Численное моделирование субмикронных кремниевых приборов и технологических процессов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

московский физико-технический институт

Р Г б од

1 5 дГ;Н 1335 Ия п™™

Шибков Андрей Анатольевич

численное моделирование субмикронных кремниевых приборов и технологических процессов

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата фмзико-лштеА»ат1««ск<11С ю$к

Моек»* - 1Ш «.

Работа выполнена * Московском Фгаико-техническом'институте

Научный руководитель - член-корреспондент РАН,

профессор Бугаев Л.С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук Мартинов В,В.

кандидат физ.-мат. наук Ващенко В.А.

Ведущая организация - Институт Автоматики и

Процессор Управления ДВО РАН

Защита состоится " 2М "^¿¿ИЯь^Й, 1996 г. в УУчясоп на заседании диссертационного совета Д 063.91.03 в Московском Физико-техническом институте по адресу: 141700 Московская область, г, Долгопрудный, Институтский переулок д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Л1ФТИ,

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат фшико-матсматических наук, В.А.Скорик

общая характеристика работы

Постояннее повышение степени интеграции компонентов современной полупроводниковой интегральной электроники привело к началу серийного производства хгрпборов с .характерним размером порядка 0.1 мкм. Дальнейшая миниатюризация приборов, пходящих в" состав ультрабольших интегральных схем (УБИС) сопряжена с колоссальными техническими и технологическими сложностями. Размеры прибором п горизонтальном направлении составляют сотни, а п вертикальном - десятки моноатомных слоев. Для создания таких приборов требуется особо точное оборудование. Стоимость подобных устройств составляет миллионы долларов, а срок жизни каждого поколения оборудования всего несколько лет. В связи с этим создание экспериментальных образцов обходится очень дорого как с точки зрения прамых финансовых затрат, так и из-за задержки начала серийного производства новых приборов. Вследствие этого для сохранения экономической целесообразности разработки ношлх нолупроиодшжопыл' устромстд необходимо как можно более точно прогнозировать характеристики раэраРаты йаемых приборов до изготовления опытных образцов. Задача нропкмироляття характеристик приборов еп;е более усложнилась п связи с проявлением в сл'бмикронных приборах физических эффектов влиянием которых можно было пренебречь при расчете параметров структур с большими геометр! гкч К! ши размерами.

1!дЧ11С1 «сними мсгол, жкннмлкиупЛ ускорить процесс солд.ши.ч номык п0/.ум{!0!<0лм11К0111>1 < прибор«..'«, это применение численною ,\цу,ел!фо!'.анпя ид ¡'.сох этапах проектирования. Разработка н .ИГР'ЧНГМ'Н!.! ■ А:|р:.К1Ч'р:|-ТИК СОпремЧ-НИМХ полу! фОДОДИ11 КСГ.Ы X

приборов невозможна без использования методов численного моделирования, в связи с чем тема настоящей работы представляется весьма актуальной.

Цель

Настоящая диссертационная работа посвящена численному моделированию процессов электронногр переноса в субмикронных полупроводниковых структурах, а также технологических процессов используемых для создания современных, уБИС.

В работе проведен анализ процессов электронного переноса 8 структурах металл-полупроводник и предложен новин метод постановки граничного условия на контакте металл-полупроводник в рамках дрейфо-диффузионной (ДА) И квазигидродинамической (КГД) моделей электронной плазмы. В работе предложена новая методика вывода граничного условия для концентрации неравновесных носителей которая, как показано, позволяет описывать эффекты неравновесного переноса заряда через потенциальный барьер более адекватно, чем ранее предложенные подходы, С помощью численного моделирования показано, что новое граничное условие позволяет избежать нефизичной аккумуляции носителей заряда вблизи контакта металл-полупроводник при больших плотностях тока. Проведено сравнение результатов моделирования методом Мойте-Кдрло и ДД методом с применением нового граничного условия.

Впервые выполнено численное моделирование трёхмерных эффектов, влияющих на характеристики современных субмикронных МОП транзисторов. Исследовано влияние изоляции канавками на характеристики приборов с различными геометрическими размерами.

Проявлено сравнение результатоп численного моделирования полного технологического цикла изготовления и электрофизических характеристик субмикронных МОП структур с результатами Измерений электрических характеристик транзисторов входящих в состав УБИС динамической памяти емкостью 256 МБ.. , Впервые выполнено самосогласованное моделирование эффектов дифференциальной зарядки поверхности обрабатываемого образца при плазменном травлении диэлектрических материалов.

Проанализировано отрицательное влияние эффектов дифференциальной зарядки на процесс травления и возможные Методы их подавления. Найдено характерное время проявления эффектов дифференциальной зарядки для типичной геометрии травления.

