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

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.

Они считываютфайлы исходных данных, выполняют процесс моделирования и в концезаписывают результаты моделирования в файлы заданного формата. Процессмоделирования представляет собой решение модифицированным методомНьютона системы из m×N нелинейных уравнений, полученных путемдискретизации фундаментальных уравнений физики на конечно-элементнойсетке. Здесь m – число исходных решаемых дифференциальных уравнений, аN – количество вершин стеки конечных элементов. Программа SentaurusProcess (сокращенно Sprocess) выполняет моделирование процессаформирования структуры прибора, а Sentaurus Device (сокращенно Sdevice) –моделирование электрических характеристик структуры;программа визуального просмотра результатов моделирования(Sentaurus Visual) – позволяет анализировать результаты моделированияпутем построения одномерных, двумерных и трехмерных концентрационныхпрофилей структуры.

При этом под концентрационными профилямиподразумевается не только распределение концентрации примеси, но также ираспределениевпространстведругихвеличин,например,электростатического потенциала, квазиуровней Ферми, температуры,концентрации и подвижностей носителей электрических зарядов и т.п.;программа построения графических зависимостей (Inspect) –предназначена для построения двумерных графиков, как правило, длявизуализации электрических характеристик исследуемой структуры ипреобразования файлов этих характеристик в стандартный формат, которыйможно обрабатывать вне системы TCAD Sentaurus (например, форматы –csvдля Excel-подобных программ и -txt);генератор сетки конечных элементов (Mesh) – предназначен дляпостроения конечно-элементной сетки в одномерных, двумерных итрехмерных телах.