Министерство образования и науки Российской Федерации Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Д.Д. Зыков, К.Ю. Осипов СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАРШРУТОВ ПРОИЗВОДСТВА СВЧ МИС, ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА (основы САПР Synopsys TCAD) Учебное пособие Томск 2010 УДК 004.896 ББК 22.18 З-96 Рецензенты: П.Е. Троян, зав. каф. физической электроники Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, д-р техн. наук, профессор; В.А. Бейнарович, профессор Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, д-р техн. наук, профессор по специальности «Автоматизация технологических про- цессов и производств (в промышленности)», заслуженный изобретатель РФ Зыков Д.Д. З-96 Системы автоматизированного моделирования и проектирования технологических процессов и технологических маршрутов производ- ства СВЧ МИС, оптимизация производства (основы САПР Synopsys TCAD): учеб. пособие / Д.Д. Зыков, К.Ю. Осипов. – Томск: В-Спектр, 2010. – 76 с.: ил. Для слушателей программы переподготовки в области промышленного производ- ства наногетероструктурных монолитных интегральных схем СВЧ-диапазона и дис- кретных полупроводниковых приборов. УДК 004.896 ББК 22.18 © Зыков Д.Д., Осипов К.Ю., 2010 © Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2010 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ........................................................................................................... 5 1. Приборно-технологическое моделирование (TCAD) .................................. 6 2. Описание Synopsys TCAD ................................................................................ 9 3. Виртуальное производство с использованием Synopsys TCAD .............. 15 4. Возможности Synopsys TCAD для физического моделирования полупроводниковых светодиодов .................................................................... 17 4.1. Моделирование квантовых ям .................................................................. 17 4.2. Одномерное стационарное уравнение Шредингера ............................... 18 4.3. kp-метод ...................................................................................................... 18 4.4. Взаимосвязь электрической и оптической моделей ............................... 20 4.5. Выводы ........................................................................................................ 21 5. Работа с модулями Synopsys TCAD .............................................................. 21 5.1. Sentaurus Process ......................................................................................... 22 5.1.1. Задание начальной двухмерной сетки .............................................. 23 5.1.2. Область моделирования и инициализация ....................................... 23 5.1.3. Ионная имплантация .......................................................................... 24 5.1.4. Выращивание подзатворного окисла ................................................ 24 5.1.5. Создание поликремниевого затвора ................................................. 24 5.1.6. Работа с масками ................................................................................ 25 5.1.7. Окисление поликремния .................................................................... 25 5.1.8. Контактные площадки ........................................................................ 27 5.1.9. Сохранение всей структуры .............................................................. 27 5.1.10. Сохранение одномерных разрезов .................................................. 28 5.2. Sentaurus Device.......................................................................................... 29 5.2.1. Входной командный файл Sentaurus Device .................................... 29 5.2.1.1. Секция File ................................................................................... 30 5.2.1.2. Секция Electrode .......................................................................... 33 5.2.1.3. Секция Physics ............................................................................. 34 5.2.1.4. Секция Plot ................................................................................... 35 5.2.1.5. Секция Math ................................................................................. 35 5.2.1.6. Секция Solve ................................................................................ 36 5.2.2. Запуск Sentaurus Device ...................................................................... 37 5.2.3. Результаты расчета ............................................................................. 37 5.3. Sentaurus Inspect ......................................................................................... 38 5.3.1. Запуск Inspect ...................................................................................... 38 5.3.2. Загрузка наборов данных ................................................................... 