Лекция 2. Моделирование технологических процессов для создания устройств с проектными нормами до 90 нм. Методика выбора моделей технологических процессов при моделировании устройств с нормами 90 нм и менее
Выбор моделей имплантации.
Основные параметры: тип примеси, доза, энергия, угол.
Проблемы: расходимость пучка, разброс по энергии, мощность дозы, температура подложки.
Материалы, используемые при имплантации в Sprocess:
Атомы примеси
|
Молекулы
|
Моделирование
|
Al, As, Sb, B, C, F, Ga, Ge, In, N, P, Si.
|
AsH2, BF2, B10H14 (декаборан), B18H22, BCl2, C2B10H12 (карбораны), C2B10H14, PH2
|
Аналитически, Монте-Карло. Имплантационные таблицы для атомов и соединения BF2.
|
Ar, Br, Cl, He, H, I, Kr, Pb, Ne, O, Sn, Xe
|
|
Только модель Монте-Карло
|
Имплантационные таблицы:
Смешанные таблицы двойного и одинарного распределения Пирсона: Default
Установка таблиц Taurus : Taurus
Таблицы Техасского университета: Tasch
Таблицы одинарного распределения Пирсона в Dios: Dios
Начальные условия после имплантации:
Модель «+x»:
профиль_междоузлий=ifactor * профиль_бора
Коэффициент ifactor зависит от параметров имплантации
Аналитическая имплантация. Функции распределения.
Гаусс: gaussian
Одиночный Пирсон: pearson
Одиночный Пирсон с экспоненциальным хвостом: pearson.s
Двойной Пирсон: dualpearson
Внешнее распределение: по точкам
Граничные условия аналитической имплантации
Extended Boundary Condition - область моделирования искусственно расширяется в соответствующем направлении.
Reflective Boundary Condition - зеркальные граничные условия.
Periodic Boundary Condition - создается периодическая структура.
Моделирование имплантации методом Монте-Карло:
Отслеживается большое количество падающих ионов.
Место падения - случайно.
Ионы замедляются путем
взаимодействия с узлами решетки
взаимодействия с носителями
Ионы отслеживаются до полной остановки.
Создаются междоузлия и вакансии. Имеет место некоторая рекомбинация.
Граничные условия имплантации методом Монте-Карло
Transparent Boundary - все частицы пересекающие границу покидают область моделирования и исчезают.
Periodic Structure - все частицы покидающие материал, возвращаются в него с обратной стороны.
Reflective Boundary - частица, попадающая на границу, отражается от плоскости границы.
Extending the Simulation Domain - область моделирования искусственно расширяется в соответствующем направлении
Общие замечания по моделированию имплантации:
Имплантация моделируется более точно, чем диффузия
Для всех распространенных примесей существуют точные параметры Монте-Карло и табличные данные
Обычно для профилей сразу после имплантации не требуется никаких подстроек.
Проблемы точности при моделировании имплантации:
Каналирование
Аморфизация
Коэффициенты повреждений «+x»
Расходимость пучка при имплантации больших доз с малой энергией
2-мерное распределение для аналитических профилей
Статистический шум при моделировании Монте-Карло
Выбор моделей диффузии
Эффекты моделируемые в Sprocess:
Активация, дезактивация примеси
Взаимодействие легирующей примеси и дефектов
Химическое взаимодействие на поверхности и в объеме материалов
Движение границы раздела материалов
Учет внутренних электрических полей
Подходы моделирования процесса диффузии:
Традиционный (continuum) - система уравнений в частных производных (PDE), описывающая перенос легирующей примеси и сохранение дозы.
Атомная кинетическая диффузия Монте-Карло
Модели диффузии:
chargedPair (pair diffusion) - трехпотоковая модель. Моделирование КМОП процесса, оптимум между точностью и вычислительными затратами. Используется для моделирования очень быстрого подъема температуры или для выбора (настройки) граничных условий
chargedFermi (Fermi) - точечные дефекты и пара примесь-дефект находятся в равновесии. Для каждого зарядового состояния возможно раздельно устанавливать коэффициент диффузии. Применяются для продолжительных отжигов.
chargedReact (React) - пятипотоковая модель, одна из самых точных и сложных моделей в Sprocess.
Constant - предполагает постоянный коэффициент диффузии и не учитывает никаких электрических эффектов, используется в основном для диффузии примеси в оксиде.
Epitaxy - модель расчета роста моно- и поликристаллических слоев.
Граничные условия
HomNeumann - могут применятся для любых границ.
Natural - для точечных дефектов.
Segregation - для легирующей примеси.
Dirichlet - для легирующей примеси и дефектов.
ThreePhaseSegregation - для легирующей примеси.
GrainBoundarySegregation - для легирующей примеси в поликристаллических материалах.
EpiTransfer - для легирующей примеси только во время эпитаксиального роста.
Trap - захват примеси на поверхности.
Continuous - поток через поверхность непрерывен
Сегрегация, потеря дозы
Двухфазное и трехфазное приближения:
Оптимальный набор моделей для технологии 90 нм:
Парная диффузия (pair diffusion)
Активация примеси: кластеризация
TED: кластеризация междоузлий
Потеря дозы: 3-фазная модель сегрегации
Другие модели: напряжения, SiGe, OED, фтор
Окисление, силицидирование
Этапы процесса окисления:
Диффузия окислителя от границы газ-оксид через оксид к поверхности кремний-оксид
Взаимодействие окислителя с кремнием и образование нового оксида
Движение материалов из-за расширения объема, которое вызвано реакцией между кремнием и оксидом.
