Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634558)
Контекстум
.

Приборно-технологическое проектирование компонентной базы микро- и наноэлектроники (220,00 руб.)

0   0
АвторыБыкадырова Галина Владимировна, Ткачев Александр Юрьевич, Бормонотов Евгений Николаевич, Битюцкая Лариса Александровна
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц120
ID604082
АннотацияУчебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.
Кому рекомендованоРекомендуется для слушателей Президентской программы повышения квалификацииинженерныхкадров «Приборно-технологическое проектирование компонентной базы микро- и наноэлектроники» по направлению «Электронная техника, радиотехника и связь», атакже для студентов 1-го и 2-го курсов очной формы обучения физического факультета, обучающихся по программе магистратуры.
Приборно-технологическое проектирование компонентной базы микро- и наноэлектроники / Г.В. Быкадырова, А.Ю. Ткачев, Е.Н. Бормонотов, Л.А. Битюцкая .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2016 .— 120 с. — 120 с. — URL: https://rucont.ru/efd/604082 (дата обращения: 19.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ МИКРОИ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Учебно-методическое пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2016 Утверждено научно-методическим советом физического факультета 17 февраля 2016 г., протокол № 2 Составители: Г. В. Быкадорова, А. Ю. Ткачёв, Е. Н. Бормонтов, Л. А. Битюцкая Рецензент – доктор физико-математических наук, профессор С.И. Курганский Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета. <...> Рекомендуется для слушателей Президентской программы повышения квалификации инженерных кадров «Приборно-технологическое проектирование компонентной базы микро- и наноэлектроники» по направлению «Электронная техника, радиотехника и связь», а также для студентов 1-го и 2-го курсов очной формы обучения физического факультета, обучающихся по программе магистратуры. <...> Диффузионное перераспределение примесей в окислительной среде . <...> Распределения ионно-имплантированных примесей при легировании разориентированных мишеней . <...> Методы моделирования распределения ионно-имплантированных примесей в многослойных структурах . <...> Работа в среде приборно-технологической САПР TCAD . <...> Программные модули оптимизации расчетных сеток виртуальных полупроводниковых структур . <...> Физико-химические основы модели Дила – Гроува Кремниевая технология включает термическое окисление на этапах создания масок, изолирующих областей, подзатворных диэлектрических слоев, пассивации поверхности структур. <...> – сдвиг по времени или поправка на начальную толщину окисла X0: B ния, когда t + >> A B , рост окисла подчиняется параболическому закону (). чиняется линейному закону 2 4 X t = tB)(2 + Константы скоростей окисления зависят <...>
Приборно-технологическое_проектирование_компонентной_базы_микро-_и_наноэлектроники_.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ МИКРОИ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Учебно-методическое пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2016
Стр.1
Содержание 1. Физико-математические модели технологических процессов в микрои наноэлектронике ........................................................................................................5 1.1. Модели термического окисления ....................................................................5 1.1.1. Физико-химические основы модели Дила – Гроува ............................5 1.1.2. Линейный и параболический законы роста окисла ............................ 5 1.1.3. Аномальные эффекты при начальном окислении ................................6 1.1.4. Вязкоупругая модель локального окисления ........................................7 1.2. Модели диффузионных процессов ..................................................................9 1.2.1. Уравнения диффузии Фика .....................................................................9 1.2.2. Модели коэффициентов диффузии основных примесей в кремнии ......................................................................................................... 