УДК 621.3.049.77:519.711.3
РАЗРАБОТКА ПАРАДИГМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБИС С УЧЕТОМ РЕЗУЛЬТАТОВ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
А. В. Амирханов, А. А. Гладких, А. А. Глушко, В. В. Макарчук, А. С. Новоселов, И. А. Родионов, В. А. Шахнов
Рассмотрены особенности проектирования СБИС и разработки технологического процесса их изготовления с применением средств конструкторско-технологического моделирования. Подробно описаны три взаимосвязанных блока проектирования, а также задачи, решенные в рамках каждого из них. Определен круг задач, которые предстоит решить в ближайшем будущем с переходом на все более жесткие проектные нормы. Ключевые слова: проектирование, СБИС, TCAD.
ВВЕДЕНИЕ
Представить себе жизнь современного человека без глобальной сети Интернет и телекоммуникационных технологий практически невозможно. Такое положение дел напрямую связано с взрывным развитием полупроводниковых технологий. Достаточно вспомнить, что за последние 15 лет минимальные размеры областей транзисторов СБИС были уменьшены с 0,35 мкм до 22 нм (1/4000 диаметра человеческого волоса), что соответствует девяти различным технологиям с количеством операций от нескольких сотен до тысяч. При этом на каждой итерации развития технологии [1] растет количество элементов СБИС, технологические операции усложняются, повышается точность и воспроизводимость, учитываются и контролируются все более сложные физические эффекты.
Необходимо отметить, что в сегодняшней полупроводниковой технологии крайне сложно разделить технологию, технологическое оборудование и конструкцию элемента (прибора), так как технологическое оборудование разрабатывают под конкретную технологию и наоборот, а конструкцию проектируют с
учетом влияния особенностей процесса ее формирования, при этом технологические режимы зачастую выбирают под конкретное изделие. Таким образом, технологические процессы изготовления интегральной схемы можно условно представить, как систему с несколькими "пересекающимися" обратными связями, которыми необходимо точно управлять, чтобы получить требуемый результат.
В описанной ситуации методы разработки новых технологических процессов и отработки технологических режимов, основанные на экспериментальных подходах, неприменимы ни с экономической точки зрения, ни по критерию затраченного времени.
Единственным разумным выходом является применение приемов конструктивно-техно -логического моделирования как для исследования сложных физических явлений, так и для отработки технологических режимов, а также оптимизации конструкции элементов СБИС с учетом влияния особенностей процесса их формирования.
Основное влияние на конструкцию (размеры и форму) элементов СБИС оказывает процесс проекционной литографии,
результат которого в высокой степени зависит от топографии подложки (кремниевой пластины). Так как глубина резкости современных литографических процессов составляет десятые (сотые) доли микрона, неплоскостность исходной поверхности, на которую наносится ре-зист, должна быть практически нулевой. Многослойная структура СБИС предполагает проведение процессов химико-механической полировки (ХМП) поверхности перед литографическими процессами. Поэтому эти два технологических процесса напрямую связаны друг с другом.
Однако, в конечном счете, результаты отдельных технологических операций, хотя и являются важными составляющими, но, не дают представления о параметрах конечного продукта, т. е. интегральной схемы. Поэтому для полноценного проектирования и разработки СБИС необходим инструмент, который позволял бы аккумулировать результаты всех технологических операций, учитывая их особенности, и на выходе предсказывать электрические характеристики исследуемых приборов. Для этой цели используются САПР технологических процессов производства и моделирова-
ния элементов СБИС — серия программных продуктов под общей аббревиатурой ТСАО [1].
Работа разделена на три крупных блока, непосредственно связанных между собой:
1) особенности моделирования процесса ХМП и перепроектирования топологии СБИС с субмикронными проектными нормами (с учетом результатов моделирования);
2) особенности моделирования процесса проекционной литографии и топологической коррекции эффекта оптической близости при изготовлении СБИС с проектными нормами, меньшими длины волны источника экспонирующего излучения проекционной установки;
3) методы сквозного конс-трукторско-технологического моделирования элементов СБИС, исследование принципов их функционирования и влияния внешних воздействующих факторов, в том числе специальных, с учетов результатов моделирования по п. 1) и 2).
В работе предложена модель технологического процесса ХМП, проведен сравнительный анализ методов их калибровки и оптимизации топологии с использованием предложенных моделей, разработаны алгоритмы коррекции топологии и введения фиктивных структур заполнения. Все разработанные модели, алгоритмы и методы внедрены и используются при проектировании и изготовлении отечественных СБИС с проектными нормами 0,35 и 0,25 мкм.
