МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 2, с. 83-89
= МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ
УДК 004.942
ОСОБЕННОСТИ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КНИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ С НЕПРЯМЫМ ЗАТВОРОМ © 2012 г. А. А. Глушко, В. А. Шахнов
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана E-mail: andrei19386@mail.ru, shakhnov@mail.ru Поступила в редакцию 03.05.2011 г.
Изложена методика трехмерного моделирования субмикронных КНИ МОП-транзисторов с учетом литографических искажений топологий. Рассмотрены особенности получения трехмерной структуры. Предложен эффективный метод построения сетки. Приведены результаты моделирования КНИ МОП-транзисторов О-типа с предварительной коррекцией и без предварительной коррекции топологии.
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение сложности проектируемых микросхем, требование высокого быстродействия проектируемых КМОП КНИ СБИС, заставляют разработчиков электронной аппаратуры переходить на проектные нормы 0.5—0.25 мкм. Однако при таком снижении проектных норм аналитический метод расчета проектируемых структур не обеспечивает требуемой точности, а сложность расчетов при этом существенно возрастает.
Перспективным направлением для решения задач проектирования технологического процесса производства наноструктур является моделирование. Оно основывается на решении фундаментальных уравнений физики, описывающих процессы, протекающие в металле, окисле, полупроводнике. Решение этих уравнений реализуется численными методами на ЭВМ. На сегодняшний день САПР технологических процессов производства и моделирования элементов СБИС получил реализацию в виде целой серии программных продуктов под общей аббревиатурой ТСЛЭ [2].
Однако не все задачи моделирования могут быть решены с помощью существующих на сегодняшний день программных продуктов, поскольку, во-первых, не позволяют получить трехмерную структуру по описанию технологического процесса и ее топологии; во-вторых, методика трехмерного моделирования, реализуемая этими системами, пригодна лишь для простейших структур. Поэтому актуальна проблема повышения эффективности проектирования на основе трехмерного моделирования технологических процессов производства структур с субмикронными размерами и реализующая связь между литографическими САПР и САПР конструктивно-технологического моделирования.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
В современных системах конструктивно-технологического моделирования методика трехмерного моделирования не универсальна по нескольким причинам:
Во-первых, если в качестве подзатворного диэлектрика используется оксид кремния, получаемый термическим окислением, то эту операцию в САПР трехмерного моделирования для исследования сложных структур использовать не представляется возможным. Замена окисления осаждением окисла не является эквивалентной, так как в процессе окисления уменьшается толщина базы КНИ-структуры и изменяется приповерхностная концентрация из-за процессов сегрегации примеси на границе окисел-кремний.
Во-вторых, сетка конечных элементов должна удовлетворять следующим противоречивым требованиям: с одной стороны, она должна быть достаточно мелкой, чтобы обеспечить высокую точность и сходимость процесса моделирования физических процессов, а с другой стороны, слишком мелкая сетка может привести к неоправданно большим расходам вычислительных ресурсов на выполнение проекта (или к нехватке этих ресурсов). Время, затраченное на моделирование, может возрасти примерно на порядок даже при двукратном увеличении количества вершин трехмерной сетки.
В-третьих, данные, получаемые из САПР литографического моделирования, не могут быть использованы при конструктивно-технологическом моделировании без дополнительной обработки. Количество точек, получаемых при литографическом моделировании, влияет на количество вершин сетки конечных элементов при моделировании в ТСЛЭ. Используемые мощные
вычислительные серверы не позволяют обработать такое количество точек.
Вывод, который вытекает из изложенного — система ТСЛЭ в базовом варианте непригодна для моделирования КНИ-структур, которым уделяется повышенный интерес производителей микроэлектронных приборов. Нужна модификация этой САПР, позволяющая эффективно определять шаг сетки конечных элементов при моделировании ЗЭ-структур, учитывая вычислительные ресурсы современных компьютеров. Модификация САПР должна быть ориентирована и на интегрирование с САПР литографического моделирования. Необходимо также решение возможности моделирования операции окисления и моделирования влияния температуры на электрические характеристики создаваемых структур.
Полный цикл трехмерного конструктивно-технологического моделирования, предлагаемый в настоящей работе, включает следующие этапы:
1. Предварительное двумерное моделирование технологического маршрута и анализ полученной структуры;
2. Генерация сетки для моделирования технологического маршрута;
3. Моделирование технологического маршрута и анализ трехмерного концентрационного профиля;
4. Генерация сетки для моделирования электрических характеристик структуры;
5. Моделирование и анализ электрических характеристик структуры.