11 1.2.3. Аналитические модели распределения примесей при диффузии в неограниченной, полуограниченных и ограниченных подложках ........ 14 1.2.4. Моделирование процесса диффузии на стадиях загонки и разгонки примесей .......................................................................................... 16 1.2.5. Многомерные задачи диффузии .......................................................... 18 1.2.6.Сегрегация примесей на границе окисел-полупроводник . ................ 19 1.2.7. Диффузионное перераспределение примесей в окислительной среде .......................................................................................................... 20 1.2.8. Численные методы решения уравнений Фика ................................... 22 1.3. Физико-математические модели процесса ионной имплантации ............. 25 1.3.1. Основы теории ЛШШ …………………………………… …… ......... 25 1.3.2. Распределения ионно-имплантированных примесей: гауссовские распределения, сопряженная гауссиана, распределение Пирсон-4 ................. 27 1.3.3. Распределения ионно-имплантированных примесей при легировании разориентированных мишеней ................................................... 31 1.3.4. Методы моделирования распределения ионно-имплантированных примесей в многослойных структурах ................................................................ 33 1.3.5. Локальное легирование методом ионной имплантации ................... 36 1.3.6. Наклонная имплантация ....................................................................... 39 1.3.7. Диффузионное перераспределение ионно-имплантированных примесей .......................................................................................................... 42 1.4. Математические модели расчета электрофизических параметров полупроводниковых структур .............................................................................. 44 2. Приборно-технологическое проектирование в САПР TCAD ........................... 46 2.1. Работа в среде приборно-технологической САПР TCAD .......................... 46 2.1.1. Состав приборно-технологической САПР TCAD ............................. 46 2.1.2. Визуализация результатов численных экспериментов ..................... 52 2.2. Моделирование технологии элементной базы микроэлектроники и твердотельной электроники в специализированном пакете САПР TCAD .......... 56 2.2.1. Программные модули моделирования технологических процессов ......................................................................................................... 56 2.2.2. Моделирование стандартных технологических процессов .............. 63 3
Стр.3
В/А = 1,04 ⋅ 105 ⋅ ехр(–2,0/kT), мкм/мин; − пары воды: В = 280 ⋅ ехр(–1,17/kT), мкм2/мин, В = 7 ⋅ ехр(–0,78/kT), мкм2/мин, Т ≤ 950 °С; Т > 950 °С; В/А = 3,45 ⋅ 104 ⋅ ехр(–1,6/kT), мкм/мин, Т ≤ 950 °С; В/А = 2,95 ⋅ 106 ⋅ ехр(–2,05/kT), мкм/мин, Т > 950 °С, где k – постоянная Больцмана, 8,62 ⋅ 10–5 эВ/К; Т – температура, К. Параболическая константа В слабо зависит от ориентации кремниевой окислителя pn. Показатель степени n зависит от окислительной среды, ориентации подложки, наличия примесей. подложки, в то время как линейная константа В/А(100) при окислении кремния с ориентацией (100) меньше В/А(111) в 1,68 раз. Константы B и B/A прямо пропорциональны парциальному давлению 1.1.3. Аномальные эффекты при начальном окислении Модель Дила – Гроува хорошо описывает рост окисла кремния толщиной более 30 нм. Экспериментально было обнаружено, что при малых толщинах окислов скорость окисления превышает в 2–3 раза скорость, предсказываемую линейно-параболической моделью Дила – Гроува. Одна из феноменологических моделей, объясняющих аномально быстрый рост окисла на начальном этапе, предложена Румаком. На первом