МУ к лабораторным работам по приборно-технологическому моделированию в системе TCAD Sentaurus, страница 2

Особенностью этихмоделей является необходимость решения уравнения теплопроводности вдополнение к перечисленным уравнениям Пуассона и непрерывности. Втермодинамической модели учитывается нагревание структуры за счетпротекания электрического тока. В этом случае уравнения переноса выглядятследующим образом:J n = – q(μnn (grad ψ+ Pn  T ) – Dn grad n),(6)J p = – q (μpp( grad ψ+ Pp  T ) – Dp grad p),(7)где Pp и Pn – термоэлектрические коэффициенты, Т – абсолютнаятемпература [2,3].Термодинамическая модель используется для моделирования КНИструктур (структур «кремний на изоляторе»), где учет эффекта саморазогреваструктуры за счет протекания токов важен из-за плохого теплообменаактивной области транзистора с общей подложкой [2,3].Гидродинамическая модель (модель энергетического баланса)описывается значительно более сложными уравнениями и предназначена длямоделирования структур с размерами, лежащими в области глубокогосубмикрона [2,3].Обобщенные сведения о всех трех моделях, используемых в системахприборно-технологического моделирования, приведены в таблице 1.Таблица 1 – сравнение диффузионно-дрейфовой, термодинамической игидродинамической моделейКритерийсравненияДиффузионнодрейфоваямодельПрименениеИспользуется по Используется приумолчаниюв расчете мощныхTCADприборовиструктур«Кремнийнаизоляторе»УравнениеВходят в модельПуассонаиуравнениянепрерывностиТермодинамическая модельВходят в модельГидродинамическаямодельИспользуется прирасчете структур спроектныминормами0,18–0,13 мкмВходят в модельПродолжение таблицы 1КритерийсравненияДиффузионнодрейфоваямодельУравнениеНе используетсятеплопроводностиТермодинамическая модельГидродинамическаямодельВходит в модельВходит в модель ввидеуравнениятеплопроводностидля электронов иуравнениятеплопроводностидля дырокТемператураЗадаетсядля Задаетсявсегоприбора.

граничноеПо умолчанию – условие300 КНаличиетермическихконтактовОтсутствуютИспользуютсякак Задаетсякакграничное условиеИспользуютсяСведения, приведенные в таблице 1, в дальнейшем помогутв составлении командного файла для расчета характеристик транзистора.Помимо фундаментальных уравнений Пуассона, непрерывности итеплопроводности и моделей переноса носителей в системе TCADиспользуются:Модели подвижности (параметры μn, μp, - входят в уравнения 4-7);Модели генерации и рекомбинации носителей (параметры G и R входят в уравнения 2-3);Модели зонной структуры полупроводника (параметры ND+, NA-, и ψ –используются в уравнении 1, n, p – используются во всех уравнениях);Модели внешних воздействий на структуру и модели внутреннихэффектов.

При включении каждой из этих моделей фактически изменяетсяили модифицируется формула вычисления одного из параметроввышеописанных уравнений.Таким образом, для грамотного моделирования полупроводниковогоприбора следует изначально описать физические основы его работы иосновные эффекты, лежащие в основе его работы и сопутствующие этойработе. Теоретически можно было бы включить все физические модели,применяемые в системе, однако, это усложнило бы системы уравнений исущественно увеличило время расчета характеристик полупроводниковогоприбора.2.

Маршрут формирования МОП-транзистора как часть маршрутаизготовления интегральных микросхемПри производстве СБИС все транзисторные, резисторные и емкостныеэлементы формируются одновременно в едином технологическом процессена общей пластине. Формирование происходит с использованием операцийионного легирования, осаждения и травления слоев, термических обработоки литографии, причем последняя обеспечивает избирательность всехпроцессов получения структур на общей подложке.

Для получения заданнойвертикальной структуры используется несколько шаблонов и операцийлитографии. Изменяя комплект шаблонов при фиксированной технологииэлементов, можно получать различные виды интегральных схем.С целью экономии времени моделирования формирования отдельноготранзистора можно часть операций, не влияющих на его формирование всистеме TCAD,можно исключить из технологического маршрута.Например,длямоделированияn-канальногоМОП-транзисторатехнологический маршрут формирования структуры можно упрощеннопредставить в виде таблицы 2.Таблица 2 – перечень основных операций упрощенного маршрутаформирования n-канального МОП-транзистораНазвание этапаОперацияФормированиеТермическое окислениеподзатворного окислаи затвораОсаждение поликремнияЛитография по шаблону POLY (шаблонформирования затвора)Травление поликремнияУдаление резистовой маскиФормирование областейИонная имплантация донорной примесиистока/стокаОтжиг с активацией примесиФормированиеОсаждение окислаизоляционных спейсеровТравление окислаВначале выполняется термическое окисление кремниевой пластины иосаждение поликристаллического кремния (рисунок 3).Рисунок 3 – Структура перед литографиейЗатем наносится слой резиста и выполняется его экспонирование черезшаблон POLY – шаблон формирования затвора (рисунок 4).

