Методы моделирования элементов КНИ КМОП СБИС с субмикронными проектными нормами

На правах рукописиУДК 621.382Глушко Андрей АлександровичМЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯЭЛЕМЕНТОВ КНИ КМОП СБИСС СУБМИКРОННЫМИ ПРОЕКТНЫМИ НОРМАМИ05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (в промышленности)Автореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2011Работа выполнена в Московском государственном техническом университетеимени Н.Э. БауманаНаучный руководитель:член-корреспондент РАН,доктор технических наук, профессорШахнов Вадим АнатольевичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорНазаров Александр Викторович(МАИ)кандидат технических наукРепин Владимир Валериевич(ФГУП «НИИМА «Прогресс»)Ведущая организация:Федеральное государственноеунитарное предприятие «НПП «Пульсар»(Москва)Защита диссертации состоится «1» марта 2012 г.

в 14 час. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д212.141.10 в Московском государственномтехническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-аяБауманская ул., д.5.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекегосударственного технического университета им. Н.Э. Баумана.МосковскогоВаш отзыв в 1 экземпляре просим высылать по указанному адресу.Автореферат разослан «_____» января 2012 г.Ученый секретарь диссертационного советак.т.н., доцентИванов С.Р.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность. К современной электронной аппаратуре как общего, таки специального назначения, предъявляются все более жесткие требованияпо повышению быстродействия и надежности при снижении габаритныхразмеров и энергопотребления. Удовлетворению этих требований в большоймере способствует совершенствование элементной базы сверхбольшихинтегральных схем (СБИС). Уменьшение размеров элементов СБИСи применение технологии кремний-на-изоляторе (КНИ) позволяет многократноповыситьбыстродействие,снизитьэнергопотребление,повыситьрадиационную стойкость и т.д.

Однако, продвижение в область субмикронныхразмеров сопровождается существенным ростом сложности проектирования иизготовления СБИС: технологический процесс насчитывает несколько сотенопераций; используется уникальное технологическое и измерительноеоборудование, материалы и оснастка; предъявляются сверхжесткие требованияк чистоте и климату производственных помещений; становится обязательнымучет малоразмерных физических эффектов при проектировании схем,аналитический расчет которых на основе инженерных формул в принципеневозможен.

Применение субмикронных технологий требует обязательногоучета трехмерных эффектов при проектировании конструкций элементовСБИС, что также существенно усложняет их разработку.Важнейшим методом исследования при этом становится приборнотехнологическое моделирование, которое, в конечном счете, позволяет снизитьстоимость разработки за счет уменьшения материальных затрат на проведениеэкспериментальных исследований, а также повысить процент выхода годныхСБИС в серийном производстве..

Этот метод основан на решениифундаментальных уравнений физики, описывающих процессы, протекающие вметаллах, окислах и полупроводниках, и реализован в виде многомодульнойтехнологической САПР (TCAD), которая позволяет исследовать поведениеэлементов СБИС и технологические процессы их изготовления. Наиболеесовершенной на сегодняшний день является система TCAD Sentaurus фирмыSynopsys (США), лидера в области разработки технологических САПР. Однакосуществующие САПР в своем базовом варианте не могут быть использованыдля моделирования процессов формирования структур и их электрическиххарактеристик, поскольку двумерное моделирование, вообще говоря,не позволяет достичь требуемой точности применительно к транзисторамс произвольной конфигурацией затвора, а при трехмерном моделированиивозникает неприемлемо низкая точность расчетов.

Кроме того, длительностьрасчета одной характеристики может достигать нескольких недель. Актуальнаи реализация связи между литографическими САПР и САПР приборнотехнологического моделирования для учета влияния литографическихэффектов на электрические характеристики создаваемых структур.Состояние проблемы. Существующие методики, методы и моделифизических процессов, заложенные в системе TCAD Sentaurus, не позволяютреализоватьтрехмерноемоделированиесложныхструктуриз-за1неустойчивости сходимости процесса моделирования и требованиясущественных системных ресурсов (даже на мощных вычислительных серверахс объемом оперативной памяти 16 Гбайт) и временных затрат.Модели физических процессов, заложенные в системе TCAD Sentaurus,являются результатом работ многих зарубежных исследователей. Наиболееизвестны работы Антониадиса Д., Даттона Р., Оулдхема У., Ферри Д., ЭйкерсаЛ., Гринича Э.В России с решением подобных задач связаны работы Киреева В.Ю.,Королева М.А., Зебрева Г.И.

