Методическое пособие 565

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Е. Ю. Плотникова, А. В. Арсентьев, А. А. Винокуров

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Лабораторный практикум

Воронеж 2020

1

УДК 621.38(075.8) ББК 32.85я7

П396

Рецензенты:

кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета

(зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е. Н. Бормонтов); д-р техн. наук, проф. А. В. Строгонов

Плотникова, Е. Ю.

Моделирование технологических процессов и интегральных П396 микросхем: лабораторный практикум / Е. Ю. Плотникова, А. В. Арсентьев, А. А. Винокуров; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический

университет». – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2020. – 95 с.

ISBN 978-5-7731-0866-5

В лабораторном практикуме представлены задачи по методам математического моделирования технологических процессов микро- и наноэлектронного производства в системе автоматизированного проектирования TCAD. Приведены справочные материалы по методам моделирования технологических операций и задания для лабораторных работ. Материал иллюстрируется примерами.

Издание предназначено для студентов направлений 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника») и 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» (программа «Интегральные системы и устройства в микро- и наноэлектронике»), изучающих дисциплины «Математическое моделирование технологических процессов и интегральных схем», «Моделирование физических процессов в микро- и наноэлектронике».

Ил. 40. Библиогр.: 10 назв.

УДК 621.38(075.8) ББК 32.85я7

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ПРЕДИСЛОВИЕ

В представленном учебном издании по дисциплинам «Моделирование физических процессов в микро- и наноэлектронике» и «Математическое моделирование технологических процессов и интегральных схем» ставится задача научить студентов технологическому моделированию основных элементов интегральных схем (ИС) - диффузионного резистора, MIM или аналогичного конденсатора, диода Шоттки (в том числе и методике построения эквивалентной схемы диода), МОП-транзисторов n- и p-типа, МОП-транзистора n-типа с нагрузочным сопротивлением на стоке, биполярного n-p-n транзистора, инвертора на КМОП, инвертора на БиКМОП и инвертора на БиКМОП с нагрузочными сопротивлениями. Кроме модели кристалла со струткурой строится набор характеристик: вольт-амперные характерстики (семейства выходных и передаточных ВАХ) всех смоделированных структур и вольт-фарадные характеристики (ВФХ) конденсатора.

Наборы характеристик дискретных приборов и простейших ИС подтверждают работоспособность моделей полупроводниковых приборов и их правильное функционирование.

3

ВВЕДЕНИЕ

Система автоматизированного проектирования TCAD представляет собой комплекс программных модулей, интерактивных оболочек и средств визуализации, связанных между собой. Онапозволяет осуществлять 2D и 3D моделирование интегральных полупроводниковых структур, используя в качестве данных описание технологического процесса их изготовления [1]. Из предлагаемых модулей технологического моделирования для наших целей лучше все-

го подходят Athena/Atlas и Victory Device/Process. Информация по работе в мо-

дуле Athena/Atlas была рассмотрена в предыдущих пособиях для дисциплины «Математическое моделирование технологических процессов и интегральных схем» [11, 12].

Victory Process - это универсальный 1D, 2D и 3D симулятор процессов и характеристик, который позволяет моделировать процессы травления, осаждения тонких пленок, имплантации, диффузии, окисления и т.д. Он содержит большинство существующих на сегодняшний день моделей основных типов приборов и широкий спектр настроек параметров технологического моделирования для учета различных физических эффектов [2].

В пособии рассматривается порядок моделирования полупроводниковых приборов, выполненных по технологии 0,18 мкм - резистора, конденсатора, диода, МОП-транзистора n- и p-типа, биполярного транзистора. Характеристики моделируемых структур взяты с официального сайта www.xfab.com в разделе technology. Был выбран datasheet ХР018, в котором даны электрофизические характеристики и технологические параметры моделируемых элементов: диффузионного резистора, MIM конденсатора, диода Шотки, маломощного МОПтранзистора n- и p-типа, биполярного npn транзистора. Материал подложки разрабатываемых структур – кремний (Si). Легирующие примеси – фосфор (P), бор (B) и мышьяк (As). На основе кода отдельных приборов собираются простейшие интегральные схемы - эквивалентная схема диода, МОП-транзистор с нагрузочным сопротивлением на стоке, инвертор по КМОП технологии, инвертор на БиКМОП и инвертор на БиКМОП с нагрузочными сопротивлениями. Чтобы убедится, что все работает хорошо, моделируются вольт-амперные (выходная и передаточная) и вольт-фарадная характеристики.

На основе всех кодов разработанных моделей приборов собирается курсовая работа по индивидуальному варианту.

Темы лабораторных работ:

1.Моделирование структуры и ВАХ резистора на заданном материале. Моделирование структуры и ВФХ конденсатора на заданном материале.

2.Диод заданного вида. Эквивалентная схема диода.

ВАХ диода и эквивалентной схемы диода (должны совпадать).

4

3.МОП транзисторы p- и n-типа проводимости заданного вида. Эквивалентные схемы этих транзисторов. ВАХ (выходная и передаточная) транзисторов.