По полученнойрезистовой массе выполняется анизотропное травление поликремния. Послеэтого резистовая маска удаляется (рисунок 5).Рисунок 4 – Структура с резистовой маской, сформированной впроцессе литографииРисунок 5 – Структура после травления поликремния и удалениярезистовой маскиФормирование областей истока и стока осуществляется путем ионноголегирования через полученную рельефную структуру. Толстый затворпредотвращает попадание примеси в подзатворную область, обеспечиваяотсутствие проводящего канала в отсутствие положительного смещения назатворе.

С целью активации примеси после ионного легирования проводитсяотжиг (рисунок 6).Рисунок 6 – Структура с областями истока и стока, легированнымидонорной примесьюДля изоляции затвора от электродов истока и стока выполняетсяформирование спейсеров. Для этого вначале осаждается изоляционныйматериал (окисел кремния), а затем он вытравливается с поверхности. Приэтом травление выполняется по достижении травителем поверхностикремния (рисунок 7).Рисунок 7 – Вид окончательной структуры без многоуровневойметаллизацииСледует отметить, что в реальном технологическом процессе спейсерыучаствуют в операциях дополнительного легирования LDD-областей(которое мы не учитываем) и при формировании силицида на поверхностиистока, стока и затвора.

В маршруте, представленном в таблице 2, неучитываются операции формирования р-канального транзистора, уровнейметаллизации,соединяющихэлементымеждусобой,процессасилицидирования, снижающего удельное поверхностное сопротивлениеобластей, процесса формирования LDD-областей, а также всеподготовительные и вспомогательные операции. Отсутствует операциялегирования кармана - считается что в кармане сохраняется уровеньлегирования подложки (в общем случае, это не так).

Реальныйтехнологический процесс включает более 300 операций, а времяизготовления партии пластин в этом случае – более месяца.Таким образом, все элементы в технологии полупроводниковыхинтегральных микросхем получаются путем избирательного легирования,травления и осаждения областей кремниевой структуры. Избирательностьдостигается путем применения операций литографии, а также за счетсформированного рельефа.3. Структура TCAD SentaurusTCAD Sentaurus – система моделирования, предназначенная дляразработки и оптимизации существующих технологических процессовизготовления полупроводниковых структур, входящих в состав СБИС(сверхбольших интегральных схем).

Моделирование в TCAD Sentaurusпредставляет собой как моделирование процессов формированияисследуемых структур, так и последующее моделирование электрическиххарактеристик этих структур.При расчете процесса формирования структур используются физическиемодели основных технологических операций, таких как диффузия, ионнаяимплантация, травление, осаждение, эпитаксия.В основе моделирования электрических характеристик структуры лежитметод конечных элементов.

В специальных файлах содержится всяинформация о координатах вершин конечных элементов, материалах илегирующих примесях, необходимая для моделирования. Для каждойвершины в процессе моделирования электрических характеристиквычисляются концентрация носителей, плотность тока, напряженностьэлектрического поля, скорость генерации носителей и их рекомбинации. Этиданные получаются путем решения системы дифференциальных уравненийПуассона и непрерывности.Структура системы TCAD Sentaurus представлена на рисунке 8Рисунок 8 – Структура системы TCAD SentaurusВ систему TCAD Sentaurus входят следующие основные компоненты:среда управления программами моделирования Sentaurus Workbench –предназначена для создания проекта, из которого последовательнозапускаются программные компоненты с заданными значениями параметров;программа-транслятор технологического процесса (Ligament) –предназначена для преобразования исходных данных, введенныхпользователемсиспользованиемграфическогоинтерфейса,впоследовательность инструкций на языке, «понятном» конкретнойпрограмме моделирования Sprocess, Sde или Dios (в старых версиях);собственно программы моделирования (Sentaurus Process, SentaurusDevice) – не обладают развитым графическим интерфейсом.