Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке аналитических моделей МОП-структур и транзисторов на их основе с субмикронными размерами с целью использования й системах автоматизированного проектирования (САПР) интегральных схем (ИС) и в системах оперативного контроля технологических процессов.
Актуальность проблемы.
Непрерывное совершенствование изделий микроэлектроники связано с увеличением степени интеграции микросхем и уменьшением характерных размеров отдельных элементов, существенным усложнением технологических и контрольно-измерительных процессов, В настоящее время активно обсуждаются перспективы перехода к МОП-технологии с размерами меньше 0,1 микрона [1,2].
Современная технология разработки сверхбольших
интегральных схем (СБИС), а также методы оперативного
у/
Контроля при их производстве основаны на использовании
математических моделей высокого уровня сложности.
В настоящее время" в зависимости от рассматриваемых задач используются либо одномерные аналитические и полуэмпирические модели, либо двух-,- трехмерные численные модели.
Использование точных численных моделей элементов ИС связано с большими вычислительными затратами и ограничено исследовательскими задачами. Такое моделирование можно рассматривать как численный эксперимент.
Что касается задач САПР, то для схемотехнического проектирования СБИС традиционно . используются полуэмпирические модели элементов типа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) [3], основанные на приближении плавного канала.
Успешное использование таких моделей существенным образом зависит как от числа подгоночных параиетров, так и от способа решения обратной задачи для их определения (экстракции). Поэтому, актуальной является задача разработки таких моделей, которые корректно учитывали бы физические особенности субмикронных МОП-структур и одновременно были бы простыми для использования в САПР и при оперативном контроле технологических процессов.
Целью работы являлась разработка, не прибегая к двухмерным численным расчетам, -. таких аналитических моделей субмикронных МОП-структур, которые а области своей применимости:
1)учитывают профиль легирования подзатворной области МОП-структур с ' мелким (субмикронной глубины) р-п
переходом,
2)учитывают короткоканальные эффекты в субмикронном МОП-транзисторе,
3)позволяют производить экстракцию геометрических и электро-физических параметров из экспериментальных характеристик,
4)существенным образом сокращают, по сравнению с существующими моделями, вычислительные затраты при использовании в . САПР и оперативном контроле технологических процессов.
- 5 -Научная новизна.
-
Впервые разработана аналитическая модель статической вольт-фарадной характеристики (ВФХ) МОП-структуры, которая не накладывает каких-либо ограничений на характер распределения легирующей примеси в подложке и позволяет учесть наличие мелкого р-п-перехода.
-
Впервые, в рамках квазидвуыерной модели, последовательно учитывающей вклад поперечной составляющей электрического поля в канале и другие корогкоканальные эффекты, получено аналитическое выражение, единым образом описывающее крутой и пологий участки вольт-амперной характеристики (ВАХ) короткоканального МОП-транэистора без введения понятий отсечки и модуляции длины канала.
-
Впервые, на основе нетрадиционного метода л-мериой квадратичной , сплайн-интерполяции, получен алгоритм встраивания выражений, описывающих электрофизические . характеристики элементов ИС (в частности ВАХ МОП-транзистора), а программу -схемотехнического моделирования, обеспечивающий независимость количества вычислительных операций от сложности используемых формул.
-
Для определения геометрических характеристик НОП-структур субмикронных размеров, таких как длина затвора транзистора, по результатам наблюдения их в оптический микроскоп, впервые получено простое выражение для распределения интенсивности видеосигнала и предложен вариант решения обратной задачи (восстановление отражательной способности по наблюдаемому видеосигналу).
Практическая значимость результатов работы заключается в:
-
Получении параметров профиля легирования подложки с мелким p-n-переходом при оперативном контроле технологических процессов путем экстракции из экспериментальных ВФХ МОП-структуры с точностью 5-10%.
-
Адекватном описании короткоканальных эффектов при моделировании ВАХ МОП-транзистора, что получило экспериментальное подтверждение' вплоть до длины канала 0,5 мкм.
-
Существенном уменьшении количества вычислений для получения значения каждой точки ВАХ МОП-транзистора при схемотехническом моделировании ИС.
-
Определении геометрических размеров субмикронных элементов ИС, при оперативном контроле с помощью стандартных оптических микроскопов.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы по моделированию ВАХ элементов ИС внедрены в программу схемотехнического моделирования САПР "КИПАРИС", который используется в Государственном Научно-исследовательском Институте Физических Проблем им. Ф.В. Лукина и Московском Государственном Институте Электронной Техники (МГИЭТ), что позволило решать задачи расчета аналого-цифровых ИС с большей, чем для аналогичной программы SPICE, размерностью.
На защиту выносятся.
1) Аналитическая модель статической ВФХ' МОП-структуры с неоднородно легированной подложкой, допускающая образование мелкого, с субмикронной глубиной залегания, р-п перехода.
-
Квазидвумерная аналитическая модель субмикронного МОП-транзистора, последовательно учитывающая основные короткоканальные эффекты и непрерывным образом описывающая как крутой, так и пологий участок ВАХ.
-
Алгоритм включения модели элементов ИС в программу схемотехнического моделирования, разработанный на основе нетрадиционной л-мерной квадратичной сплайн-интерполяции.
-
Аналитическая модель формирования оптического изображения, получаемого от субмикронных элементов интегральных схем для определения геометрических размеров при некогерентном, монохроматическом и неполяризованном освещении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на отраслевом семинаре в г.Кишиневе 1989г., на VI Всесоюзном совещании в Г.Ростове 1990г., на Всесоюзной научно-технической конференция "Метрологические . проблемы . микроэлектроники" в п.Игнделеево, Московской области,-1991г., иа симпозиуме ^Microelectronic Manufacturing 95", Austin Texas USA, 1995, October. и Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика-97", в г.Москве 1997г.
Публикации. Результаты . диссертационной работы опубликованы в 15 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (59 наименований) и одного приложения,
- 8 -изложена на 124 листах машинописного текста, включает 15 рисунков, 6 таблиц.
