Крупкина т.Ю. Методическая разработка для самостоятельной работы студентов по курсу «Моделирование технологических процессов»

(факультет ЭКТ, направление «Электроника и микроэлектроника»)

Методическая разработка содержит основные теоретические положения, уравнения, модели, которые необходимо знать в результате изучения курса «Моделирование технологических процессов». Материал для самостоятельной работы разделен на 10 частей в соответствии с основными изучаемыми темами.

Рекомендуется следующий порядок работы при самостоятельном изучении темы:

• внимательно прочитайте содержание теоретического раздела и вопросы по теме; постарайтесь запомнить основные определения, формулы, схемы и т.д. из теоретического раздела;

• проверьте себя, ответив письменно на вопросы по теме, не заглядывая при этом в теоретический раздел;

• оцените свои знания, сравнив ответы с теоретическим материалом по данной теме; рассчитайте свою оценку по данной теме: 0.5*(количество правильных ответов);

• если необходимо, повторите работу над разделом еще раз.

Тема 1. Введение. Цель и задачи курса. Значение моделирования в проектировании интегральных микросхем. Классификация моделей технологических операций.

Целью дисциплины является формирование знаний в области математического моделирования технологических процессов микроэлектроники, позволяющих глубже понимать сущность процессов, используемых в производстве изделий интегральной электроники, проектировать эти изделия на основе современных методов и с использованием современных компьютерных технологий.

В задачи изучаемой дисциплины входит:

• изучение основных физических явлений, используемых в процессах формирования элементов интегральных схем; математическое описание этих явлений с помощью основных уравнений, характеризующих процессы внедрения и перераспределения примеси в полупроводниковых материалах;

• изучение принципов численного моделирования технологических процессов и математических моделей основных технологических операций;

• формирование знаний в области достижений отечественной и зарубежной науки и техники в области математического моделирования технологических процессов микроэлектроники;

• формирование навыков по проведению численного моделирования процессов формирования основных интегральных структур, технологических маршрутов и отдельных технологических операций, анализу, систематизации и обобщению полученных расчетных данных, подготовки материалов для составления отчетов;

• обучение методам исследования объектов интегральной микроэлектроники на базе программных средств математического моделирования технологических процессов и современных компьютерных технологий.

Развитие и использование математических моделей технологических процессов и создаваемых в результате их применения приборов является одной из основ современного подхода к проектированию интегральных схем и важной частью концепции компьютерно-интегрированного производства, т.е. имеет как научное, так и практическое значение.

Без изучения и освоения на практике принципов моделирования технологических процессов невозможно правильно спроектировать элементы интегральных схем, разработать технологию изготовления, спроектировать технологические маршруты и организовать производство. Знания в области моделирования технологических процессов позволяют на должном уровне выполнить необходимые исследования в ходе курсового проектирования по специальным дисциплинам и при работе над дипломным проектом.

В самом общем случае моделировать – означает исследовать физические явления и процессы на моделях, чтобы по результатам опытов судить о процессах, протекающих в натуральных условиях. Модель – это объект (реальный, знаковый или воображаемый), отличный от исходного, но способный заменить его в рамках решаемых задач.

Таким образом, использование моделей позволяет исследовать объект, не прибегая к эксперименту или значительно сокращая долю экспериментальных исследований, позволяет прогнозировать свойства объекта в случае изменения его исходных характеристик. Разработка модели включает анализ объекта, т.е. разделение его на составляющие элементы и установление связей между элементами внутри объекта, поэтому моделирование всегда означает углубленное изучение свойств объекта, систематизацию его характеристик, понимание фундаментальных причин, лежащих в основе его работы.

В качестве примера использования методов моделирования при разработке технологических маршрутов рассмотрим анализ чувствительности приборных характеристик n-МОП транзистора к изменениям технологических параметров. В качестве технологических параметров были выделены: легирование подложки, толщина окисла при имплантации, толщина подзатворного окисла, размер затвора по поликремнию, доза и энергия имплантации карманов и исток/стоковых областей, параметры операции отжига исток/стоков. Обозначения в таблице 1.1: N_П - концентрация примеси в подложке, t_S - толщина защитного окисла при имплантации, t_OX - толщина подзатворного окисла, L_POLY - длина затвора по поликремнию, D_CH - доза подлегирования канала, T_S/D - температура отжига областей исток/сток.

Таблица 1.1 Чувствительность приборных характеристик n-МОП транзистора к изменениям технологических параметров.

Технологиче-ские параметры	Пороговое напряжение, мВ; LPOLY =1.0мкм	Пороговое напряжение, мВ; LPOLY =0.35мкм	Ток транзистора в открытом состоянии, мкА/мкм; LPOLY =0.35мкм	Поверхностное сопротивление областей исток/сток; Ом/кв	Удельная емкость перекрытия; фФ/мкм
NП	10.4 / 1х1016см-3	22.2 / 1х1016см-3	0.9/ 1х1016см-3	0.2/ 1х1016см-3	0.001 / 1х1016см-3
tS	0.5 /	1.7 /	1.1 /	0.25 /
tOX	5.1 /	5.3 /	3.8 /	1.4 /	0.002 /
LPOLY		6.4 / 0.01мкм	6.6 / 0.01мкм
DCH	68.3 / 1х1012см-2	36.6 / 1х1012см-2	11.7 / 1х1012см-2	1.3 / 1х1012см-2	0.003 / 1х1012см-2
TS/D	0.3 / С	0.5 / С	0.15 / С	12.6 / С	0.0005 / С

Модели технологических операций являются основными элементами на первом этапе приборно-технологического моделирования – этапе моделирования технологического процесса формирования интегральных структур. Проведенный анализ позволил выделить базовые характеристики моделей операций, по которым их можно классифицировать: это тип модели и ее функциональный состав.

