Методы моделирования элементов КНИ КМОП СБИС с субмикронными проектными нормами

Актуальность. К современной электронной аппаратуре, как общего, так и специального назначения, предъявляются все более жесткие требования по повышению быстродействия и надежности при снижении габаритных размеров и энергопотребления. Удовлетворению этих требований в большой мере способствует совершенствование элементной базы сверхбольших интегральных схем (СБИС). Уменьшение размеров элементов СБИС и применение технологии кремний-на-изоляторе (КНИ) позволяет многократно повысить быстродействие, снизить энергопотребление, повысить радиационную стойкость и т. д. Однако, продвижение в область субмикронных размеров сопровождается существенным ростом сложности проектирования и изготовления СБИС: технологический процесс насчитывает несколько сотен операцийиспользуется уникальное технологическое и измерительное оборудование, материалы и оснасткапредъявляются особые требования к чистоте и климату производственных помещенийстановится обязательным учет малоразмерных физических эффектов при проектировании схем, аналитический расчет которых на основе инженерных формул попросту невозможен. Применение субмикронных технологий требует обязательного учета трехмерных эффектов при проектировании конструкций элементов СБИС, что существенно усложняет их разработку.

Важнейшим методом исследования при этом становится приборно-технологическое моделирование, которое, в конечном счете, позволяет снизить стоимость разработки за счет уменьшения материальных затрат на проведение экспериментальных исследований и повысить процент выхода годных СБИС. Этот метод основан на решении фундаментальных уравнений физики, описывающих процессы, протекающие в металлах, окислах и полупроводниках, и реализован в виде многомодульной технологической САПР (ТСАБ). Наиболее совершенной на сегодняшний день является система ТСАБ Бег^аигш фирмы Бупорзуз (США), которая позволяет исследовать поведение элементов СБИС и технологические процессы их изготовления. Однако существующая методика моделирования, заложенная в этой САПР, не может быть использована для моделирования технологических процессов и собственно создаваемых КНИ МОП-структур. Поэтому актуальной становится задача разработки методов трехмерного моделирования в существующей САПР. Кроме того, актуальной является и реализация сопряжения между литографическими САПР и САПР приборно-технологического моделирования.

Состояние проблемы. Существующие методики, методы и модели физических процессов, заложенные в системе TCAD Sentaurus, не позволяют реализовать трехмерное моделирование сложных структур из-за неустойчивости сходимости процесса моделирования и требования существенных системных ресурсов (даже на мощных вычислительных серверах с объемом оперативной памяти 16 Гбайт) и временных затрат.

На сегодняшний день в области разработки САПР приборно-технологического моделирования лидирует фирма Synopsys (США) [58- 62]. Модели физических процессов, заложенных в системе TCAD Sentaurus, являются результатом работ многих зарубежных исследователей. Наиболее известны работы Антониадиса Д., ДаттонаР., ОулдхемаУ. («МОП СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов»), Ферри Д., Эйкерса Л., Гринича Э. «Электроника ультрабольших интегральных схем».

В России с разработкой технологических процессов связаны работы Киреева В. Ю. «Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии», Королевам.А. «Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем», Зебрева Г. И. «Физические основы кремниевой наноэлектроники». Непосредственно с моделированием в системах TCAD связаны работы коллективов, возглавляемых Крупкиной Т. Ю. (МИЭТ), Петросянцем К. О. (МИЭМ), а также работы Виноградова Р. Н., Дроздова В. Г., Корнеева C.B. (ФГУП «НПП Пульсар»), Седова A.B. и Максимова А. Н. (МИФИ) [28- 29].

Связь работы с крупными научными программами и темами. Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы, выполняемой в МГТУ имени Баумана, а также ОКР «Утра», «Софора», «Полоз» по разработке в НИИСИ РАН технологических процессов формирования эпитаксиальных и КНИ-структур с минимальными проектными нормами 0,35 — 0,25 мкм.

Цель работы заключается в разработке модифицированных методов приборно-технологического моделирования, позволяющих повысить точность моделирования и сократить временные затраты на проектирование субмикронных элементов КНИ КМОП СБИС.

Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Обеспечить сопряжение САПР литографического и приборно-технологического моделирования ТСАО с целью учета эффекта искажения топологии в процессе литографии;

2. Выполнить трехмерное моделирование диффузионного профиля КНИ МОП-структур с субмикронными нормами;

3. Уменьшить время моделирования трехмерных КНИ МОП-структур с субмикронными нормами;

4. Повысить точность моделирования на основе перехода к трехмерному моделированию, а также калибровки и корректировки существующих моделей в САПР приборно-технологического моделирования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применены методы математического моделирования, аналитические методы расчета параметров моделей, метод ветвей и границ и метод линейной аппроксимации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана методика трехмерного моделирования с учетом литографических эффектов, отличающаяся применением криволинейной сетки, получаемой на основе формирования тонких полосок кремния вдоль границы топологической области затвора формируемого КНИ МОП-транзистора.