39 5.3.2.1. Форматы файлов .......................................................................... 39 5.3.2.2. Загрузка ........................................................................................ 40 5.3.3. Отображение наборов данных ........................................................... 41 5.4. Sentaurus Workbench .................................................................................. 42 5.4.1. Запуск Sentaurus Workbench .............................................................. 43 5.4.2. Запуск проектов .................................................................................. 45 5.4.3. Отображение результатов .................................................................. 47 5.4.4. Выбор узлов ........................................................................................ 48 3 5.4.5. Удаление проектов ............................................................................. 48 5.4.6. Создание проектов .............................................................................. 49 5.4.6.1. Создание маршрута модулей ...................................................... 49 5.4.6.2. Сохранение проектов .................................................................. 52 5.4.7. Выполнение экспериментов .............................................................. 52 5.4.7.1. Добавление параметров .............................................................. 52 5.4.7.2. Создание множества экспериментов ......................................... 54 5.4.7.3. Предварительная обработка и запуск проектов ........................ 56 6. Примеры использования Synopsys TCAD .................................................. 57 6.1. Пример 1. Полупроводниковый резистор на полуизолирующей подложке GaAs .................................................................................................. 57 6.1.1. Создание нового проекта и задание структуры устройства ........... 57 6.1.2. Создание командного файла Sentaurus Device ................................. 59 6.1.3. Результаты моделирования ................................................................ 60 6.2. Пример 2. Диод Шоттки на подложке GaAs ........................................... 62 6.2.1. Модификация структуры прибора .................................................... 62 6.2.2. Модификация командного файла Sentaurus Device ......................... 63 6.2.3. Результаты моделирования ................................................................ 64 6.3. Пример 3. Полевой транзистор Шоттки на подложке GaAs .................. 65 6.3.1. Модификация командного файла Sentaurus Device ......................... 65 6.3.2. Результаты моделирования ................................................................ 66 6.4. Пример 4. AlGaAs/GaAs транзистор ........................................................ 70 6.4.1. Модификация структуры ................................................................... 70 6.4.2. Модификация командного файла SDevice ....................................... 71 6.4.3. Результаты моделирования ................................................................ 71 Список литературы ............................................................................................. 74 Приложение. Вопросы для самотестирования .............................................. 75 4 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие подготовлено в рамках выполнения проекта ГК «Роснанотех» «Разработка и апробация программы опережающей про- фессиональной переподготовки и учебно-методического комплекса (УМК), ориентированных на инвестиционные проекты ГК «Роснанотех» в области производства конкурентоспособной продукции наноэлектроники на основе наногетероструктурных монолитных интегральных схем СВЧ-диапазона длин волн и дискретных полупроводниковых приборов». Пособие предназна- чено для слушателей программы переподготовки, ориентированных на при- обретение компетенций в области новых технологий формирования кремние- вых интегральных схем. Целью данного учебного пособия является изучение основ и получение навыков моделирования технологических процессов и приборов с использованием системы автоматизированного проектирования Synopsys TCAD. Исходя из намеченной цели, здесь не делается попытка опи- сать этот комплексный продукт во всем многообразии. В состав указанного пакета входят разные модули для решения одних и тех же задач, и пользова- телю предоставляются возможности выбора наиболее подходящих и удобных в использовании инструментов. Например, существуют модули Sentaurus Process, Dios и другие для технологического моделирования, имеющие ин- терфейс командной строки, а также Ligament, позволяющий с использовани- ем графического интерфейса построить технологический маршрут. В посо- бии рассмотрен только Sentaurus Process, так как он позиционируется Synopsys как основной инструмент для решения задачи моделирования тех- нологических процессов. Для построения расчетной сетки в пакете также существует несколько разных модулей, но внимание здесь уделено только одному из них. Предлагаемый материал ориентирован на инженеров, обла- дающих базовыми знаниями по технологии производства и электрофизике полупроводниковых приборов. В качестве основы данного пособия взят учеб- ный материал Synopsys Sentaurus Training. Подраздел 5.2 и раздел 6 написаны К.