Методические указания к лабораторным работам по приборно-технологическому моделированию в системе TCAD Sentaurus

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образованияМГТУ имени Н.Э. БауманаУДК: 004.942А.А. ГлушкоМетодические указания к лабораторным работампо приборно-технологическому моделированиюв системе TCAD SentaurusНастоящие методические указания предназначены для моделирования всистеме TCAD процессов формирования элементов интегральныхмикросхем, а также моделирования физических процессов, протекающих вэлементах интегральных схем при различных условиях эксплуатации.Система представляет собой комплекс программ, развернутых на удаленномсервере под управлением Linux-подобных операционных систем.Методические указания предназначены для студентов специальности«Проектирование и технология производства электронной аппаратуры»,выполняющихлабораторныеработыпокурсу«Автоматизацияпроектирования электронных средств».

Они могут быть полезны аспирантами преподавателям, проводящим занятия по дисциплинам «Физическиеосновымикроэлектроники»,«Технологическиепроцессымикроэлектроники», «Нанотехнологические процессы и оборудование».ОглавлениеВведение1. Конструкция МОП-транзистора и его электрическиехарактеристики2. Маршрут формирования одиночного МОП-транзистора3. Структура системы TCAD Sentaurus4. Среда Sentaurus Workbench системы TCAD Sentaurusи ее параметры5.

Подготовка исходных данных и моделированиепроцесса формирования полупроводниковых структурв подсистеме Sentaurus Process6. Подготовка исходных данных для подсистемымоделирования электрических характеристик SentaurusDevice7. Задания для лабораторной работы №1 «Моделированиепроцесса формирования структур в TCAD Sentaurus»8.

Задания для лабораторной работы №2 «Параметрысреды Sentaurus Workbench» и их использование примоделировании процессов формирования структуры9. Особенности моделирования электрическиххарактеристик в подсистеме Sentaurus Device10.Задания для лабораторной работы №3 «Моделированиеэлектрических характеристик МОП-транзисторов»11. Разработка программных модулей сиспользованием средств TCL12.Задания для лабораторной работы №4 «Разработкапрограммных модулей на языке TCL»13.Разработка программных управляющих модулейс использованием средств TCL14. Задания для лабораторной работы №5 «Обработкаэлектрических характеристик и разработкауправляющих модулей на языке TCL»Приложение 1. Описание моделируемоготехнологического маршрута461115171822273134384045465052ВведениеСовременный мир невозможно представить без электронных устройств,во многом являющихся незаменимыми помощниками человека.

Расширениеих функциональности, гибкость, удобство, малые габаритные размеры – всеэти качества было бы невозможно сочетать в одном миниатюрном изделиибез применения интегральных схем высокой степени интеграции.Проектирование таких схем – трудоемкая и чрезвычайно сложная задача,требующая очень высокой квалификации специалистов в областимикроэлектроники.Основной функциональный модуль каждой микросхемы – кристалл –представляет собой большое количество (порядка нескольких миллионов)транзисторов и других связанных элементов, формируемых в единомтехнологическом процессе с использованием комплекта фотошаблонов.Электрические характеристики каждого элемента во многом определяютсятехнологическими режимами его формирования.

Следует отметить, чтоэлементы современных отечественных СБИС имеют минимальнуюпроектную норму порядка 0,35 – 0,25 мкм, т.е. настолько малые размеры, прикоторых аналитические формулы расчета технологических режимов иэлектрических характеристик дают лишь грубый прогноз, а учет "узких" мести новых эффектов с их помощью не представляется возможным.Экспериментальный подход, основанный, в конечном счете, на методе «проби ошибок», сопряжен с неприемлемо высокими временными иматериальными затратами и не гарантирует получение требуемогорезультата.Поэтомузадачаприборно-технологическогомоделирования,представляющего собой моделирование методом конечных элементовтехнологического процесса формирования элементов СБИС и ихэлектрических характеристик с учетом различных "тонких" эффектов,является актуальной.На сегодняшний день безусловным лидером в области разработки САПРприборно-технологического моделирования стала фирма Synopsys,выпускающая продукт TCAD Sentaurus.

Эта система работает подуправления Linux-подобных операционных систем и включает большоеколичество компонентов, выполняющих взаимодополняющие функции.Большая часть компонентов не имеет развитого графического интерфейса,поэтому последовательность выполняемых действий задается пользователемна специфических языках программирования, в том числе и на языке TCL(Tool Command Language).

Настоящие методические указания призваныпомочь студентам, изучающим основы микроэлектроники и приборно-технологического моделирования, разобраться со структурой системы TCADSentaurus и составлением программ моделирования.Поскольку в настоящее время наибольшую популярность получилиМОП-технологии благодаря своему низкому энергопотреблению и болеевысокой плотности упаковки элементов, в учебном пособии все примерыприводятся для МОП-технологии, а в качестве основного моделируемогокомпонента рассматривается МОП-транзистор.1.

Конструкция МОП-транзистора и его электрическиехарактеристикиПолевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник,обычно называемые МОП-транзисторами были впервые предложены еще в1930г. Лилиенфельдом, но первый работающий прибор был изготовлентолько в 1960г. Кангом и Аталлой. Термин МОП-транзистор обычно относятк любой структуре типа затвор – изолятор – полупроводник, в случаесверхбольшой интегральной схемы (СБИС) чаще всего используютструктуру, в которой в качестве затвора используется сильнолегированныйполикристаллический кремний или его сочетание с тугоплавким металлом, вкачестве изолятора – как правило, двуокись кремния, полупроводника –кремний [1].На рисунке 1 показано трехмерное изображение МОП-транзисторас каналом n-типа.