2. Разработаны рекомендации по улучшению сходимости и повышению точности процесса трехмерного приборно-технологического моделирования электрических характеристик КНИ МОП-транзисторов за счет учета снижения подвижности носителей на границе окисел-кремний, выполняемого на основе предварительного двумерного моделирования.

3. Предложен метод определения эквивалентной ширины канала для калибровки моделей подвижности носителей в канале КНИ МОП-транзисторов, заключающийся в построении линейной аппроксимации расчетных и экспериментальных зависимостей тока насыщения транзистора от геометрической ширины канала.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведенных в НИИСИ РАН. Расхождение между электрическими характеристиками, полученными на основании трехмерного моделирования, и экспериментальными составило не более 10%.

На защиту выносятся:

1. Методика трехмерного моделирования процесса формирования субмикронных элементов КНИ КМОП СБИС в системе ТСАБ, отличающаяся от стандартной сокращением числа вершин в топологии затвора после литографического моделирования и построением криволинейной сетки конечных элементов, обеспечивающей снижение количества узлов в ряде случаев на 50%, что позволяет реализовать принципиальную возможность трехмерного моделирования КНИ МОП-транзисторов с учетом эффектов искажения топологии затвора в процессе литографии.

2. Рекомендации по улучшению сходимости и повышению точности процесса трехмерного приборно-технологического моделирования электрических характеристик КНИ МОП-транзисторов, основанные на учете снижения подвижности носителей на границе окисел-кремний, выполняемом с помощью предварительного двумерного моделирования, и на управлении шагом сходимости, максимальным количеством итераций и т. п.

3. Метод определения эквивалентной ширины канала транзистора, заключающийся в построении линейной аппроксимации зависимости тока насыщения от геометрической ширины канала и определении отношения свободного члена полученной линейно зависимости к ее угловому коэффициенту.

Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Сократить время приборно-технологического моделирования в системе ТСАБ Бегйаигш субмикронных элементов КНИ СБИС в ряде случаев на два порядка (от нескольких недель до нескольких часов).

2. Повысить на 10 — 50% точность схемотехнического 8Р1СЕ-моделирования КНИ МОП СБИС за счет уточнения эквивалентной ширины канала по отношению к заложенной при проектировании.

3. Увеличить быстродействие СБИС на 10% за счет использования фигур оптической коррекции эффекта близости, спроектированных при совместном литографическом и приборно-технологическом моделировании.

4. Реализовать возможность моделирования электрических характеристик КНИ МОП-структур с учетом литографических эффектов на основе сопряжения между САПР литографического и приборно-технологического моделирования. Учет литографических эффектов важен при снижении проектных норм до размеров, меньших длины волны экспонирующего излучения степпера.

Методика и результаты моделирования, полученные в работе, внедрены в процесс проектирования элементной базы субмикронных СБИС в НИИСИ РАН и в учебный процесс МГТУ имени Н. Э. Баумана.

Личный вклад соискателя включает:

— разработку методики трехмерного моделирования с учетом литографических эффектов (публикация [6]);

— разработка методики комплексного двумерного и трехмерного моделирования электрических характеристик КНИ МОП-структур и рекомендаций по улучшению сходимости и повышению точности процесса трехмерного приборно-технологического моделирования электрических характеристик КНИ МОП-транзисторов (публикации [5, 7, 9]);

— разработка метода определения эквивалентной ширины канала транзистора для калибровки моделей подвижности носителей электрического заряда в канале МОП-транзистора (публикация [9]);

— разработка методики проведения эксперимента по уточнению модели подвижности в поликристаллическом кремнии и встраивание модели в систему приборно-технологического моделирования (публикации [8, 12]);

— моделирование процесса формирования транзисторных структур всех типов и их электрических характеристик (публикации [9, 13]);

— построение алгоритмов реализации предложенных автором методик и разработка дополнительных программных TCL-модулей, а также исследование структур с непрямым затвором с учетом литографических эффектов методом приборно-технологического моделирования и анализ результатов моделирования и экспериментальных данных (публикации [6, 9, 13]).

Из перечня публикаций, выполненных в соавторстве, лично Глушко A.A.:

— в работе [9] предложена методика комплексного двумерного и трехмерного моделирования КНИ МОП-транзисторов, а также предложен метод определения эквивалентной ширины канала транзистора;

— в работе [11] проанализированы проблемы моделирования субмикронных КМОП-структур, входящих в состав СБИС, и процессов их формированияв работе [12] предложена модель подвижности в поликристаллическом кремнии и методика проведения эксперимента по уточнению ее параметров.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международных молодежных научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), журнале «Технология и конструирование в электронной аппаратуре» (Одесса, 2007), сборнике «Информатика и системы управления в XXI веке», журнале «Вестник МГТУ имени Баумана» (Москва, 2011). Принята к печати статья в журнале «Микроэлектроника» № 1 за 2012 год (из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ).