. Результаты диссертации могут быть использованы для:

Усовершенствования программ ДД и КГД моделирования полупроводниковых приборов за счет применения новых адаптивных граничных условий на контактах металл-полупроводник и Гетеропереходах,

Оптимизации дизайна субмикронных МОП транзисторов с целью уменьшения влияния нежелательных трехмерных эффектов.

Протезирования разброса характеристик приборов на основании информации о возможном отклонении параметров технологических процессов от номинальных.

Разработки .моделей процесса плазменного травления диэлектрических материалов с учетом дифференциальной зарядки.

Оптимизации параметров технологических процессов, связанных с плазменной обработкой поверхности.

1, В рамках предположений лежащих в основе ДД и КГД моделей , электронной плазмы, предложены новые граничные условия, позволяющие использовать эти модели для расчета характеристик диодов Шиттки в области больших прямых смещении, Проведено сравнение результатов расчетов с использованием новых и традиционных граничных условий, а также расчетов методом Монте-Карло. На основании результатов численного моделирования показана эффективность применения новых граничных условий предложенных

в настоящей работе.

2, Выполнена моделирование технологических процессов полного цикла изютоаления субмикронных МОП транзисторов, входящих в состав У НИ С динамической памяти емкостью 256МБ с последующим трехмерным моделированием характеристик приборов с использованием КГД модели. Впервые исследован обратный эффект малой ширины канала в реалистичных структурах.

3. С помощью численного моделирования исследовано влияние изменения параметров технологического процесса на характеристики субмикронных МОП структур,

4. На основе использования меч-ода Монте-Карло впервые выполнено самосогласованное моделирование эффектов дифференциальной зарядки при плазменной обработке (травлении) диэлектрических материалов. Полученные результаты указывают на малость характерного времени накопления заряда и говорят об определяющем влиянии процессов перераспределения заряда по поверхности диэлектрика на процесс травления. На основании результатов моделирования предложены методы подавления дифференциальной зарядки поверхности, , . .,

Результаты работы были представлены на конференциях ''Высокочастотные и нестационарные эффекты в полупроводниках" (Навои 1991г), "The 23rd IEEE conference on Plasma Science" (Гюстон Piflli International Conference on Plasma Surface Engineering" (Дюссельдорф 1996r), а также научных семинарах ФТИРАН и МФТИ.

, Публикации! •

По материалам Диссертации опубликовано б печатных работ, перечисленных в конце автореферата,

Структура и объем диссертации!

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общин объем диссертации 112 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 96 ссылок,

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Иереаялдэлз'. •

В первой главе диссертации обсуждены различные подходы к моделированию современных субмикронных приборов и технологий.

В §1.1 проведен сравнительный анализ различных моделей электронной плазмы в полупроводниковых структурах. Обсуждены преимущества и недостатки этих моделей с точки зрения их практического применения для численных расчетом электронного переноса п субмикрсшннх полупроводниковых структурах интегральной электроники,

В §1.2 рассмотрены ДД и КГД модели электронного переноса, обсуждены границы применимости этих моделей как с теоретической

точки зрения, так и с точки зрения их использования для расчета различных характеристик субмикронных полупроводниковых приборов.

§1.3 посвящец обзору проблем моделирования полупроводниковой технологии субмикронной эры. Проанализирован современный уровень развития подходов к моделированию различных технологических процессов. Обсуждены наиболее критические с точки зрения адекватности используемых моделей технологические процессы И общие тенденции развития численных методов моделирования технологии. ^

В §1.4 рассматривался методы численного моделирования процессов плазмохимического и реактивно-ионного травления, Обсуисдается адекватность применения существующих моделей для моделирования процессов плазменной обработки субмикронных структур. Обосновывается важность исследования явления дифференциальной зарядки, наблюдаемого при плазменном травлении структур с диэлектрическими компонентами.

Втора я гланд посвящен,1 исследованию проблем, связанных с численным моделированием диодов Шопгтки.

В §2,1 проведен обзор различных моделей, применившихся для описания электронного переноса в структурах металл-полупроводник. Рассмотрены АЛ. КГД модели, применение метода Монте-Карло и гибридных моделей, представляющих собой самосогласованное использование метода Монте-Карло для расчета функции распределения электронов вблизи контакта металл-полупроводник и ДА модели ал,ектроиного переноса в объеме полупроводника. Проведено сравнение результатов моделирования с использованием различных моделей. Особое внимание уделено обсуждению адекватности использования на контакте: металл-полупроводник

термоэмиссионного граничного условия (1) с постоянной скоростью поверхностной рекомбинации Уг. Неравновесному характеру задачи. Обоснована необходимость использования зависящей от тока скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда на границе металл-полупроводник - величины используемой в ДД и КГД моделях диодов Шоттки.

