Методы моделирования элементов КНИ КМОП СБИС с субмикронными проектными нормами, страница 2

Практическаязначимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:1. Сократитьвремяприборно-технологическогомоделированияв системе TCAD Sentaurus субмикронных элементов КНИ СБИС в ряде случаевна два порядка (от нескольких недель до нескольких часов).2. Повысить на 10 – 50% точность схемотехнического SPICEмоделирования КНИ МОП СБИС за счет уточнения эквивалентной шириныканала по отношению к заложенной при проектировании.3. Увеличить быстродействие СБИС на 10% за счет использования фигуроптической коррекции эффекта близости, спроектированных при совместномлитографическом и приборно-технологическом моделировании.4.

Реализоватьвозможностьмоделированияэлектрическиххарактеристик КНИ МОП-структур с учетом литографических эффектов наоснове сопряжения САПР литографического и приборно-технологическогомоделирования.Методика и результаты моделирования, полученные в работе, внедреныв процесспроектированияэлементнойбазысубмикронныхСБИСв НИИСИ РАН и в учебный процесс МГТУ имени Н.Э. Баумана.3Апробацияработы.Результатыработыбылипредставленына Международныхмолодежныхнаучно-техническихконференциях«Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва, 2007, 2008,2009, 2010, 2011), журнале «Технология и конструирование в электроннойаппаратуре» (Одесса, 2007), сборнике «Информатика и системы управленияв ХХI веке», журнале «Вестник МГТУ имени Баумана» (Москва, 2011).Принята к печати статья в журнале «Микроэлектроника» №1 за 2012 год (изперечня изданий, рекомендованных ВАК РФ).Работа отмечена 2 дипломами 1 степени Международных молодежныхнаучно-техническихконференций«Наукоемкиетехнологиии интеллектуальные системы», (Москва, 2007) и «Наукоемкие технологиии интеллектуальные системы», (Москва, 2009).

За выполненную работу авторуприсуждалась стипендия Правительства РФ.Результаты исследования были представлены на IX, Х и XI научнопрактическихсеминарах«Проблемысозданияспециализированныхрадиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур», проходившихв Нижнем Новгороде в 2009, 2010 и 2011 г.Публикации. По материалам и основному содержанию работы имеется9 публикаций в научно-технических журналах и трудах международныхконференций, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.Личный вклад соискателя. Из перечня публикаций, выполненных всоавторстве, лично Глушко А.А.:− в работе [1] проанализированы проблемы моделирования субмикронныхКМОП-структур, входящих в состав СБИС, и процессов их формирования;− в работе [7] предложена методика комплексного двумерного итрехмерного моделирования КНИ МОП-транзисторов, а также предложенметод определения эквивалентной ширины канала транзистора;− в работе [9] предложена модель подвижности в поликристаллическомкремнии и предложена модель подвижности в поликристаллическом кремнии иметодика проведения эксперимента по уточнению ее параметров.Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоитиз введения, четырех глав, заключения, библиографического списка. Общийобъем диссертации 128 страниц, содержит 67 рисунков, 4 таблицы, списокиспользованных источников из 63 наименований.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность моделирования субмикронныхКНИ МОП-транзисторов, сформулирована цель и задачи исследованияи изложена структура диссертационной работы.Первая глава диссертации посвящена проблемам проектированияэлементной базы КНИ КМОП СБИС с субмикронными проектными нормамии технологических процессов изготовления СБИС, анализу системавтоматизированного проектирования, позволяющих моделировать как процессформирования, так и электрические характеристики элементов СБИС.4Рассмотрены особенности проектирования технологических процессови конструкций элементов СБИС, определен круг задач диссертационнойработы.Технологический процесс изготовления субмикронных СБИС долженудовлетворять нескольким основным требованиям.

Во-первых, термическиепроцессы изготовления СБИС должны проводиться при достаточно низкихтемпературах (порядка 900 – 950 ºС), что позволяет свести к минимумудиффузию легирующих примесей в горизонтальном и вертикальномнаправлениях. Второе важное требование состоит в обеспечении малыхсопротивлений областей элементов СБИС, проводящих дорожек и контактов.Паразитные сопротивления и емкости могут приводить к существенномуснижению быстродействия СБИС.

