CC BY
52
Скляров Н.Е, Волков В.В., Зверева В.В. , Трусов В.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ КМДП НАНОСТРУКТУР СБИС
С ростом интеграции СБИС и усложнения технологии возникают проблемы обеспечения их качества. Большой объем информации, характеризующий параметры технологических процессов (ТП), сложность ее получения и обработки стимулирует разработку автоматизированных систем, в которых для получения информации используются тестовые структуры. Поэтому одной из важнейших задач производства КМДП СБИС является разработка, изготовление и измерение параметров тестовых структур.
Современные требования предусматривают увеличение сроков активного функционирования микроэлектронной аппаратуры при воздействии радиационного излучения космического пространства и ядерно-энергетических установок. Непосредственное экспериментальное исследование стойкости КМДП СБИС к радиационному воздействию практически нереализуемо вследствие неприемлемо большой продолжительности и высокой стоимости радиационных испытаний. Поэтому необходимо использовать методы прогнозирования показателей стойкости КМДП СБИС к радиационному излучению [2]. Разработанный метод базируется на расчетно-экспериментальном моделировании радиационной деградации характеристик микроструктур КМДП СБИС.
В работе проводится анализ усовершенствованной модели КМДП наноструктуры и определяются на ее основе физико-технологические параметры. Совершенствование микроэлектронной технологии и методов проектирования СБИС привело в настоящее время к уменьшению длины канала 0.0 6 мкм. Поэтому в работе МДП-транзистора появились новые эффекты, такие как эффект короткого и узкого каналов, изменение подвижности носителей зарядов под воздействием внешних электрических полей, радиационных воздействий, деградационных процессов. В работе предлагается усовершенствованная модель КМДП-наноструктуры, имеющая достаточно простой вид при сохранении точности моделирования и минимальном количестве физико-технологических параметров.
Разработана физико-математическая модель физических процессов в окисле КМДП-наноструктуры при воздействии радиационного излучения. Получены новые выражения для определения деградации подвижности носителей заряда.
Анализ современного состояния микроэлектроники и прогноз ее развития показывает, что резко растет стоимость новых предприятий, увеличивается стоимость разработок новых СБИС и их сложность, «время жизни» новых разработок значительно сокращается, требуется заметное уменьшение сроков освоения новой продукции.
Указанные тенденции развития микроэлектроники выдвигают на первый план вопрос об экономической эффективности и технологичности производства, которое характеризуется выходом годных изделий, скоростью его повышения. Эффективной является только гибкая система проектирования производства СБИС с автоматическим управлением технологическим процессом, реализующая концепцию компьютерно-интегрированного производства.
Проектирование СБИС с учетом технологичности определяется следующими методами:
автоматизированные средства проектирования разработки,
реляционные базы данных и вычислительные сети,
современные средства моделирования и имитации,
статистическое управление технологией,
использование специализированных тестовых микроструктур.
Одним из эффектов, возникающих при воздействии радиационного излучения и непосредственно свидетельствующих об изменении параметров МДП-транзистора, является деградация подвижности, которая приводит к уменьшению крутизны приборов, следовательно, к уменьшению быстродействия.
Анализ физических процессов деградации подвижности ц показал [2-3], что результатом воздействия ионизирующего излучения является создание заряда поверхностных состояний на границе - БЮ2 и фиксированного заряда в окисле, который определяется процессами возникновения дырочных Ытр(х) в электронных Ытп(х) ловушек в окисле, захватом дырок р(х) и электронов п(х) на эти ловушки, рекомбинацией электронов с дырками Рт(х), уже захваченными ловушками №ш(х), и рекомбинацией электронов п(х) с дырками р(х).
Создание дополнительного заряда будет сказываться в большей степени на изменении порогового напряжения АУг, чем на изменении подвижности [3].
Предлагается определять деградацию подвижности в результате действия ионизирующего излучения по эмпирической формуле, которая имеет вид:
И =------л Мо .-------г (1)
1 +«„(|ДКОТ| + ДУП )
где АУот - смещение порогового напряжения, вызванное наличием объемного фиксированного заряда в окисле; АУ1Т - смещение порогового напряжения, вызванное наличием поверхностных ловушек на границе диэлектрик-полупроводник; Цо - подвижность носителей заряда в слабых электрических полях до воздействия ионизирующего излучения; ац - коэффициент, зависящий от уровня легирования полупроводника.