...-■' -^"Ч^-По) • (1)

В формуле (1), обозначает плотность псггока носителей заряда в направлении из Полупроводника в металл, Уг - скорость поверхностной рекомбинации, Пц и п - концентрации электронов в точке максимума энергетического барьера в равновесии и при приложенном смещении соответственно,

В следующем Параграфе (§2,2) подробно рассмотрена методика вывода граничного условия па контакте металл-полупроводник в рамках ДД модели электронного переноса. Построена модель зависимости скорости поперхноегной рекомбинации V, от. плотности тока на основании предположения ' о смещенном максвелловском распределении электронов вблизи границы металл-полупроводник. В рамках предложенной модели зависимость скорости поверхностной рекомбинации от плотности тока (с использованием для средней скорости носителей заряда соотношения Ул~]/п) протекающего через границу металл-полупроводник описывается з замкнутой форме выражением(2).

■ ' " -......• »о ■ ;.....; ■ • •■..-■

, : : . } У««|<-го;(Ух - У,)'/ (2кТ»Жх

V, - А;-;---■-:-:- « '

] ехр(-т'(Ух - V,)' ! (2кТ))(1Ух (2)

- (1 + / (2^))) + / (4лУ£)) ;

1

I

Величина У,о в выражении (2) равна 1/4 тепловой скорости электронов, V, соответствует компоненте скорости носителей заряда в направлении, перпендикулярном плоскости контакта металл-полупроводник, остальные обозначения стандартные.

В §2.3 предложенная методика вывода граничных условий для моментов функции распределения электронов распространена на случай КГД модели переноса заряда. В случае КГД моделирования структур металл-полупроводник предлагается использовать для плотностей потока энергии (Бц.м) и носителей заряда СЬ-м) следующие граничные условия:

(3)

Для зависимостей 5г(Уа) и УГ(У^) полумены следующие выражения: « « «

I \ / (тХУ / 2)вф(-т,((\'х - У^ + Уу + VI) / (Ж{]Шх<Ыу<!Уг

-:-:-:--

Щ схр(-т«Ух ~ + V} + VI) / (2кТ))аУхс1Уус1У2 (5)

- ^ (т'У,1 + 5кТК1 + вгДУ, / ЫИУ„))) + ЧДт'У; / 2 + 2И>хр(-У/ / (4ЛЙ))

8,.м " - пХ

и

] Ух<*р(-т'(V, - V,)1 / (2к'1)ЫУх

V, -

I ехр(-П1'(Ух - / (2к'Г)к1Ух

- у О + егЦУ, / (2/яЧ,))) + Ч,ех,<-\'> / (4яЛ/Д))

Величина УГ1 в выражениях (5) И (6) равна 1/4 тепловой скорости электронов, Т - температура электронного газа, Тд - температура решетки. Величины и в граничных условиях (3),(4) совпадают со значением выражений (5) и (б) при и Т=Т0,

В §2.4 приведены и проанализированы результаты численных расчетов с использованием граничных условий в традиционной формулировке и предложенных в настоящей работе. Зависимости электронной концентрации вблизи границы раздела металл-полупроводник от приложенного прямого смещения, рассчитанные с помощью ДА, программы с использованием различных граничных условий изображены на рисунках 1 и 2. Хорошо заметна нефизичная аккумуляция электронов пблизи контакта металл-полупроводник в случае использования обычного граничного условия и ее отсутствие в случае использования адаптивного граничного условия, предложенного в настоящей работе. Кроме того, результаты численных расчетов показывают, что при использовании нового граничного условия для плотности тока наблюдается ускорение сходимости Гуммелевских итераций при ДД моделировании структур Шоттки в области больших прямых смещений.

Рассмотрена возможность применения разработанной методики для моделирования гетероструктур и омических контактов, .

Концгаггряция электронов, 10 11 см-3

Расстоянии, мкм

Рис. 1 ! Зависимость концентрации электронов от координаты при различных смещениях, V, — У^).

Кошуягграцпя а\лктропоц 10 12 см-3

Расстоянии, мкм

Рис. 2 : Зависимость концентрации электронов от координаты при различных смещениях, зависимость Уг от У(.1 согласно (2)

Третья глава посвящена исследованию влияния геометрического дизайна субмикроннмх МОП транзисторов и изменения параметров технологических процессов на характеристики этих приборов,

В §3.1 метод численного моделирования применен для анализа воздействия изменения параметров технологических процессов на электрические характеристики субмикроннмх МОП транзисторов, Проанализирована относительная роль изменения различных технологических параметров и выявлены наиболее критические с точки зрения воздействия на электрические характеристики приборов этапы технологического цикла,

В §3.2 рассмотрено влияние изоляции канавками, являющейся г, настоящее время наиболее прогрессивной технологией электрической изоляции приборов, расположенных на кристалле УКИС, на электрические характеристики субмикрошшх МОП транзисторов, Проведено моделирование полного цикла изготовления МОП транзисторов, входящих п состав УВИС динамической памяти емкостью 256МБ, и на основании полученных таким образом распределений легирующих примесей выполнено моделирование электрических характеристик Этих приборов. Исследован обратный эффект малой ширины канала и проанализировано его влияние на схемные функции МОП транзисторов.