Какой из построенных транзисторов выйдет на насыщение? При желании можно реализовать проект на основе технологии КНИ (SOI).

4.Биполярный транзистор заданного вида.

Характеристика. Транзисторы в диодном включении.

5.«Повесить» сопротивление на сток МОП-транзисторов (из лабораторной работы № 3. Оптимизированная ВАХ (выходная и передаточная) получившейся структуры.

6.Инвертор или простая ИС на КМОП.

Транзисторы берутся из задания 3. Построить переходную характеристику (временные зависимости сигнала на входе и выходе схемы).

7. Инвертор или простая ИС на БиКМОП.

Транзисторы берутся из заданий 3 и 4. Построить переходную характеристику (временные зависимости сигнала на входе и выходе схемы).

8. Формирование схемы БиКМОП инвертора или схемы с резисторами. Построить переходную характеристику (временные зависимости сигнала

на входе и выходе схемы). Провести временной анализ схемы (tran).

Для каждого разрабатываемого прибора требуется:

1.Выбрать технологию, по которой будет реализовываться проект, – это может быть технология КМОП (аналоговая и цифровая схемотехника, силовые приборы, ВЧ приборы) или технология КНИ.

2.На сайте X-Fab (https://www.xfab.com/technology) или другого аналогичного производителя современных ИС скачать datasheet по выбранной технологии.

3.Определить, какие приборы позволяет проектировать и изготавливать данная технология (в datasheet есть раздел PRIMITIVE DEVICES, в котором перечисляются приборы, изготавливаемые по выбранной технологии). Определить геометрические размеры разрабатываемых приборов и электрические параметры, по которым можно контролировать разрабатываемые структуры (данные приведены в datasheet).

4.Приступить к лабораторной работе – моделированию требуемого элемента ИС по выбранной технологии. При разработке структур необходимо ориентироваться на электрические, электрофизические и физические/геометрические параметры, приведенные в datasheet выбранной технологии.

5

ПРИМЕР 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ 1D/2D СТРУКТУР В VICTORY PROCESS

Вданном примере спользуется модуль Victory Process, задействовано ядро модуля, строятся процессы 2D диффузии и имплантации, 2D окисления.

Вкоде происходит двумерное моделирование технологического процесса изготовления 28 нм n-МОП транзистора с узкощелевой изоляцией (Shallow Trench Isolation, STI). Блок моделирования содержит порядка 20 основных этапов: травление, нанесение тонких пленок, ионную имплантацию, процессы диффузии и окисления и более 50 дополнительных этапов (в том числе – инициализация процесса расчета, настройка сетки структуры, экспорт структуры для отображения ее характеристик и экстракция параметров структуры).

При изучении данного кода исследуются базовые команды Victory Process в 2D режиме. Также рассматривается настройка совместимости с синтаксисом Athena (рассматриваются преимущества перед Athena – более оптимизированная генерация сетки для лучшей сходимости расчетов).

Большую часть времени при моделировании в Victory Process занимают эффективно распараллеленные численные алгоритмы расчета. По умолчанию Victory Process задействует 1 ядро процессора. Для увеличения производительности расчета на ПК используется ключевая запись «simflags="-P all"», которая вносится в строку направления расчетов структуры приложению Victory Process (go victoryprocess simflags="-P all"). В результате все доступные процессоры бу-

дут загружаться Victory Process параллельно. Если требуется выделить часть ресурсов ПК сторонним приложениям, команда «all» заменяется на требуемое число процессоров/ядер (simflags="-P 4").

Процесс моделирования начинается с задания параметра «Init», в котором устанавливаются настройки подложки:

а) материал, ориентация, легирование исходной структуры; б) область моделирования (фронтальный отрезок (по оси Х) [0, 0.45],

толщина подложки, толщина газового слоя над подложкой). Область моделирования строится для правой половины n-МОП транзистора с узкощелевой изоляцией. Для того чтобы на основе построенной области сформировать модель всего прибора, используется команда «отзеркаливание / mirroring» в конце кода моделирования. Необходимо учитывать, что полная толщина всех слоев, нанесенных на подложку, не может быть больше параметра GASHEIGHT;

в) размер ячеек (0,01 мкм) основной сетки, используемый для отображения геометрии построенной структуры. По факту Victory Process использует сетку узловых декартовых координат, на которой она отображает геометрическую структуру и границы материалов прибора. По умолчанию ширина сетки «meshdepth = 2» равна 2 мкм, следовательно, только 1 узел сетки будет использоваться при моделировании. Минимальное разрешение слоев прибора составляет 0,0025 мкм. Но это значение можно повысить, уменьшая основной размер ячейки сетки или настраивая ширину сетки «meshdepth > 2».

6

ВVictory Process используются неоднородные декартовы координаты, которые позволяют выводить расчетные параметры (степень легирования или концентрацию дефектов, напряжения и т.д.). В 2D режиме координаты задаются настройкой осей Х и Y. Начало построения сетки аналогично Athena. Различия начинаются в параметре «depth», координате «Z» (не «Y»), линиях сетки, которые настраиваются для всей области моделирования (в том числе и газовой области), а также в отсутствии возможности задания треугольных элементов.

