sb000001

УДК 621.382.8

Технологическое моделирование фрагмента ИС: Методические указания к курсовой работе по дисциплине "Специальные вопросы технологии интегральных микросхем"/ Сост. О.В.Александров; ГЭТУ. СПб.,1996. 32 с.

Включают краткие сведения по численному моделированию основных технологических процессов изготовления ИС: термического окисления слабо- и сильнолегированных слоев, ионной имплантации в однослойной и двуслойной системах, ионного и диффузионного легирования с низкой и высокой концентрациями примеси, совместной диффузии легирующих примесей.

Предназначены для студентов специальности 200300 дневной и вечерней форм обучения.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

С С.–Пб.ГЭТУ, 1996

2

Курсовая работа имеет своей целью закрепление и углубление знаний, полученных в лекционном курсе и на практических занятиях по этой дисциплине. Выполнение курсовой работы способствует развитию у студентов навыков самостоятельного решения инженерных задач, связанных с разработкой, расчетом и моделированием технологических процессов изготовления ИС, работой с научно-технической и справочной литературой.

При выполнении курсовой работы студенты должны использовать лекционный материал по данной дисциплине, разделы предшествующих курсу дисциплин "Технология материалов и изделий электронной техники", "Приборы функциональной электроники", "Проектирование полупроводниковых приборов и интегральных микросхем", "Вычислительная математика", а также рекомендованную литературу, список которой приведен в данных методических указаниях.

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Курсовая работа выполняется в соответствии с индивидуальным заданием,

-тип логики/технологии логического элемента;

-логическая функция элемента;

-способ межэлементной изоляции;

-параметры подложки и/или эпитаксиального слоя;

-ключевые конструкторско-технологические параметры элементов;

-название моделируемого технологического процесса с указанием выходных расчетных параметров.

Задание на курсовую работу выдается в течение первых двух недель, предусмотренных учебным графиком по данной дисциплине.

3

2. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ И СОДЕРЖАНИЮ. ЗАЩИТА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Готовая курсовая работа состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка выполняется на одной стороне листа формата А4 (210 х 297), рекомендуемый объём – не более 25 с. рукописного текста. Оформление пояснительной записки и графической части работы должно быть выполнено в соответствии с нормативными документами [1,2] и ГОСТ 7.32–81. Пояснительная записка должна включать титульный лист, оглавление, задание, перечень принятых в работе и в ПЭВМ– программе обозначений, основную часть, заключение и список используемой литературы. Основная часть работы должна содержать: описание технологического маршрута, оценочный расчет режимов и параметров основных технологических операций, блок– схему и программу численного моделирования на ПЭВМ заданного технологического

технологических решений, расчетных соотношений и численных алгоритмов.

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

3.1. Выбор электрической схемы фрагмента ИС

В качестве фрагмента ИС в курсовой работе взят логический элемент (ЛЭ) цифровой ИС. Выбор электрической схемы ЛЭ осуществляется на основании исходных данных – типа логики/технологии и вида логической функции. Схемы ЛЭ цифровых биполярных, МОП и БиМОП ИС можно найти в соответствующих курсах лекций, а также в книгах [3– 5].

4

3.2. Топологический чертёж и поперечное сечение кристалла

При построении топологического чертежа кристалла с фрагментом ИС следует придерживаться следующих правил. Расположение элементов ИС на чипе должно обеспечивать минимальные длины и паразитные емкости межсоединений, минимальное число слоев металлизации. Контактные площадки должны размещаться в областях, свободных от элементов ИС по периметру чипа. Геометрия резисторов должна соответствовать их номинальному сопротивлению. Поперечное сечение кристалла должно проходить через разнотипные элементы по линии, указанной на топологическом чертеже, и располагаться непосредственно под ним. Области разного типа на топологическом чертеже и поперечном сечении необходимо отметить цветом или штриховкой с соответствующими пояснениями.

3.3. Разработка технологического маршрута

Технологический маршрут изготовления фрагмента ИС разрабатывается на основе анализа исходных данных к курсовой работе, указывающих на способ изоляции элементов, тип технологии и характеристики отдельных технологических процессов и операций. Маршрут представляет собой последовательный перечень технологических операций по изготовлению ИС с указанием условий проведения, заданных режимов и получаемых контролируемых параметров этих операций. Примеры построения технологических маршрутов изготовления ИС различного типа и технологии приводятся в лекциях по данной дисциплине, а также в книгах [6,7]. Для наглядности ключевые операции технологического маршрута следует снабдить пооперационными сечениями кристалла.

3.4. Расчет режимов и параметров операций технологического маршрута

При описании разработанного технологического маршрута не обходимо указать режимы проведения основных технологических операций (температуру, время, состав газов) и значения выходных контролируемых параметров полупроводниковых структур (толщина окисла, глубина залегания p–n перехода, слоевое сопротивление). Расчеты соответствующих режимов операций и параметров структур проводятся по формулам и соотношениям, приводимым в лекционном курсе и на практических занятиях по данной дисциплине, а также, например, в книгах [6,7]. При их использовании необходимо четко представлять, при каких допущениях они получены, в какой области справедливы, степень приближенности описания реальных технологических процессов.