Рассмотрим каждую из составляющих смещения порогового напряжения АУТ=\АУот\+АУ1Т. Зависимость смещения порогового напряжения МДП-транзистора от приращения объемного заряда АУот в подзатворном диэлектрике определяется выражением:
-ох .
Д¥от = -^- | -°х^х•Рт(х,-)йх (2)
СОХ о -ох
где - толщина подзатворного диэлектрика; q - заряд электрона; Со- емкость оксидного слоя; х -
глубина проникновения в диэлектрик индуцированных носителей заряда: электронов п(х) и дырок р(х);
Рт(х^) - часть дырок р(х), которая захватывается ловушками Ытр(х), распределенными в диэлектрике.
Параметр Рт(х,^ отражает, по сути дела, процесс накопления объемного фиксированного заряда в диэлектрике, причем этот процесс зависит от концентрации глубины залегания ловушек различной природы, эффективных сечений захвата и концентраций носителей заряда, а также их дрейфовой скорости.
Тогда кинетическое уравнение, описывающее захват дырок Рт(х,^ ловушками Ытр(х) и учитывающее (в отличие от [2], где рассмотрены только процесс захвата дырок в пустые ловушки и процесс рекомбинации дырок с легирующими электронами) все остальные физические процессы, происходящие при этом, имеет вид:
йРг (х,-)
—т-------= иРР , • Р(х)• NTP (х) - иРР, •Ыг-Рт (х, -) -
й- (3)
-°пп' • п(х) • Рт (- -) - °пп' • п(х) • ^п(х) - °пп' • п(х) • Р(х)
где Ор, ок - эффективные сечения захвата дырок и электронов; р’, п’- дрейфовые скорости дырок и элек-
тронов,
р’ = ЦрЕ;
п’ = ЦпЕ; Ытр(х), Ытп(х) - распределение концентраций ловушек для дырок и электронов
NTP (х) = NTP0 • ехР
(х) = NTП0 • ехр
Ытр(х), Ытп(х) - начальные концентрации не занятых ловушек для дырок и электронов; Lp, Ln - диффузион-
ные длины захвата ловушками дырок и электронов; N - плотность квантовых состояний валентной зоны диэлектрика. Первый член выражения (3) в правой частя описывает захват части дырок р(х) ловушками Ытр(х), второй член - уменьшение скорости изменения Рт(х^) вследствие того, что с течением времени Рт(х) увеличивается, а р(х) уменьшается на такую же величину, что приводит к уменьшение участвующих в захвате ловушками Ытр(х) оставшихся дырок р(х).
С учетом этого предлагается рассмотреть два частных случая:
1) р(х)«№рр (х),п(х)«№ш(х), (4)
что соответствует малой радиационной генерации;
2) p(x)»Nтp (х),п(х)»Ытп (х) (5)
что соответствует большой радиационной генерации.
Третий член выражения (3) описывает рекомбинацию электронов п(х) с дырками Рт(х), которые захвачены ловушками №тр(х), четвертый член описывает захват электронов п(х) электронными ловушками №ш(х), пятый член - рекомбинацию электронов п(х) с дырками р(х).
таким образом, были введены новые (второй - четвертый) члены уравнения (3), описывающие физические
процессы в диэлектрике, которые ранее не учитывались.
Получены новые выражения для описания механизма деградации подвижности носителей заряда в канале МДП
- наноструктуры в режимах малой и большой радиационной генерации.
Разработана физико-математическая модель физических процессов в окисле микроструктуры КМДП СБИС при воздействии радиационного излучения космического пространства и ядерно-энергетических установок. Получены новые выражения для определения деградации подвижности носителей заряда в канале МДП - наноструктуры при радиационном воздействии.