В четвертой глапе па основе моделирования методом Монте-Карло исследованы эффекты дифференциальной зарядки поверхности диэлектрика, их влияние на процесс плазменного травления и проанализированы методы ослабления этих аффектов.

В §'1,1 рассмотрены эффекты искажения профиля травления возникающие при использовании метода плазменного травления для создания субмикронных канавок на поверхностях либо полностью состоящих из диэлектрического' материала, либо имеющих

диэлектрические участки. Описанные' искажения профиля предположительно вызываются дифференциальной зарядкой за счет локально нескомпенсированного потока частиц с зарядом разного знака вследствие различных угловых распределений электронов и ионов вблизи поверхности обрабатываемой пластины. Кроме этого, проанализированы возможные подходы к моделированию указанных эффектов. Предложена модель для численного исследования эффектов дифференциальной зарядки.

В § 4.2 описано применение метода численного моделирования для выяснения роли эффектов дифференциальной зарядки в процессе 'плазменного травления диэлектрических материалов. Впервые для моделирования эффектов дифференциальной зарядки была использована процедура Мойте-Карло, в которой траектории частиц ! рассчитывались в самосогласованном электрическом поле, создаваемом : зарядом на поверхности диэлектрика.

' Анализ результатов численного моделирования проведен в §4.3. Распределения электрического потенциала и плотности заряда на Поверхностного щели изображена на рисунках 3 и 4 соответственно. Б то время как эти распределения соответствуют плазменному травлению в течение !05 с, разносги потенциалов между дном и поверхностью щели (см.рис,3.), вызванной нескомпенсированной зарядкой поверхности (см!рис.4.), достаточно для существенного снижения энергии ионов достигающих дна щели.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Гкпгнфъи, I!

Гасстоялт:, мкм

Рис. 3. Распределение электрического потенциала вдоль поверхности щели.

РйССГОЯШЮ, мкм

Рис. 4. Распределение плотности поверхностного заряда вдоль поверхности щели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложено новое граничное условие на контакте металл-полупроводник и разработаны программы численного моделирований переноса заряда Ь структурах металл-полупроводник,

2. Впервые выполнено моделирование трехмерных эффектов в реалистичных субмикронных МОП структурах, Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации дизайна УБИС.

3. Исследовано влияние изменения параметров различных этапов технологического процесса изготовления субмикронных МОП структур на электрические параметры Приборов.

4. Создана программа для численного моделирования эффектов дифференциальной зарядки ■• при ' плазменном травлении, диэлектрических материалов.

5. На ■ основе резуль+атов численного моделирования, предложены Методы уменьшения нежелательного влияния эффектов дифференциальной зарядки на. процесс плазменного травления диэлектриков.

'> Основные результаты диссертации опубликованы В следующих работах:

1. A. Sliibkov, М. К. Abatchev, H.K. Kang and M. Y. Lee,

"Numerical simulation of local charging during plasma etching of a dielectric material", Electronics Letters, vol. 32 No. 10, May 1996, pp, 890 - 891.

2. A. Shibkov, M. K. Abatchev, H.K. Kang, Jung and M. Y. Lee,

"Effect of Local Charging on the Dielectric Materials Etching Rate", The

23rd IEEE International Conference on Plasma Science, Boston, MA. June 3-5, 1996.

3. A, Shibkov, M. K. Abatchev, H.K. Kang and M. Y, Lee, "Monte Carlo Simulation of the Effects of Local Charging During the Plasma Etching of Dielectric Materials", Samsung Technical Journal, June 1996. •

4. Бугаев А.С., Шибков A.A., "Постановка граничного условия в дрейфо-диффузионной и квазигидродинамической моделях диода Шснтки", труды МФТИ, 1994.

5. A.Shibkov, M.Ershov and V.Ryzhii, "Numerical simulation of carrier transport in Schottky barrier diodes", Electronics Letters vol.28 No. 19, September 1992, pp. 1841-1842.

6. M.Ershov, A.Shibkov and V.Ryzhii, "Investigation of the overshoot phenomena in SiGe", in Ext.Abst. 1991 Cotif, "High frequency and transient effects in semiconductors", p.8, Navoi, USSR, 1991.

Нсртн ibKflh. '//99 ¿i.-H.ae*. гнр.