Ю. Осиповым, остальная часть по- собия и общая редакция выполнены Д.Д. Зыковым. Объем аудиторных занятий составляет 10 часов, и 10 часов отводится на самостоятельную работу. Слушателям рекомендуется в процессе переподго- товки по мере освоения учебного модуля пройти самотестирование по вопро- сам, сформулированным в приложении к данному пособию. Д.Д. Зыков, канд. техн. наук, доцент 5 1. ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ (TCAD) Приборно-технологическое моделирование, или TCAD (Technology Com- puter Aided Design), – это область научных знаний и прикладных программных инструментов, позволяющих осуществлять многомерное моделирование инте- гральных полупроводниковых структур, используя в качестве исходной ин- формации описание технологического процесса их изготовления [1, 2]. Достоинствами TCAD являются универсальность, комплексность про- водимых исследований, возможность изучать интегральную структуру в процессе ее формирования, изменять, если потребуется, параметры техноло- гических операций, выбирать оптимальные топологические размеры, места расположения контактов и т.д. В результате использования систем TCAD мы можем не только рассчитывать электрофизические параметры, электрические характеристики интегральных приборов, но и экстрагировать параметры схе- мотехнических моделей, моделировать работу фрагментов схем, частью ко- торых является, например, прибор, представленный как трехмерная инте- гральная структура с заданными распределениями примеси и размерами. Приборно-технологическое моделирование является одним из основных элементов систем автоматизированного проектирования интегральных мик- росхем. Существует несколько причин, по которым прогресс в области микро- и наноэлектроники сопровождается усилением роли приборно-техно- логического моделирования. В наноразмерных структурах практически нет второстепенных парамет- ров, а с уменьшением размеров элементов усиливается взаимосвязь техноло- гических параметров и электрических характеристик интегральных прибо- ров. Применение экспериментальных методов при исследовании областей в полупроводниковых структурах с размерами порядка 1–10 нм не дает высо- кой точности результатов, необходимой для надежного прогнозирования приборных характеристик. Нельзя также обойтись только эксперименталь- ными исследованиями при поиске и оптимизации принципиально новых при- борных структур и конструктивных решений. Разумной альтернативой в этих случаях является использование численного моделирования. В дополнение к этому проблемой реального производства является сохранение высокого процента выхода годной продукции при уменьшении топологических разме- ров и повышении сложности изделий. Сокращение этапа запуска в производ- ство достигается с помощью предварительной отладки и оптимизации техно- логических процессов и конструкций средствами приборно-технологического моделирования. Возможности TCAD позволяют иметь дело с виртуальным производственным процессом. На основе виртуального производства мы мо- жем проводить анализ влияния разброса технологических параметров на приборные и схемотехнические характеристики, выбирать наилучшие реше- ния с точки зрения выхода годных изделий и тем самым работать над повы- шением технологичности выпускаемых микросхем. Подробнее этот вопрос рассмотрен в разд. 3. В условиях сокращения жизненного цикла изделий микроэлектроники и конкуренции между их изготовителями сроки и стоимость этапа разработки 6 новых изделий и технологий имеют определяющее значение. TCAD позволяет в кратчайшие сроки успешно решать проблемы, связанные с разработкой: − базовых технологических процессов; − конструкций интегральных элементов; − проектных топологических норм; − библиотечных элементов. Полученные результаты моделирования являются также необходимой частью информации при принятии решений, включая оперативное управле- ние, краткосрочное планирование, анализ бизнеса и стратегий развития. Современные системы TCAD представляют собой комплекс программ- ных модулей, интерактивных оболочек и средств визуализации, позволяю- щих решать следующие задачи: − моделировать отдельные технологические операции, рассчитывать профили распределения примеси, толщины и электрофизические параметры слоев; − моделировать интегральные структуры, получаемые в результате по- следовательности технологических операций – технологического маршрута; − рассчитывать на основе численного моделирования электрические, оптические, электромагнитные и другие характеристики полупроводниковых структур; − выполнять экстракцию схемотехнических параметров прибора по его электрическим характеристикам, рассчитывать