В работе разработаны модели технологических процессов изготовления СБИС по эпитак-сиальной и КНИ-технологиям с проектными нормами 0,5; 0,35 и 0,25 мкм. Предложены методы калибровки, улучшения сходимости Ньютоновских итераций, формирования расчетной сетки
конечных элементов, построения конструкции элементов СБИС произвольной формы, оптимизации этой формы и методы интеграции TCAD с САПР моделирования отдельных технологических операций.
В результате получен инструмент, который позволил предложить новые режимы имплантации (под каждую конкретную задачу оптимизации параметров приборов), новые конструкции транзисторов, оптимизированные под специфические технические задания, а также проводить исследования влияния внешних воздействующих факторов на конструкции приборов.
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ХМП
Коммутация элементов в современных СБИС осуществляется с применением многоуровневой металлизации, которая представляет собой несколько слоев металлических межсоединений, разделенных изолирующими слоями, называемыми межслойным диэлектриком (далее МСД). Формирование многоуровневой металлизации может осуществляться с использованием различных вариантов технологического процесса: аддитивного и субтрактивного. Причем применение аддитивного процесса характерно для технологий с проектными нормами 0,13 мкм и менее, в то время как для больших проектных норм применяют субтрактив-ный процесс. Чаще в качестве аддитивного процесса используется двойной дамасский процесс, впервые предложенный компанией "IBM", с медными проводниками [2]. Такая технология позволяет получить более высокую плотность размещения межсоединений на кристалле СБИС.
Довольно широко используется и субтрактивный процесс, так как порядка 30—40 % мирового объема выпускаемых СБИС [3, 4] изготавливается по технологическим нормам 0,25 мкм и более (в том числе на технологической линии научно-исследовательского института системных исследований (НИИСИ РАН)). В таком технологическом процессе первоначально на поверхность пластины наносят сплошной проводящий слой, в котором с помощью операций литографии и последующего травления открытых участков получают требуемый рисунок межсоединений.
После получения рисунка проводящего слоя на него осаждают изолирующий слой (обычно изолятором является диоксид кремния), причем в процессе осаждения над проводниками образуются локальные ступеньки (рельеф). Если не принять соответствующих мер, то формирование следующего проводящего слоя будет осуществляться на поверхности со значительным рельефом (десятые доли микрона), что недопустимо для литографических процессов формирования топологии слоя. Также вследствие более низкой скорости травления проводящего слоя на наклонных участках могут остаться непротравленные области.
Для удаления локальной ступеньки, возникающей при осаждении диоксида кремния, используют технологическую операцию ХМП, в силу особенностей которой на поверхности кристалла СБИС, тем не менее, возможно сохранение рельефа поверхности (глобальной ступеньки).
Первые научные работы, связанные с моделированием операции ХМП, проводились, начиная с 1991 г. [5—8]. Особенно
Рис. 1. Сравнение экспериментальных данных (—о—) с результатами моделирования (—□—):
а — линейная модель, ИМ8Е = 357 А; б — полиномиальная модель, ЯМ8Е = 234 А
стоит отметить работы Массачу-сетского Технологического Института [9, 10], в которых впервые были разработаны математические модели и алгоритмы, позволяющие рассчитать распределение рельефа после операции ХМП. Ключевым отличием данных работ было использование плотности заполнения топологического слоя и применение математической операции двумерной свертки, а также оригинальное ядро свертки. Все это позволило выполнять расчеты распределения толщины межслойного диэлектрика по кристаллу СБИС. Причем зависимость толщины МСД от плотности заполнения также была показана в данных работах с использованием специальных тестовых фотошаблонов.
Однако, экспериментальная апробация описанных моделей в работах [11—13] показала существенные отклонения результатов моделирования от экспериментальных данных некоторых типов тестовых структур для диапазонов времен плана-ризации.
С целью корректировки этих недостатков и учета особеннос-
тей технологического процесса НИИСИ РАН совместно со специалистами МГТУ им. Н. Э. Баумана была предложена полиномиальная модель операции ХМП [13]. Данная модель позволила повысить точность расчетов, что было подтверждено результатами ее калибровки по экспериментальным данным. Для примера на рис. 1 представлено сравнение двух моделей: линейной, предложенной в работе [9], и полиномиальной модели операции ХМП.
Наличие точных моделей операции ХМП позволило проводить модификацию топологии СБИС с целью снижения общего разброса толщин (ОРТ) межслойного диоксида кремния.
Метод основан на том, что практически в каждой топологии СБИС существуют области, не занятые функциональными элементами, что, в частности, и вызывает разброс плотности заполнения слоя. Размещая в данных областях фиктивные структуры з
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.