефектные элементы.

На ранних стадиях массового производства резервирование может увеличивать выход работоспособных кристаллов в 3—5 раз. Однако применение резервных схем может увеличивать затраты на испытания, времена выборки ЗУ (хотя при тщательном проектировании всего примерно на 3 нс) и мощность потребления.

Распространенным методом реализации резервирования является лазерное пережигание плавких перемычек, при котором площадь, занимаемая на кристалле вспомогательными схемами, получается наименьшей. Такой метод требует дорогостоящего оборудования, однако для такого массового изделия, как динамическое ЗУПВ емкостью 256К, соответствующие капиталовложения оказываются оправданными.

Проблемы литографии

Уменьшение размеров отдельных приборов и увеличение площади кристалла предъявляют к методам литографии и травления, необходимым для изготовления динамического ЗУПВ емкостью 256К, значительно более серьезные требования, чем при изготовлении прежних динамических ЗУПВ. Уменьшение размеров требует повышения разрешающей способности литографии, а также повышения ее точности, так как типовые допуски на размеры элементов по-прежнему остаются ±10% величины своих размеров.

Формирование рисунков схем на пластинах включает нанесение на них фоторезиста, его сушку, экспонирование и проявление. За исключением стадии экспонирования, производственное оборудование для всех стадий этого процесса при изготовлении динамических ЗУПВ емкостью 256К будет аналогичным оборудованию, на котором делаются ЗУ емкостью 64К второго поколения. Возможно, в конечном счете здесь будут применены усовершенствованные фоторезисты и методы обработки (например, многослойные резисты или резисты с плазменным проявлением). Однако вполне вероятно, что требуемые для динамических ЗУПВ емкостью 256К разрешающая способность и точность будут достигнуты использованием более простого средства — применения на наиболее критических операциях резистов с добавлением красителя (dyed). Краситель в резисте поглощает почти весь падающий свет и устраняет отражения от поверхности пластины, способные вызывать искажения схемных рисунков.

Вопрос выбора метода экспонирования решается далеко не так просто. Здесь имеются следующие возможные варианты — оптические проекционные методы с экспонированием всей пластины и с пошаговым репродуцированием, рентгенолитография с зазором и непосредственное электронно-лучевое формирование изображений.

Оптический проекционный метод с экспонированием всей пластины используется в настоящее время в массовом производстве первого поколения динамических ЗУПВ емкостью 64К. К сожалению, это оборудование не обеспечивает разрешающей способности 1,5 мкм и менее, которая требуется для определенных операций литографии при изготовлении приборов емкостью 256К. Его будущее усовершенствование путем создания оптики, работающей в дальней ультрафиолетовой области, возможно, позволит решить эту проблему разрешающей способности, во всяком случае теоретически.

На практике без очень жесткого контроля гладкости пластин или значительного повышения глубины фокусировки изображения доступный уровень разрешающей способности на пластинах диаметром 125 или 150 мм все же окажется недостаточным для приборов емкостью 256К. Другой проблемой будет совмещение — точное наложение рисунков одного слоя на рисунки предшествующего слоя. Средства автоматического совмещения и выявления искажений плохо сопрягаются с установками экспонирования целых пластин, так что это оборудование можно использовать только для экспонирования изображений с невысокими требованиями к точности.

Электронно-лучевая и рентгено-лучевая литографии (методы литографии будущего) пока недостаточно хорошо отработаны для внедрения в массовое производство. Конечно, разрешающая способность электронно-лучевой литографии составляет порядка 0,5 мкм, а точность контроля ширины линий равна ±0,1 мкм, однако ее сегодняшняя производительность недопустимо низка. Такие последние достижения в этой области, как многолучевое непосредственное формирование изображений, возможно, позволит поднять производительность до приемлемого уровня — около 4 мин на пластину.

Рентгено-лучевая литография развивается сейчас весьма быстрыми темпами: на опытных производственных линиях уже успешно эксплуатируются компактные установки экспонирования. На сегодня главное препятствие на пути внедрения этого метода — изготовление шаблонов. Особенно трудно делать эти шаблоны, выполняемые в масштабе 1 : 1 из редких материалов, для изготовления СБИС с экспонированием полных пластин с очень жесткими допусками на размеры. Вполне возможно, что средством создания буду-щего поколения СБИС станут именно рентгеновские системы непосредственного пошагового экспонирования, в которых удастся получить разрешающую способность рентгеновских лучей и вместе с тем значительно облегчить изготовление шаблонов.

Однако в настоящий момент чаще всего для изготовления динамических ЗУПВ емкостью 256К выбираются оптические установки непосредственного пошагового репродуцирования с 5- или 10-кратным уменьшением изображения. На таком оборудовании уже делаются некоторые модели динамических ЗУПВ емкостью 64К с уменьшенными размерами элементов. На установках непосредственного пошагового репродуцирования, оснащенных доступной на сегодня оптикой и средствами автоматического совмещения, изготовлены динамические ЗУПВ емкостью 256К первого поколения с минимальными размерами элементов менее 2 мкм и допусками на совмещение 0,75 мкм. Дополнение этих установок средствами автоматической фокусировки, а также новыми устройствами совмещения при каждом экспонировании в скором времени сделает возможным дальнейшую миниатюризацию приборов памяти.

При уменьшении ширины линий толщины пленок в структурах приборов уменьшаются не так быстро, поэтому с уменьшением горизонтальных размеров возникают дополнительные проблемы травления. Величина отношения вертикальных размеров к горизонтальным при миниатюризации элементов возросла, потребовав применения таких направленных методов травления, как плазменный. Методы плазменного и реактивного ионного травления работают анизотропно и равномерно, так как ими осуществляется ускорение молекул травителя электрическим полем, направленным перпендикулярно поверхности пластины.

Для всех операций травления тонкопленочных слоев требуются установки плазменного или реактивного ионного травления, так как с уменьшением горизонтальных размеров элементов необходимо получать вертикальный профиль края травления. Обработка одиночных пластин в наиболее критичных операциях также повышает точность получения заданной ширины линий и их однородность по пластине и между пластинами. Для обработки составных полицидных пленок разработаны новые специальные травители. Тщательный отжиг снимает все нарушения, вызванные излучением плазмы; другие операции обработки пластин после травления позволяют устранить возможную последующую коррозию алюминия, обработанного методом сухого травления.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 56, No.17 (673), 1983г - пер. с англ. М.: Мир, 1983, стр.44

Electronics Vol.56 No.17 August 25, 1983 A McGraw-Hill Publication

Michael Smayling, Mike Maekawa. 256-K dynamic RAM is more than just an upgrade, pp. 135—137.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Полупроводниковая техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19830825Elc022.shtml