этапе идёт диффузия молекул кислорода О2 в кремний. При этом образуются две зоны роста SiO2: приповерхностный слой кремния и переходной слой окисла (рис. 1.1). На кремнии 1 наряду с растущим окислом 2 при диффузии молекул O2 кислорода 3 появляются зародыши окисла SiO2 4 и избыточные атомы кремния 5 (рис. 1.1, стадия I). Существование потенциального барьера на границе SiO2–Si приводит к накоплению избыточных атомов кремния 6 (рис. 1.1, стадия II). Их концентрация может превышать равновесную ∼1017 см–3, что приводит к появлению больших напряжений. При этом идёт преимущественный рост зародышей SiO2 в кремнии, захват избыточного кремния 6 растущим окислом, генерация дефектов упаковки и дислокаций в кремнии, разрушение плёнки естественного окисла на кремнии между зародышами и возникновение микропор 7 в растущей плёнке окисла (рис. 1.1, стадия III). Образование микропор облегчает перенос кислорода 8 в зону реакции и диффузию избыточного кремния, например, в составе моноокиси кремния SiO 9 в атмосферу. Добавочный перенос кислорода по микропорам ускоряет рост окисла, и микропоры 11 постепенно уменьшаются (рис. 1.1, стадия IV). 6
Стр.6
Одна из моделей (SUPREM-III) аппроксимирует зависимость скорости роста окислов на начальном этапе с помощью следующей модификации линейно-параболического закона (модель Массуда): − dt dx = + + 1 2 A x k e B L x − 1 + k e 2 x L 2 , где k1, k2 – константы, подчиняющиеся закону Аррениуса; L1, L2 – характеристические толщины, L1 ≈ 20 Å, L2 ≈ 70 Å. Рис. 1.1. Начальные стадии окисления кремния в сухом кислороде 1.1.4. Вязкоупругая модель локального окисления При локальном окислении на поверхности кремния формируется защитная маска нитрида кремния, с нанесённым тонким буферным слоем окисла, который предотвращает возникновение на границе Si3N4–Si больших напряжений при окислении. Диффузия молекул окислителя происходит как в вертикальном направлении, так и латерально под край нитридной маски. Локальная область окисления под краем защитной маски имеет форму «птичий клюв» (рис. 1.2), а при формировании рельефного участка, полученного предварительным травлением кремния на некоторую глубину, за счёт увеличения окисла по периметру вытравленной области образуется окисный профиль «птичья голова». Si3N4 Хн Х0 S 0 S SiРис. 1.2. Модель роста окисла с профилем «птичий клюв» 7 S SiО2 S2 Х(t) S у
Стр.7
При численном моделировании учитываются вязкоупругие свойства материалов, и при этом решаются одновременно уравнения Лапласа, Навье – Стокса, уравнение непрерывности, диффузии и перемещения границ слоя SiO2 с соответствующими граничными условиями. В установившемся стационарном режиме окисел рассматривается как вязкая, несжимаемая жидкость, описываемая уравнением Лапласа () 0 D∇ C x y = 2 , , где коэффициент диффузии окислителя не зависит от концентрации окислителя и напряжений в окисле. При большой вязкости и малой скорости роста (менее 1 нм/с), когда упругие напряжения быстро релаксируют, движение описывается уравнением Навье – Стокса − ∇ = ∇ p , 2 где – вязкость окисла; – скорость движения; p – давление. Окисел считается несжимаемым, поэтому его движение рассматривается как вязкое течение несжимаемой жидкости, которое описывается уравнением непрерывности ∆ = 0. Решение полученной системы уравнений находится при следующих граничных условиях. В области S1 (рис. 1.2) скорость движения границы SiO2–Si пропорциональна потоку F окислителя с учётом отношения b объёмов окисла и пошедшего на его формирование объёма кремния (b ≈ 0,44) () = − b F1 N , где N – число молекул окислителя в единице объёма окисла. На границе S2 учитывается поверхностное натяжение, рассматриваемое как разность давлений внутри р и вне ратм окисла с учётом коэффициента γ поверхностного натяжения и локального радиуса R кривизны поверхности: p pатм = − − этому скорость = x y поверхности. В стационарном случае = 0 . В областях S4 и S5 также давление равно нулю: p = 0; n = 0, где n – единичный вектор по нормали к поверхности. R . В области S3 под маской жидкость не проскальзывает, а прилипает, поi = 0, где (), i – единичный вектор, касательный к 8 η υ υ υ υ η υυ υ υ υ γ υ