Среда окисления
Имя
|
Тип
|
Взаимодействие
|
O2
|
react
|
Oxidation
|
H2O
|
react
|
Oxidation
|
HCl
|
inert
|
Gas reactions only
|
N2 inert None
|
inert
|
None
|
H2
|
inert
|
Gas reactions only
|
N2O
|
react
|
Oxynitridation
|
Epi
|
epi
|
Standard epitaxy
|
LTE
|
epi
|
Low-temperature epitaxy
|
Модель окисления:
Модель Deal-Grove (1D)
Модель Massoud, расширенная модель Deal-Grove хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Зависимость процесса окисления от параметров подложки:
Кристаллографическая ориентация.
Напряжения, возникающие в процессе роста оксида.
Захват примеси (N, F) в оксиде.
Легирующая примесь.
Силицидирование
Три этапа роста силицида
Разъединение кремния и диффузия атомов кремния от границы TiSi2-кремний через TiSi2 к поверхности Ti-TiSi2.
Взаимодействие кремния с титаном и формирование нового силицида.
Движение материалов из-за расширения объема, которое вызвано реакцией между кремнием и титаном, и также разъединением кремния на границе TiSi2-кремний.
Основано на решении уравнений Фика
Выбор моделей кластеризации
Кластеры - скопление простых дефектов
Простые дефекты:
Точечные - V, I и IA.
Ассоциации точечных дефектов - V2, V2, V2, E-центры (V-P), A-центры(V-O), k-центры (I-O) и др.
Модели кластеризации:
Кластеризация примеси в кремнии
None
Transient
ChargedCluster
Cluster
Кластеризация дефектов
Кластеризация междоузлий
Ионная имплантация создает собственные междоузлия
Эти междоузлия вызывают временно ускоренную диффузию B, P, As, In.
Образуются кластеры междоузлий.
Временная и температурная зависимости временно ускоренной диффузии определяются механизмом формирования и распада кластеров междоузлий.
Точное моделирование TED требует точного моделирования захвата и освобождения междоузлий из кластеров.
Модели кластеризации междоузлий
4 I ßà I4 локальное равновесие
Rafferty для дефектов {311} - (модель «1-moment»):
I ßà Icl
I + I ßà I2
I + I2 ßà I3
. . .
I + I29999 ßà I30000 250 - 30000 уравнений (!)
FRENDTECH:
На основе RAPID
Логарифмическая дискретизация для больших кластеров: 20-30 ур.
Травление и осаждение
Процессы травления и осаждения в Sprocess не являются физическими, а основаны исключительно на геометрических моделях.
Типы процессов травления и осаждения:
-
Травление
|
Осаждение
|
Isotropic
|
Isotropic
|
Anisotropic
|
Anisotropic
|
Directional
|
Polygonal
|
Polygonal
|
Fill
|
Trapezoidal
|
Fourier
|
Fourier
|
|
Crystallographic
|
|
Chemical-mechanical polishing (CMP)
|
|
Примеры травления:
Примеры осаждения:
Лекция 3-4. Обзор моделей, использующихся при приборном моделировании. Граничные условия. Приборное моделирование устройств с проектными нормами до 90 нм. Методика выбора моделей при приборном моделировании устройств с нормами 90 нм и менее
Граничные условия
Электрические граничные условия
Омический контакт
Контакт изолятора
Шотки контакт
Резистивный контакт
Без контактов
 Плавающий контакт
 Металлический контакт
Полупроводниковый контакт
Тепловые г.у.
Г.у. для температуры подложки
Г.у. для температуры носителей
 Периодические г.у.
Электростатический и квазипотенциал Ферми:
Модели зонной структуры:
BennettWilson (default),
delAlamo,
OldSlotboom and Slotboom,
JainRoulston,
TableBGN
 Ширина запрещенной зоны:
 Для описания различных моделей вводится поправочный член
Моделирование переноса носителей в полупроводнике
Дрейфово-диффузионное приближение - моделирование при постоянной температуре
Термодинамическое приближение - учет саморазогрева Tn=Tp=TL
Гидродинамическое приближение - учет температуры носителей и подложки Tn≠Tp ≠ TL
Монте Карло - решение уравнения Больцмана
Модели подвижности
Рассеяние на фононах
Рассеяние на примеси
Рассеяние на носителях
Рассеяние на границе раздела (на фононах и шероховатости поверхности)
Деградация подвижности в высоком электрическом поле (насыщение скорости носителей)
Деградация подвижности на границе раздела
Рассеяние на акустических поверхностных фононах
Рассеяние на шероховатости поверхности
Модели
Lombardi,
Lombardi_highk,
IALMob,
UniBo
Моделирование рекомбинации и генерации
ШРХ на поверхности и в объеме
Рекомбинация через двойной уровень (CDL)
Радиационная рекомбинация
Оже (Auger)
Лавинная генерация (Avalanche)
Межзонная (Band-to-Band)
Бимолекулярная рекомбинация
Туннелирование
Модель нелокального туннелирования (nonlocal)
Модель прямого туннелирования (direct tunneling model)
Fowler-Nordheim
Моделирование ловушек и заряда
Типы ловушек
FixedCharge
Acceptor and eNeutral
Donor and hNeutral
Моделирование сечения захвата
J - model
Hurks
Poole-Frenkel
Горячие носители
Классическая модель Lucky
Fiegna - model
SHE (spherical harmonics expansion)
PMI (Physical Model Interface)
Вывод
Для приборного моделирования устройств уровня 90 нм рекомендуется использовать следующие модели и структуру командного файла:
Hydrodynamic( eTemperature )
Mobility (
DopingDependence
Enormal
eHighFieldsat(CarrierTempDrive)
hHighFieldsat(GradQuasiFermi) )
Recombination(
SRH(DopingDependence)
eAvalanche(CarrierTempDrive)
hAvalanche(Eparallel)
Band2Band)
EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom)) |