В настоящее время применяются два основных подхода к прогнозированию стойкости МДП СБИС к радиационному воздействию. [2] Первый подход основан на расчетно-экспериментальных методах моделирования радиационной деградации характеристик наноструктур КМДП СБИС. Второй метод базируется на ускоренных испытаниях.
Предлагаемая расчетно-экспериментальная методика базируется на моделировании радиационной деградации характеристик наноструктур КМДП СБИС, обладает наибольшей точностью и может быть использована для описания радиационного поведения, оптимизации параметров КМДП-наноструктур и технологических процессов изготовления КМДП СБИС.
В работе рассматривается методика разработки тестовых структур для контроля параметров МДП - наноструктур КМДП СБИС.
Сконструировать тестовую структуру или тестовый кристалл означает разработать топологическую структуру, выбрать состав и количество информативных (тестовых) элементов, позволяющих по результатам измерений на них получить информацию о параметрах тП. В зависимости от того, какие параметры тП необходимо контролировать, выбираются тестовые ячейки (тЯ) из числа известных или разрабатываются новые.
тЯ должны обеспечить получение полного спектра технологических данных, включая поверхностные сопро-
тивления слоев, критические размеры, пороговые напряжения, напряжения пробоя. [2]
В настоящее время достаточно хорошо описана топология широко применяемых тЯ, созданы методики контроля параметров тП.
Но в то же время проблема полного объективного контроля тП (в данном случае тП создания КМДП СБИС)
на базе тЯ еще не решена.
В данной работе предлагаются тестовые элементы (тЭ), дополняющие существующие тестовые структуры. тЭ и методика обработки полученных на тЭ данных позволяют достаточно просто и полно найти параметры, определяющие вольт-амперную характеристику МДП - транзисторов СБИС.
такими тЭ являются:
1) транзистор с большими размерами канала (Ь > 5 мкм), (N>20 мкм);
2) транзистор с малой длиной канала ^<2 мкм) и большой шириной каната (И> 20 мкм);
3) транзистор с малой шириной канала (И7<20 мкм) и большой длиной канала ^>5 мкм);
4) транзистор с малой длиной канала ^<5 мкм) и малой шириной канала (И< 20 мкм).
Причем этот набор создается как для п-, так и для р- канальных транзисторов. Методика позволяет с помощью такой тЯ определить такие электрофизические параметры, как пороговое напряжение, коэффициент короткого канала, коэффициент узкого канала, подвижность носителей зарядов при слабых электрических полях, коэффициент влияния вертикального поля, паразитное сопротивление и скорость насыщения носителей зарядов, а также физические размер Ь и И.
Кроме того, тЯ должна содержать два МДП - конденсатора п- и р-типа для уточнений значений толщины подзатворного диэлектрика, концентрации легирующей примеси, глубины залегания р-п перехода и определения концентрации поверхностных состояний.
Высокие требования, предъявляемые к качеству и надежности субмикронных СБИС, обуславливают развитие новых методов контроля электрофизических параметров. [4-5] Разработан и опробован метод определения подвижности носителей заряда в неоднородном канале МДП-транзистора на основе эффекта Холла. Измерения проводятся на тестовых структурах, представляющих собой МДП-транзисторы с разделенными истоками. Предложенная методика позволила определить подвижность носителей заряда в неоднородном канале МДП-транзистора и оценить степень деградации подвижности в процессе его работы для различных конструктивнотехнологических вариантов МДП-транзисторов. так как ток Холла в канале МДП-транзистора с разделенными истоками с длиной канала 2 мкм и шириной 50 мкм очень мал, то для повышения точности измерений были соединены параллельно десять МДП-транзисторов с разделенными истоками. Наноструктуры изготавливались с двумя различными толщинами подзатворного диэлектрика 30 нм и 35 нм по двум различным технологическим процессам. Для измерения плотности поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик МДП-транзистора и заряда, захваченного в окисле кремния подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, использовался метод зарядовой накачки. тестовые структуры изготавливались на основе базовой КМДП-технологии СБИС.