МЕТОДИКА
Предварительное двумерное моделирование технологического маршрута является одним из наиболее важных этапов, который дает информацию о структуре для последующего трехмерного моделирования. Средства двумерного моделирования позволяют рассчитывать такие эффекты, как термическое окисление кремния и сегрегацию примеси на границе окисел-кремний. В модули двумерного моделирования заложены алгоритмы автоматической генерации сетки.
Как уже отмечалось, замена термического окисления кремния осаждением не является эквивалентной. Для выявления причин расхождения между электрическими характеристиками структуры с подзатворным окислом, сформированным различными способами, проведено двумерное моделирование транзистора двумя способами — традиционным окислением и осаждением окисла. На основе результатов моделирования установлено, что причина расхождения между характеристиками транзисторов заключается в следующих факторах.
Во-первых, при окислении поликремния, его поверхность покрывается слоем окисла, который увеличивает маску для легирования ЬОЭ-обла-сти. При замене бокового окисления осаждением также необходимо учесть уменьшение ширины затвора в процессе бокового окисления. Расхождение между результатами моделирования с учетом и без учета бокового окисления составляет около 6%
Во-вторых, в процессе термического окисления происходит ускоренная диффузия (сегрегация примеси), которая также влияет на характеристики кремния. Результаты моделирования иллюстрирует рис. 1.
Кроме того, установлено, что в случае отсутствия ускоренной диффузии при двумерном моделировании возможна недостаточная разгонка примеси и, как следствие, изменение глубины р-п-пе-рехода.
В процессе двумерного моделирования было показано, что учет вышеперечисленных факторов при замене термического окисления осаждением окисла является достаточным условием достижения погрешности вычислений, не превосходящей 2% (рис. 2).
Учет ускоренной диффузии возможен при моделировании легирования и отжига карманов в двумерном варианте с последующей загрузкой профиля легирования в трехмерную модель.
На боковой части затвора должен быть сформирован тонкий слой окисла, толщина которого определяется результатами двумерного моделирования. На основе результатов двумерного моделирования должна проводиться оценка полной ширины затвора с окислом перед имплантацией ЬЭЭ.
На основе всего изложенного, можно сделать следующие выводы:
1. Для адекватного воспроизведения электрических характеристик МОП-структуры величина толщины подзатворного окисла, толщины базы, а также толщины бокового окисла должны определяться по результатам двумерного моделирования полного технологического процесса.
2. Для увеличения точности расчетов легирование и разгонку карманов следует рассчитывать методом интерполяции профилей из двумерной структуры, а легирование ЬЭЭ и сильнолегированных областей истока/стока — путем трехмерного легирования МОП-структур. При этом сетка в области канала должна быть более мелкой, чем в смежных с нею областях.
Таким образом, двумерный концентрационный профиль пМОП- и рМОП-транзистора должен быть рассчитан, по крайней мере, для двух стадий технологического маршрута: первая стадия — перед формированием легирования ЬЭЭ,
Ы, А 10-4
9 х 10-5
8 х 10-5
7 х 10-5
6 х 10-5
5 х 10-5
4 х 10-5
3 х 10-5
2 х 10-5
10-5
0
2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 3.3 ^ В
Рис. 1. Сравнительный анализ результатов двумерного моделирования пороговой характеристики КНИ МОП-транзистора: 1 — с учетом ускоренной диффузии; 2 — без учета ускоренной диффузии.
Ы, мкА 9 х 10-5
8 х 10-5
7 х 10-5
6 х 10-5
5 х 10-5
4 х 10-5
3 х 10-5
2 х 10-5
10-5
0
1 /
1И
-2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
2%
3.0 3.3 ^ В
Рис. 2. Сравнение результатов моделирования, полученных: 1 — классическим способом термического окисления; 2 — фиктивной заменой процесса окисления осаждением, но с учетом изменения геометрических размеров и ускоренной диффузии примеси в кармане.
вторая — для финальной структуры активного или пассивного элемента. Первый профиль структуры дает толщину подзатворного окисла и окисла на боковой стороне поликремниевого затвора, а также толщину базы транзистора и концентрационный профиль примеси в канале транзистора;
второй профиль упростит выбор шага сетки при трехмерном моделировании операций легирования.
После двумерного анализа и предварительной сборки трехмерной структуры необходимо сгенерировать сетку для моделирования операций ле-
Рис. 3. Пример формирования криволинейной сетки.
гирования. Существует несколько вариантов формирования сетки перед моделированием электрических характеристик КНИ МОП-структуры.
Первый вариант формирования сетки — с помощью нескольких параллелепипедов (используется в системе ТСЛЭ). В этом случае пользователь выбирает шаг разбиения сетки по каждой из осей координат. В каждом из
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.