И, наконец, третьим требованием,необходимым для изготовления СБИС с субмикронными размерами структур,является учет эффекта оптической близости в процессе литографии.Наиболее значимым методом проектирования СБИС становится приборнотехнологическое моделирование элементной базы и технологическихпроцессов. Моделирование основано на решении фундаментальных уравненийфизики методом конечных элементов в специализированных САПР,получивших название TCAD, и является одним из наиболее гибкихинструментов, позволяющим определить такие ограничения на задаваемыетехнологические режимы, при которых электрические параметры элементовСБИС будут находиться в заданных пределах [1].

Экспериментальные данныепри этом сопоставляются с результатами моделирования и дается оценкаошибки прогноза конкретной характеристики элемента СБИС.Существующая в применяемой системе TCAD Sentaurus методикатрехмерного моделирования состоит в разделении всех операцийтехнологического процесса на топографические операции (осаждение,травление и нанесение маски) и операции легирования, включающие ионноелегирование и диффузию примеси. При этом на первом этапе выполняетсягеометрическое моделирование топографических операций, а затем в ужесформированной структуре выполняется моделирование операций легирования.Такая методика моделирования упрощает формирование трехмернойструктуры, однако при этом полностью исключается возможность трехмерногомоделирования операции термического окисления.Задачу проектирования КНИ МОП-транзисторов на основе существующейметодики усложняют и особенности их геометрии.

Дело в том, чтово избежание эффектов плавающего кармана необходимо обеспечить надежныйэлектрический контакт к карману транзистора. Топологии КНИ МОПтранзисторов с контактом к карману представлены на рисунках 1а – 1в. Постепени влияния процесса литографии на топологию затвора следует выделитьтранзисторы с прямым (А-типа) и непрямым (Н-типа и О-типа) затвором.В TCAD не предусмотрен учет литографических эффектов при моделированиитехнологического процесса формирования элементов СБИС.5а)б)в)Рисунок 1. Топологии КНИ МОП-транзисторов различных конструкций: 1– область затвора, 2 – область истока, 3 – область контактного окна,4 – сильнолегированная область для обеспечения контакта к карману,5 – область стока, 6 – граница области транзистораКроме того, без необходимых инструкций система TCAD может назначатьтакие значения параметров сетки конечных элементов, при которых структураможет быть качественно искажена.

Слишком большие «ячейки» сеткине позволяют выявить, что происходит внутри «ячейки», а слишком малые«ячейки» приводят к существенным временным затратам при моделировании.Возникает задача поиска компромисса между временем и точностьюмоделирования. И наконец, время моделирования может достигать несколькихсуток и даже недель из-за неудачно выбранных параметров численных методов,а в ряде случаев без вмешательства пользователя система завершает процесссчета с ошибкой, вызванной расходимостью численных методов.Большая часть модулей TCAD ориентированы на составлениепользователем программы моделирования, описываемой на внутренних языкахсистемы. Кроме того, в TCAD возможна разработка собственных модулей наязыке TCL, позволяющих взаимодействовать со стандартными компонентами.Пользователю доступно и добавление новых моделей в систему моделированияэлектрических характеристик на основе объектно-ориентированногопрограммирования на языке С++.Повышение точности моделирования связано с разработкой методапостроения сетки и последующей калибровкой применяемых моделей натехнологическом процессе с проектными нормами 0,35 мкм.

Верификациюприменяемыхмоделейпредложенопроводитьнанезависимомтехнологическом процессе с минимальными проектными нормами 0,25 мкм.На основе результатов приборно-технологического моделированиятранзисторов с прямым и непрямым затвором становится возможнымуточнение наиболее важных параметров, применяемых при схемотехническоммоделировании, таких, например, как эквивалентная ширина канала.Во второй главе предложена методика трехмерного моделирования КНИМОП-транзисторов, включающая: особенности преобразования топологиизатвора; правила описания геометрических областей и формирования профиляв кармане; особенности генерации сетки для корректного моделирования6операции диффузии примеси и рекомендации по улучшению сходимости иповышению точности процесса трехмерного приборно-технологическогомоделирования электрических характеристик КНИ МОП-транзисторов.Проанализированы используемые модели технологических операций ифизических процессов, протекающих в МОП-структурах.