Типы моделей технологических операций можно классифицировать следующими способами:

- по виду производственной операции;

- по способу построения модели.

Несмотря на то, что полный технологический маршрут включает обычно более 100 операций, с точки зрения моделирования можно выделить 8 видов технологических операций. Основными видами технологических операций при формировании интегральных структур являются:

- ионная имплантация;

- окисление,

- силицидизация;

- эпитаксия;

- отжиг;

- травление / осаждение;

- фотолитография.

Для каждого вида производственных операций существует целый ряд модельных представлений, аппроксимаций, применимых в различных диапазонах значений входных переменных.

По способу построения модели можно разделить на два класса: физические и геометрические.

Физические модели представляют собой системы уравнений, описывающие с той или иной степенью точности реальные физические и физико-химические процессы, происходящие в исследуемой структуре при данном виде технологической обработки.

Геометрические модели отображают внешний результат выполняемой технологической операции в виде изменения толщин и формы слоев, добавления или удаления некоторых слоев в исследуемой структуре.

Можно легко определить, какой тип модели используется в каком-то конкретном случае, по следующему внешнему признаку:

- для физических моделей входные параметры модели операции являются одновременно управляющими параметрами, задающими режим работы технологической установки;

- для геометрических моделей входные параметры модели и параметры рабочего режима технологической установки различны.

Обычно для систем приборно-технологического моделирования к первой группе относятся ионное легирование, окисление, отжиг, эпитаксия, ко второй группе – травление, осаждение, фотолитография (маскирование). Геометрические модели, как правило, используются для тех операций, в которых полное модельное представление, основанное на физике происходящих процессов, является неприемлемо сложным и слишком привязанным к конкретной технологической установке. Типичные примеры приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Примеры различных типов моделей.

Тип модели	Объект моделирования	Операционные параметры (режим работы установки)	Входные параметры модели.
Физическая	Операция ионного легирования	Энергия легирования, доза легирования, тип примеси.	Энергия легирования, доза легирования, тип примеси. Описание структуры, подвергаемой обработке.
Геометрическая	Операция реактивного ионно-плазменного травления	Мощность, рабочее давление, расход кислорода, время травления.	Для каждого материала: - скорость травления плоской горизонтальной поверхности; - безразмерная плотность потока химически активных частиц; - безразмерный коэффициент ионной активации. Описание структуры, подвергаемой обработке. Время травления.

В ряде случаев при моделировании технологической операции физические модели комбинируются с геометрическими алгоритмами. Это оказывается необходимым, когда физико-химические процессы внутри структуры приводят к изменению толщин слоев. Такие физические модели более правильно было бы считать комбинированными. Прежде всего, это относится к одной из наиболее сложных с точки зрения моделирования операции окисления.

Функциональный состав модели определяется физическими процессами, происходящими в обрабатываемой структуре, независимо от того, к какому типу относится данная модель – физическому или геометрическому. Технологическую операцию можно рассматривать как определенное воздействие на моделируемую структуру, в результате которого в структуре происходят одно или несколько изменений из следующего ряда:

- внедрение примеси;

- перераспределение примеси;

- появление нового слоя;

- удаление слоя;

- изменение толщины одного или нескольких слоев.

Функциональный состав модели операции – это перечень моделируемых эффектов, или изменений, которые должны быть включены в расчет. Фактически, модели технологических операций – это модели однозначно определенных изменений в исследуемой структуре, происходящих в результате заданных воздействий. Таблица 1.3 отображает функциональный состав основных типов операций.

Таблица 1.3 Функциональный состав моделей технологических операций.

Моделируемый эффект Операция	Внедрение примеси	Перераспределение примеси	Появление нового слоя	Удаление слоя	Изменение толщины слоев
Ионное легирование	+
Окисление, силицидизация		+	+		+
Отжиг		+
Эпитаксия		+	+		+
Травление				+	+
Осаждение			+		+
Фотолитография			+

Для каждого моделируемого эффекта имеется, как правило, несколько вариантов модельных представлений, различающихся областью применимости и/или степенью точности. Точность любой модели зависит также от степени дискретизации исследуемой структуры, т.е. от параметров сетки.

Вопросы по теме 1:

1. Что является целью изучаемой дисциплины «Моделирование технологических процессов»?

2. Сформулируйте основные задачи курса «Моделирование технологических процессов».

3. Дайте определения терминов «модель» и «моделировать».

4. В чем заключаются преимущества от использования моделирования в проектировании интегральных схем?

5. Как можно классифицировать типы моделей технологических операций?

6. По каким признакам можно различить физические и геометрические модели?

7. Приведите примеры моделей различного типа.

8. Что такое функциональный состав модели операции?

9. Перечислите возможные виды изменений, происходящих в структуре при выполнении технологической операции.

10. Приведите примеры моделей операций, различающихся по функциональному составу