тестовые структуры были изготовлены на основе базовой КМДП-технологии СБИС на тестовых пластинах КЭФ-4,5 по двум маршрутам технологического процесса. В соответствии с первым маршрутом после создания
р-кармана МДП-наноструктуры при дозе D=3 мкКл/см2 и энергии Е = 100 кэВ и его подлегирования при D=15 мкКл/см2 и Е=30 кэВ формировался подзатворный окисел при температуре 850°С во влажном кислороде С>2 в течении 60 мин. толщиной 300 ± 15 А и 350 ± 15 А.
Затвор был получен осаждением поликристаллического кремния толщиной d=0,45 мкм путем пиролиза силана при температуре 600°С. Ионная имплантация фосфора в поликремний проходила при температуре 850°С в течении 30 мин., причем, дозы имплантации Р были различными и имели значения 500 мкКл/см2; 1000 мкКл/см2;
1500 мкКл/см2 при энергии Е=40 кэВ. Для создания п+-исток-стоковых областей проводили внедрение Р с Е=40 кэВ и D=100 мкКл/см2. Далее наносилось фосфорносиликатное стекло толщиной d=0,8 мкм, его отжиг проводился при температуре 850°С в сухом О2 в течение 45 мин.
Для изучения влияния радиационного излучения на электрофизические характеристики МДП-транзистора были проведены экспериментальные исследования в широком диапазоне доз облучения ( 10 4-106) рад, представляющих наибольший практический интерес. При этом использовались 4 типа тестовых п- и р- канальных МДП-транзисторов с различными длиной и шириной канала.
После создания р-кармана МДП-микроструктуры при D = 2 мкКл и Е=100 кэВ, р+-охраны при D=5 мкКл и Е=100 кэВ и ^-охраны при D=5 мкКл и Е=100 кэВ формировался тонкий подзатворный окисел при температуре 1000°С, в сухом О2 в течение 80 мин. толщиной ^х=400 A. Затвор был получен осаждением поликремния, легирование Р происходило при температуре 950°С в течение 30 мин. до получения поверхностного сопротивления Rs=30 Ом/м. Ионное легирование Р и В для создания сток-истоковых областей n-канального и р-канального транзисторов, соответственно, проводилось с D=100 мкКл и Е=50 кэВ.
Разработанные тестовые микроструктуры используются для контроля электрофизических и технологических параметров специализированных микропроцессорных наборов КМДП СБИС.
Были разработаны конструкции и изготовлены наноструктуры и кристаллы КМДП СБИС, проведены экспериментальные исследования, определены параметры и характеристики КМДП наноструктур.
Сравнение рассчитанных и экспериментальных значений характеристик показывает, что максимальное отклонение не превышает 3%. таким образом, предложенная методика определения основных физикотехнологических параметров КМДП-транзисторов в рамках обобщенной математической модели может быть использована для проектирования КМДП СБИС.
Предложена расчетно-экспериментальная методика определения параметров радиационной модели МДП-наноструктур КМДП СБИС.
ЛИТЕРАТУРА
1.Скляров Н.Е., Сальникова И.П. Методы определения электрофизических параметров МДП-транзисторов "технология и оборудование для производства полупроводниковых приборов и микросхем". Серия 47. 13. 11
Минск. 1991. 52с.
Согоян А.В., Чумаков А.И., Никодюров А.Ю. Подход к прогнозированию радиационной деградации КПОП ИС с учетом сроков и условий эксплуатации. /Микроэлектроника, 1999, том 28,№4, с.263 - 275.
Скляров Н.Е. Модель интегрального МДП - транзистора при воздействии ионизирующего излучения и электрического поля. Сб. тр. МИЭт "Физико-химические процессы микроэлектронной технологии", МИЭт. 1993. с.
141 - 147.
4.Баринов В.В., Бахмач О.В., Калинин А.В., Крупкина т.Ю. Повышение технологичности СБИС на основе концепции виртуального производства /Микроэлектроника, 1999, том 28, №4, с.283-292.
5. Скляров Н.Е., Волков В.В., Башкиров О.В. Повышение качества и надежности специализированных КМДП
СБИС. Сб. тр. ПГУ «Надежность и качество - 2004», ПГУ, 2004. с. 286-293.