Стр.8
ласти S1 равна ла, есть При взаимодействии окислителя с кремнием скорость окисления в обC n , и поток окислителя, идущего на образование окис= n kC D C =∂ ∂ , где k – коэффициент химической реакции. переноса h и разности концентраций окислителя вне С* и внутри С0 границы S2: На границе S2 поток окислителя пропорционален коэффициенту массоn h()yxCC D C ∂ = ∂ ∗ 0 , На границах S3, S4, S5 потоки равны нулю: ∇ ∇ +   D C RT C∇pD − () . n D C . ∂ = 0 ∂ Обобщенная упруговязкопластическая модель учитывает влияние упругих напряжений и на механизм диффузии окислителя:  m  = 0   , где R – универсальная газовая постоянная; pm – механический потенциал. Поставленная задача решается численными методами, основанными на использовании теоремы Грина. Толщину окисла Х(у,t) «птичий клюв» при начальной толщине Х0 буферного слоя окисла можно аппроксимировать следующим соотношением: () ( )() X y t X X t X0 , = 0 + − ⋅ 2 1 1     + erf     2 X t X y ()− 0         , где Х(t) – толщина окисла вне области нитридной маски; γ – параметр бокового распространения окисла под край нитридной маски (γ ≈ 0,5). Учёт ширины ω окна в нитридной маске и толщины Хн защитного слоя Si3N4 осуществляется в следующих аналитических моделях: () X y t, , = X y t erfc − ( , ) 2 D = 6,81 10 y ⋅ −4      н[] 0     X нм X нм + + y 1 2 D t y −    −  ⋅ erfc − − y     584 1,14 10 143 y 2 D t          −4 , мкм/мин. 1 / 2 , где Dу – коэффициент диффузии окислителя в латеральном направлении [] 1.2. Модели диффузионных процессов 1.2.1. Уравнения диффузии Фика В кремниевой планарной технологии процессы создания диффузионных областей описываются с помощью законов Фика. Согласно первому закону Фика поток J диффундирующей примеси состоит из диффузионной и дрейфовой компонент: 9 υ β γ ω ω
Стр.9
J DC Z NE , =− ∇ − (1.3) где D – коэффициент диффузии атомов примеси; ∇ – оператор градиента; C ≡ C(x,y,z,t) – концентрация примеси, зависящая от координат x, y, z и времени диффузии t; Z – зарядовое состояние ионов примеси ( +1 – для акцепторов, –1 – для доноров); µ – подвижность заряженных ионов; N ≡ N(x,y,z,t) – концентрация ионизированных атомов примеси; Е – напряженность внутреннего электростатического поля, созданного градиентом концентрации ионизированных атомов примеси. Из закона сохранения вещества следует второй закон Фика: ∂С ∂ = ∇ ∇ + t () D C Z NE . (1.4) Решение данного дифференциального уравнения в частных производных второго порядка проводится при различных начальных и граничных условиях, вид которых зависит от выбранных приближений. Современные модели диффузии рассматривают этот процесс на атомистическом уровне, позволяющем объяснить и смоделировать возникающие основные физические эффекты. Генерация вакансий (например, при ионной обработке мишеней) и неравновесные процессы (например, на границе раздела SiO2–Si при окислении) определяют «дальнодействующие» эффекты. «Локальные» эффекты обусловлены концентрацией примеси: кулоновское взаимодействие атомов примеси с заряженными вакансиями; возникновение внутренних электростатических полей, ускоряющих диффузию; кластеризация и преципитация примесей; генерация заряженных вакансий вследствие деформации решетки. Указанные эффекты сильно влияют на диффузию примесей в кремнии, причем, при моделировании распределений примесей необходимо для каждой примеси и условий процесса установить влияющие на коэффициент диффузии факторы. Одним из важнейших факторов является наличие внутренних электростатических полей, влияние которых приводит к увеличению эффективного коэффициента диффузии в h раз: h = +1 2 i n N 1    ni = ⋅ 2 1,5 10 T exp 1,21 7,1 10 33 3     − + ⋅ kT  2 i n N    2  + 1 где ni – собственная концентрация электронов при температуре диффузии, определяемая из трансцендентного уравнения −10 n Ti /     , см–6, , (1.5) 10 µ µ
Стр.10