Вкоде примера размерность выведения структуры на экран определяется автоматически, то есть моделирование начинается в 1D режиме, который переключается в 2D режим в процессе при изменеии рельефа поверхности кристалла. Такой режим построения установлен (как и в Athena) по умолчанию, он позволяет оптимизировать время моделирования без потери точности. Если требуется запустить Victory Process принудительно в 2D режиме, можно в начале кода указать «flow.dim=2d».

Первой технологической операцией является формирование области n- типа проводимости (N-Well), оно состоит из следующих этапов: имплантации бора и диффузионного цикла (в котором происходят увеличение температуры процесса, процесс при постоянной температуре и снижение температуры процесса). Используются установленные по умолчанию аналитические модели имплантации и диффузии. По завершению процесса формирования n-слоя будет построена 1D структура. Она сохраняется командой экспорта и строится в ре-

дакторе TonyPlot (рис. 1).

Вторым этапом построения структуры является формирование узкощеле-

вой изоляции (STI). Половина 0,3 мкм узкой щели и боковая стенка под углом 85о строятся геометрическим травлением и окислением в сухом кислороде. Далее рабочая область покрывается маской из Si3N4. Victory Process позволяет задавать интервал нанесения (используются параметры «left.to», «right.to», «between»). Для задания непланарной структуры используется модель полного физического окисления. Моделирование окисления происходит несколько медленнее, чем в Athena, но процесс происходит более стабильно, поскольку Athena часто делает ошибки окисления из-за непостоянной сетки вблизи скошенных стенок канавки. Следующим этапом проводится окисление (канавка заполняется SiO2 планарным образом) – данный процесс протекает планарно за счет использования параметров «max» и «thick=0.0» в строке команды нанесения (канавка будет заполнена окислом до горизонтального уровня наивысшей точки структуры). Такой метод заполнения канавок более стабилен по сравнению с нанесением методом «etch above» в Athena (рис. 2).

Третьим этапом моделирования идет имплантация Vt, которая, как и большинство имплантаций, использует для расчетов модель Монте Карло (модель с высокой степенью распараллелена по ядрам ПК). Если требуется увеличить скорость моделирования, но при этом подключены все процессоры (см. выше), в модели Монте Карло задается максимальное число процессоров и устанавливается параметр «parallel».

7

Количество построенных траекторий ионов (параметр «n.ion») является важной величиной, поскольку оно определяет компромисс между точностью и временем моделирования. В 2D режиме моделирования оно обычно бывает в пределах от 200000 до 1000000. Всегда можно начать моделирование на меньшем числе траекторий, увеличивая его впоследствии для достижения более высокой точности.

После удаления окисной маски толщина подзатворного диэлектрика (порядка 7 нм) увеличивается по модели полного физического окисления. Возможность экстракции параметров из DeckBuild позволяет рассчитать новую толщину подзатворного диэлектрика.

На следующем этапе выращивается поликремниевый затвор (используется нанесение области заданной геометрии с дальнейшим окислением в сухом кислороде).

Круговая имплантация с углом наклона в 25о рассчитывается по модели Монте Карло. Victory Process позволяет задавать различные углы вращения в одном и том же процессе имплантации. В данном случае углы «rotation=0» и «rotation=180» используются для получения симметричной имплантации. Низкая энергия имплантации мышьяка, заданная геометрия канавки и стравливание нитрида позволяют сформировать область легирования перед диэлектриком. Форма защитного слоя показана на графике (рис. 3).

На последнем этапе представлено формирование областей истока и стока. «Plus.one» модель задается использованием большой концентрации имплантируемого мышьяка (рис. 4). Модель рассчитывает межслойный профиль, который появляется после имплантации, с помощью масштабирования примесного распределения с фактором «dam.fac». Улучшенная модель диффузии с учетом одного-двух носителей заряда используется при расчете завершающего отжига областей истока-стока. Эта модель обычно используется, когда во время процесса образуется большое количество точечных дефектов. В данном конкретном случае высокая степень легирования областей истока-стока является источником дефектов на границе областей прибора (которые одновременно с примесями влияют на окончательное распределение характеристик изготавливаемых областей). Модель «single_pair model» учитывает или основные носители заряда, или первичные пары «дефект – примесь» (например, бор - дефект). Масштабирующий множитель «dam.fac» обычно работает как калибровочный параметр.

Вконце извлекаются 2 параметра смоделированного прибора – глубина залегания p-n перехода на областях истока и стока и расчетное (1D) пороговое напряжение. Далее на структуре формируются металлические контакты (наносятся и вытравливаются области заданной геометрии). Таким образом, структура транзистора готова для моделирования с помощью настроек {export}.

Витоге будут отображены несколько промежуточных структур.

8

Рис. 1. 1D профиль структуры со слоем n-типа

Рис. 2. 2D структура после вытравливания области заданной геометрии, окисления и планарного заращивания окислом

9