Подложка имеет проводимость п-или р-типа для рканального или n-канального МОП-транзистора соответственно. Истоки истоки сильно легируются примесями противоположного типа. На рисунке 1показаны также стандартные обозначения напряжений. При нормальнойработе п-канальной МОП-структуры обычно потенциал истока считаютравным нулю, все остальные смещения напряжения рассматриваютотносительно истока. Подложка n-канального МОП-транзистора илизаземляется, или находится под отрицательным смещением относительноистока. Сток и затвор находятся под положительным смещениемотносительно истока.

Для правильной работы полевого прибора полярностина переходах истока и стока выбираются таким образом, чтобы на диодах,образованных p-n-переходами исток-подложка и сток-подложка, напряжениебыло нулевым или отрицательным [1].Рисунок 1 – Трехмерный вид МОП-транзистора [1]Рассмотрим случай, когда напряжение сток-исток VDS равно нулю, анапряжение затвор-исток VGS изменяется от нуля до некоторогоположительного уровня.

Для VGS <VT, где VT – параметр, называемыйпороговым напряжением (напряжение, необходимое для образованияинверсионного слоя), прибор находится в подпороговом режиме. Если VGSначинает превосходить VT, то электроны притягиваются к поверхностираздела окисел-полупроводник, образуя инверсионный слой. Прииспользовании аналитических приближений считается, что этотинверсионный слой представляет собой прямоугольную область, равномернозаполненную носителями на глубину, равную примерно 100-500 Å.Фактически концентрация носителей в инверсионном слое спадаетприблизительно экспоненциально по направлению от поверхности вглубьподложки.

Носители в инверсионной области образуют вблизи поверхностипроводящий слой, соединяющий исток со стоком. Таким образом,напряжение затвора служит для создания проводящего канала междуистоком и стоком [1].Напряжение на стоке влияет на поток электронов от истока к стоку.

ПриVGS<VT и VDS>0 (подпороговый режим) протекает небольшой ток. Этот токвлияет на скорость, с которой может происходить переключение транзистораиз запертого состояния в открытое и наоборот, а также на величинумощности, рассеиваемой в статическом режиме [1].Если VGS становится более порогового напряжения (надпороговыйрежим), а VDS поддерживается на уровне, меньшем чем VGS – VT, тообразующийся при этом инверсионный слой создает возможностьпротекания тока, прямо пропорционального приложенному напряжению настоке. Это соответствует области 1 на выходных статическиххарактеристиках ID – VDS, показанных на рисунке 2 [1].Рисунок 2 – Выходные характеристики МОП-транзистора: 1 — линейнаяобласть, 2 — область перехода с линейного участка характеристики научасток насыщения, 3 – область насыщения [1]По мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток обедненнаяобласть у стока расширяется, так как она находится под обратным смещением,а инверсионная область вблизи стока начинает уменьшаться.

В результате этогонаблюдается отклонение от линейной зависимости между током канала инапряжением стока, как это показано на области 2 рисунка 2 [1].Дальнейшее увеличение VDS приводит к полному обеднениюинверсионной области у стока. Результатом этого является возникновениесостояния, называемого насыщением. Напряжение стока, приводящее кпоявлению насыщения, называется напряжением насыщения, VDS sat. Ток,который определяется падением напряжения между точкой насыщения иистоком, будет оставаться приблизительно постоянным, как это показано нарисунке 2 (область 3) [1].Уменьшение размеров приборов позволяет повысить быстродействиемикросхем и увеличить плотность упаковки элементов в них, тем самымрасширяя функциональность этих микросхем, причем поведение приборовопределяется такими эффектами, как изменение порогового напряжения взависимости от размеров приборов, модуляция подпорогового токанапряжением стока, насыщение скорости носителей и появлением горячихносителей [1].В системах приборно-технологического моделирования (TCAD) расчетполупроводниковых структур сводится к решению фундаментальныхдифференциальных уравнений – в наиболее простой диффузионнодрейфовой модели это уравнение Пуассона, два уравнения непрерывностидля электронов и дырок и уравнения переноса носителей [2].Уравнение Пуассона имеет видdiv ε grad ψ = – q (p – n +ND+ – NA-),(1)где ε- диэлектрическая проницаемость вещества, для которогорешается уравнение, ψ – электростатический потенциал, q – заряд электрона,р и n - концентрации электронов и дырок, ND+ и NA- - концентрацииионизированных атомов донорной и акцепторной примесей, соответственно[2,3].Уравнения непрерывности для электронов и дырок записываются какdiv J n = – q(G – R),(2)div J p = q(G – R),(3)Здесь J n и J p - векторы плотности соответственно электронногои дырочного токов, G – скорость генерации носителей, R – скоростьрекомбинации носителей [2,3].Диффузионно-дрейфовая модель переноса носителей описываетсяуравнениямиJ n = – q(μnn (grad ψ)– Dn grad n),(4)J p = – q (μpp grad ψ)– Dp grad p),(5)где μn, μp, - подвижности электронов и дырок, Dn, Dp – коэффициентыдиффузии электронов и дырок [2,3].Помимодиффузионно-дрейфовоймоделииспользуютсятермодинамическая и гидродинамическая модели.

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.