фрагменты схем; − проводить планирование эксперимента, моделировать прохождение «виртуальной партии» пластин по базовому технологическому маршруту с расщеплением входных технологических параметров (сплит-партии); − выполнять оптимизацию параметров технологических операций, тех- нологического маршрута, размеров элементов с целью получения заданных характеристик изделия. В международной технологической дорожной карте для полупроводни- ков (ITRS) существует раздел, посвященный моделированию [3]. На рис. 1.1 представлено начало одной из таблиц ITRS. Как видно из рисунка, в 2012 г. сокращение стоимости разработки тех- нологии за счет использования TCAD должно достигнуть 37 %, а сокращение времени – 39 %. Это подтверждает значимость роли TCAD в мировой полу- проводниковой промышленности. Возможности приборно-технологического моделирования позволяют ис- следовать и оптимизировать приборные структуры самых разных типов. Сре- ди новых направлений можно отметить моделирование глубоко субмикрон- ных транзисторных структур с механически напряженным кремнием, анализ шумов в подложке и эффектов взаимного влияния интегральных элементов через подложку в схемах смешанного сигнала и системах-на-кристалле. По- иск оптимальных решений в проектировании технологических маршрутов и приборных структур рассматривается как одно из основных применений приборно-технологического моделирования и разрабатываемых програм- мных пакетов. 7 о н т с е в з и е н – й ы н с а р к ,о н т с е в з и и ч а д а з е и н е ш е р – т е в ц й ы т л е Ж .ю и н а в о р и л е д о м й о н н е щ я в с о п ,S R T I ы ц и л б а т о л а ч а Н .1 .1 .с и Р 8 В наше время приборно-технологическое моделирование стало связую- щим звеном между дизайн-центрами и производством, обеспечивая разра- ботку и проверку их интерфейса, т.е. проектных норм и библиотечных эле- ментов. Системы TCAD позволяют осуществлять многомерное моделирование интегральных полупроводниковых структур, используя в качестве исходной информации описание технологического процесса их изготовления. Про- граммная среда TCAD реализует концепцию виртуального производства интегральных полупроводниковых структур и обладает широкими возмож- ностями для вовлечения студентов в активный творческий процесс исследо- ваний и разработки конструкций наноразмерных интегральных элементов и технологических маршрутов их изготовления. 2. ОПИСАНИЕ SYNOPSYS TCAD Sentaurus – это платформа TСАD фирмы Synopsys [4]. Объединивший лучшие свойства инструментов проектирования от компаний Synopsys и ISE TCAD, Sentaurus (рис. 2.1) позволяет пользователям решать широкий спектр задач: от создания глубоко субмикронной логики, памяти и цифро- аналоговых приборов до сенсоров, оптоэлектроники и высокочастотной тех- ники [5]. Рис. 2.1. Основные модули Synopsys TCAD Sentaurus Process Sentaurus Process – программный модуль для одно-, двух- и трехмерного моделирования процессов производства кремниевых и сложных полупровод- ников, таких как ионная имплантация, диффузия, окисление, травление и осаждение слоев. Полное моделирование маршрута КМОП-технологии в 3D Стремительное развитие новых технологий требует от инженеров пони- мания физических явлений, происходящих в теле транзистора, для оптимиза- ции его характеристик. Примером может служить расчет механического на- пряжения в области канала, которое влияет на ток транзистора и требует построения трехмерной модели. 9 Введение так называемой MGOALS-библиотеки значительно упростило построение такой модели и существенно сократило затраты машинного вре- мени на этот процесс. MGOALS генерирует высококачественную трехмер- ную сетку, а возможность ослабления критерия Delaunay вблизи границ раз- дела способствует уменьшению требуемого числа узлов и снижает трудоемкость процесса без ущерба для расчета. Моделирование механического стресса Существуют широкие возможности для расчета механического стресса, включая модель рассогласования параметров кристаллической решетки, ко- торая позволяет, например, контролировать напряжения, возникающие в ка- нале SiGe транзистора и влияющие на ток транзистора. Также эта модель учитывает особенности структур на подложках из SiC, GaN, AlGaN. Для расчета упругих свойств кремния в зависимости от кристаллографи- ческого направления используется модель анизотропной упругости. Есть возможность моделирования изгиба пластин. Для более точного прогнозирования стресса вблизи границ раздела слоев применяются граничные условия Neumann’a, что позволяет моделировать эффекты напряжения в кремнии, вызванные взаимодействием тонких пленок (рис. 2.2). Рис. 2.2. Результаты трехмерного моделирования механического стресса Исследование диффузии В моделировании диффузии имеются следующие возможности:  выбор любого нового набора параметров по желанию пользователей программы;  пятипоточная модель диффузии и модель междоузельной кластери- зации бора;  уточненные модели дефектообразования и кластеризации, получен- ные совместно с Университетом Флориды и фирмой FRENDTECH. 10