Непосредственно с моделированием в системахTCAD связаны работы коллективов, возглавляемых Крупкиной Т.Ю.,Петросянцем К.О., а также работы Виноградова Р.Н., Дроздова В.Г., КорнееваС.В., Седова А.В. и Максимова А.Н.Цель работы заключается в разработке модифицированных методовприборно-технологического моделирования, позволяющих повысить точностьмоделирования и сократить временные затраты на проектированиесубмикронных элементов КНИ КМОП СБИС.Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели должны бытьрешены следующие задачи:1. Обеспечить сопряжение САПР литографического и приборнотехнологического моделирования TCAD с целью учета эффекта искажениятопологии в процессе литографии;2.

Выполнить трехмерное моделирование диффузионного профиля КНИМОП-структур с субмикронными нормами;3. Уменьшить время моделирования трехмерных КНИ МОП-структурс субмикронными нормами;4. Повысить точность моделирования на основе перехода к трехмерномумоделированию, а также калибровки и корректировки существующих моделейв САПР приборно-технологического моделирования.Методы исследования. Для решения поставленных задач примененыметоды математического моделирования, аналитические методы расчетапараметров моделей, метод ветвей и границ и метод линейной аппроксимации.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

Разработана методика трехмерного моделирования с учетомлитографических эффектов, отличающаяся применением криволинейной сетки,получаемой на основе формирования тонких полосок кремния вдоль границытопологической области затвора формируемого КНИ МОП-транзистора.2. Разработаны рекомендации по улучшению сходимости и повышениюточности процесса трехмерного приборно-технологического моделированияэлектрических характеристик КНИ МОП-транзисторов за счет учета сниженияподвижности носителей на границе окисел-кремний, выполняемого на основепредварительного двумерного моделирования.3.

Предложен метод определения эквивалентной ширины канала длякалибровки моделей подвижности носителей в канале КНИ МОП-транзисторов,заключающийся в построении линейной аппроксимации расчетных и2экспериментальных зависимостей тока насыщения транзистора отгеометрической ширины канала.Достоверность полученных научных результатов, выводов ирекомендаций диссертационной работы подтверждена результатамиэкспериментальных исследований, проведенных в НИИСИ РАН.

Расхождениемежду электрическими характеристиками, полученными на основаниитрехмерного моделирования, и экспериментальными составило не более 10%.На защиту выносятся:1. Методика трехмерного моделирования процесса формированиясубмикронных элементов КНИ КМОП СБИС в системе TCAD, отличающаясяот стандартной сокращением числа вершин в топологии затвора послелитографического моделирования и построением криволинейной сеткиконечных элементов, обеспечивающей снижение количества узлов в рядеслучаев на 50%, что позволяет реализовать принципиальную возможностьтрехмерного моделирования КНИ МОП-транзисторов с учетом эффектовискажения топологии затвора в процессе литографии.2.

Рекомендации по улучшению сходимости и повышению точностипроцессатрехмерногоприборно-технологическогомоделированияэлектрических характеристик КНИ МОП-транзисторов, основанные на учетеснижения подвижности носителей на границе окисел-кремний, выполняемом спомощью предварительного двумерного моделирования, и на управлениишагом сходимости, максимальным количеством итераций и т.п.3. Метод определения эквивалентной ширины канала транзистора,заключающийся в построении линейной аппроксимации зависимости токанасыщения от геометрической ширины канала и прибавлении к геометрическойширине канала отношения свободного члена полученной линейнойзависимости к ее угловому коэффициенту.Практическая значимость и результаты внедрения.