Работа отмечена 2 дипломами 1 степени Международных молодежных научно-технических конференций «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы», (Москва, 2007) и «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы», (Москва, 2009). За выполненную работу автору присуждалась стипендия Правительства РФ.

Результаты исследования были представлены на IX, X и XI научно-практических семинарах «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур», проходивших в Нижнем Новгороде в 2009, 2010 и 2011 г.

Публикации. По материалам и основному содержанию работы имеется 9 публикаций в научно-технических журналах и трудах международных конференций, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка. Общий объем диссертации 128 страниц, содержит 67 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 63 наименований.

Выводы и заключение.

Высокая степень интеграции современных СБИС предполагает переход на проектные нормы, исчисляемые субмикронными размерами. Для таких структур многие аналитические зависимости, которые широко использовались ранее, становятся непригодными, так как заложенные в них модели не позволяют с требуемой точностью прогнозировать технологический процесс производства и характеристики разрабатываемых структур. Имеющиеся на сегодняшний день САПР производства МОП-структур позволяют решать вопросы проектирования лишь частично — в рамках отдельных технологических операций на основе анализа двумерных моделей. Причем литографическое моделирование производится отдельно от моделирования технологических операций и характеристик создаваемых элементов СБИС.

В настоящей работе прогнозирование создаваемых структур, параметров технологических процессов их производства и литографическое моделирование рассматриваются как единая, целостная задача производства субмикронных структур.

Основными результатами работы являются следующие:

1. Предложена и практически реализована методика трехмерного моделирования технологического процесса формирования КНИ МОП-транзисторов и их характеристик, позволяющая с высокой точностью рассчитывать электрические характеристики проектируемых структур субмикронных технологий КНИ КМОП СБИС. Эффективность предложенной методики подтверждена 10 — 20%-ми расхождениями между результатами моделирования процесса формирования транзисторных структур и результатами реальных измерений профилей легирования и толщин подзатворного окисла и 10%-ми расхождениями между расчетными и экспериментальными электрическими характеристиками транзисторов.

2. Предложен новый метод построения сетки конечных элементов при трехмерном моделировании, позволивший сократить число ее узлов приблизительно на 50%, отличающийся от известных введением разбиения узлов сетки вдоль границ криволинейных областей моделируемых структур.

3. Впервые реализован учет особенностей процесса литографии при проектировании конструкций КНИ МОП-транзисторов с прямым и непрямым затвором, предложен метод определения их эквивалентной ширины канала. Реализовано совместное использование САПР литографического и приборно-технологического моделирования.

4. Предложен математический аппарат и алгоритмы обработки топологии и преобразования структуры, позволяющие реализовать моделирование диффузионного профиля транзисторной структуры с учетом искажений топологии в процессе литографии. Алгоритмы реализованы в виде программных модулей на языке TCL, позволяющие генерировать командный файл формирования геометрической структуры макроэлементов. Совместное использование этих программных модулей со стандартными средствами TCAD позволяет реализовать метод построения криволинейной сетки конечных элементов.

5. Разработаны рекомендации по улучшению сходимости численных методов при трехмерном моделировании электрических характеристик элементов КМОП КНИ СБИС в системе TCAD, позволяющие сократить время счета на два порядка — от нескольких недель до нескольких часов. Предложен алгоритм вычислений, позволяющий учитывать результаты двумерного моделирования при трехмерном моделировании, реализованный в виде программного модуля на языке компонента Inspect, позволяющий сопоставлять результаты двумерного и трехмерного моделирования и реализовать комплексное двумерное и трехмерное моделирование.

6. Выполнена калибровка моделей, заложенных в систему TCAD. В систему TCAD добавлена модель подвижности носителей в поликристаллическом кремнии, позволившая снизить в 10 раз погрешность расчета сопротивления поликремниевого резистора по сравнению с ранее используемой моделью.

Апробация методики на реальных КНИ-структурах позволила установить, что:

— величина межкристаллитного барьера в поликристаллическом кремнии практически не меняется при вариациях концентрации примеси;

— добавленная в систему ТСАЭ модель подвижности позволяет с достаточной для практических целей точностью рассчитывать температурные зависимости удельного поверхностного сопротивления резисторов на поликремнии;

— схемы на транзисторах с предварительной коррекцией масок характеризуются более высоким быстродействием.

На основе выполненных исследований и сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными выработаны рекомендации по проектированию технологических процессов производства КНИ-структур. Повышение точности моделирования достигнуто за счет активной коррекции моделей, заложенных в систему ТСАБ, разработки алгоритмов преобразования топологии после литографического моделирования и преобразования структуры, а также реализации этих алгоритмов с помощью встроенных средств разработки ТСАЭ на языке ТСЬ.

Дальнейшее снижение проектных норм позволит выявить ранее не известные эффекты, которые приведут к необходимости модификации систем автоматизации проектирования. Таким образом, развитие микроэлектроники повлечет за собой и совершенствование систем автоматизации проектирования, реализующих новые модели, адекватно отражающие физические процессы, происходящие в элементах СБИС нового поколения.