5

3.5. Моделирование заданного технологического процесса/операции

Методика моделирования технологических процессов изготовления ИС изложена в 4.1–4.12. Программа численного моделирования пишется на любом из алгоритмических языков (Бейсик, Си, Паскаль, Фортран). Для лучшего понимания и наглядности желательно снабдить её комментариями. Блок–схему (алгоритм) расчета рекомендуется составлять перед написанием программы. Результаты численного моделирования представляются в виде распечатки таблицы и графика моделируемой зависимости.

3.6. Заключение

В заключение курсовой работы необходимо:

а) проанализировать разработанный технологический маршрут, сравнить его с типовым, указать его особенности, достоинства и недостатки; б) проанализировать результаты численного моделирования технологического процесса,

сопоставить их с заданными конструкторско–технологическими параметрами.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИИ ИС

Целью технологического моделирования является построение адекватной численной модели технологического процесса для того, чтобы, варьируя исходные (входные) параметры процесса, получить требуемые конечные (выходные) параметры структур. Технологическое моделирование позволяет предсказать результаты технологического процесса и определить оптимальные условия и режимы его проведения, не осуществляя дорогостоящих экспериментов, экономя время, энергию и материалы.

4.1. Ионная имплантация

Обычно для описания профиля распределения имплантированной примеси С(x) в мишени пользуются симметричной функцией Гаусса двух параметров – среднего проецированного пробега Rр и средне квадратичного разброса (страгглинга) проецированных пробегов Rр:

6

где Q – количество внедренной примеси или доза имплантации (ион/см2). Реальные распределения имплантированной примеси как в кристаллической, так и в аморфной мишенях несимметричны относительно Rр и наилучшим образом описываются функцией Пирсона f(x) четырех параметров: пробега Rр, страгглинга Rр, ассиметрией G(SK) и затуханием B [6,8]:

Поскольку при x > Rp функция Пирсона является сильно убывающей, в качестве верхнего предела интегрирования можно взять толщину подложки H или принять H ≈ 10Rp.

7

Параметры распределения Пирсона рассчитаны для различных ионов и мишеней в зависимости от энергии имплантации [9]. Для основных легирующих примесей в кремнии (B, P, As, Sb) и мишеней Si и SiO2 эти параметры приведены в прил.1,2.

4.2. Ионная имплантация через пленку

Возможность внедрения примеси в подложку через нанесенную на её поверхность пленку другого материала является одним из достоинств ионной имплантации и часто используется в технологии ИМС, например при подлегировании канала МОП транзистора через подзатворный окисел. Для определения распределений имплантированной примеси в такой двуслойной системе используется следующий алгоритм:

При разных параметрах распределения Пирсона в пленке и подложке на границе раздела при х = h имеет место скачок концентрации, т.е. С1(h) ≠ С2(h). Точность определения h* из условия (4.4) определяется шагом интегрирования. Для увеличения точности необходимо

8

увеличивать число разбиений при численном интегрировании. В качестве верхних пределов интегрирования в (4.2) и (4.3) можно брать толщину подложки H или принять H

≈ 10Rр.

4.3. Концентрация носителей заряда в сильнолегированных слоях

При высоких концентрациях (С > 1019 см–3) легирующие примеси в кремнии (B, P, As, Sb) склонны образовывать кластеры, а при определенных условиях и выделения. В результате концентрация носителей заряда в сильнолегированных слоях оказывается меньше концентрации легирующей примеси. Связь между концентрациями примеси С и концентрациями носителей заряда (электронов n или дырок p) для каждой примеси описывается своим соотношением.

Для бора в кремнии соотношение имеет вид [8]:

где N1 = 2,0·1021 см–3, N2 = 4,5·1020 см–3, N3 = 3,4·1020 см–3, N4 = 3,2·1020 см–3, N5 = 3,0·1020

см–3.

Для мышьяка в кремнии соотношение имеет вид [11]

где Спред – предельная растворимость сурьмы в кремнии при температуре диффузии или отжига (см. прил.3), ni – собственная концентрация носителей заряда в кремнии при той же температуре.

9

При концентрациях примеси C вблизи собственной концентрации носителей ni во всех случаях концентрация носителей заряда определяется соотношением:

Выражения (4.5) – (4.7) представляют собой алгебраические многочлены

где A0 = –C, A1 = 1.

Для нахождения n необходимо решать (4.10) одним из методов численного решения неявных уравнений (простых итераций, дихотомии, хорд, секущих, касательных) [13]. Оптимальным для решения алгебраических многочленов считается метод Ньютона, в

где B'm(nk) – производная от многочлена Bm(n) в точке n = nk. Итерации производятся до тех пор, пока

где S – относительная погрешность, например S = 10–3 (0,1%).

4.4. Термическое окисление легированных слоев

Термическое окисление описывается следующим дифференциальным уравнением (см. например [6]):

В К п Р, А ККлпР ,

где y – толщина окисла, t – время окисления, Кп и Кл – константы скоростей параболического и линейного окисления, Р – парциальное давление окислителя, нормированное к атмосферному давлению. Параметры температурной зависимости констант скорости окисления кремния в сухом кислороде и водяном паре приведены в прил.4.

При низких уровнях легирования (С < 1019 см–3) эти константы не зависят от концентрации примеси и уравнение (4.11) при начальном условии: y = y0 при t = t0 сводится к квадратному уравнению

10