Введение к работе
Актуальность темы
В современной микроэлектронике все шире используются интенсивные потоки заряженных частиц, поведение которых в значительной мере определяется коллективными процессами ансамбля частиц, что требует решения проблемы их устойчивости, ускорения и фокусировки, а также управления потоками заряженных частиц (электронов и ионов) с учетом влияния собственных электрических и магнитных полей. Для этого необходимо провести: (1) теоретические исследования условий возникновения неустойчивостей и возможностей зарядовой и токовой компенсации потоков во внешних и самосогласованных электромагнитных полях; (2) построение и реализацию адекватных численных моделей для решения системы самосогласованных уравнений; (3) численное моделирование коллективных процессов в таких устройствах для определения оптимальных условий, обеспечивающих подавление и стабилизацию вредных неустойчивостей и программированное развитие полезных, рациональное управление собственными электромагнитными полями, в частности, зарядовую и токовую компенсацию пучков заряженных частиц, максимальный к.п.д., необходимый диапазон выходных параметров моделирумых установок, а также (4) отдельных модулей технологических процессов построения планарных ультра - больших интегральных схем (ультра-БИС) в микроэлектроннике. Осуществление последней задачи требует детального изучения физических и математических моделей коммерческих программ, а также условий их применимости и методов фитирования параметров для адекватного моделирования процессов и приборов; построение эффективных методик для интеграции отдельных программных модулей в единую «технологическую линию»; и проведение экспериментов (численных и реальных) для подтверждения разработанных методик и возможности их использования для оценки полезного выхода БИС.
В конце 70-х, начале 80-х годов 20-ого столетия особое внимание в вычислительных науках уделялось задачам исследования нелинейных процессов
в плазменных системах и полупроводниковых приборах, явления в которых описываются системами кинетических уравнений (например, системой уравнений Власова-Максвелла). Одна из актуальных задач современной микроэлектроники и физики плазмы состоит в исследовании нелинейных структур, образование которых связано с коллективными процессами в открытых системах пучкового типа. Это можно сделать только в рамках нелинейной самосогласованной теории открытых систем и часто недостаточно ограничиваться одномерным приближением, где автором, под руководством д.ф.-м.н. Ю.С.Сигова, были разработаны принципиально новые подходы и способы реализации метода макрочастиц для открытых систем. Развитие метода макрочастиц для исследования коллективных процессов взимодействия заряженных частиц в реальных приборах и установках явилось естественным продолжением перспективных разработок, начатых в кандидатской диссертации автора.
Автором, в рамках системы уравнений Власова-Максвелла, были разработаны математическая модель, численный алгоритм и 2.5-мерный электромагнитный код для кинетического моделирования. При реализации физических и математических моделей в виде компьютерных программ актуальной и перспективной оказалась методика создания программных пакетов из функциональных блоков. Это позволило использование единого 2.5-мерного электромагнитного кинетического пакета для (1) проведения компьютерной оптимизации параметров пучков заряженных частиц и параметров линейного индукционного ускорителя и избежать постановки дорогостоящих экспериментов и ряда технологических проблем при конструировании реальной установки; (2) численного моделирования динамики заряженных пучков в микровакуумных ячейках с точечным и кольцевым эмиттером и магнитосенсоров, функционирование которых определяется управлением пучков электронов во внешнем электрическом и/или электромагнитном полях с учетом самосогласованных полей пучка; и (3) оптимизации электростатических и магнитных линз плазменого источника низко-энергетичного ионного пучка для
однородной имплантации ионов на поверхность полупроводниковых подложек до 300 мм в диаметре.
Бурное развитие полупроводниковой технологии в 1980 - 1990-х годах 20-ого столетия привело к необходимости привлечения численных методов для предсказания и преодоления физических и технологических проблем в микроэлектронике и инициировало образование крупных компаний для создания коммерческих пакетов программ, называемых TCAD (Technology Computer Aided Design), используемых как для оптимизации отдельных модулей технологического процесса (имплантации, диффузии, травления, фотолитографии и т.д.), так и эмулирования технологической цепочки построения приборов и оптимизацию их характеристик. Существует ряд программных пакетов (software), успешно используемых в полупроводниковой индустрии США и Европы, для моделирования профилей легирования и оптимизации процессов создания приборов больших интегральных схем (БИС) (TSUPREM4, MEDICI - Synopsis), программы для моделирования процесса фотолитографии и модификации технологических масок для коррекции эффектов оптической близости (CALIBRE, MentorGraphics), моделирования и оптимизации параметров тонких плёнок и оценки допусков фотолитографического процесса -для учёта неравномерности распределения резиста и неравномерности толщин тонких плёнок на поверхности подложки (Prolith) и т.д. Однако, существующие коммерческие программы предназначены, в основном, для моделирования и оптимизации отдельных модулей процесса, состоящего из сложной последовательности операций. Проблема интеграции модулей в единую «виртуальную технологическую линию» для учёта влияния статистических вариаций процесса на характеристики приборов является актуальной, т.к. работа и надежность конечной БИС зависит от взаимодействия между модулями процесса.
Разработанная автором методология интеграции коммерческих програм-мых кодов в «виртуальные технологические линии», была внедрена для моделирования технологического процесса и выходных характеристик МОП
(NMOS/PMOS) транзисторов и диодов и оценки влияния статистических вариаций процесса на время задержки сигнала в цепи БИС и коэффицента полезного выхода приборов и подтверждена эмпирическими данными в технологиях 0.25 мкм, 0.18 мкм и 0.13 мкм. Методология конструирования «виртуальной линии» была также применена для оценки влияния вариаций технологического производства фазовых масок на характерные размеры элементов интегральных цепей в технологиях 90 нм и 65 нм.
Таким образом, диссертационная работа, в которой проведены теоретические исследования, созданы компьютерные программы и программные комплексы, численно промоделированы колективные процессы в структурах и установках плазменной и микро- электроники, а также осуществлена комплексная оптимизация характеристик приборов БИС посвящена решению актуальных проблем.
Связь работы с научными программами, планами, темами
Выбранное направление, создание 2.5-мерного программного комплекса моделирования для исследования динамики и оптимизации пучков, было связано с выполнением: базовой "Программы работ по атомной науке и технике НИЦ ХФТИ на период 1992-2000 гг.", выполняемой согласно постановлению Кабинета Министров СССР № 558 от 20.07.1993г.; проекта Государственного фонда фундаментальных исследований (ГФФИ) № 9.02.02/020-92 "Создание сильноточного линейного индукционного ускорителя на энергию 3-5 МэВ для исследований в области плазменной электроники и инерциального термоядерного синтеза на пучках тяжелых ионов" (закончился в 1996 г); проекта ГФФИ № 1/2.52/38 "Разработка физических основ создания сильноточных импульсных линейных индукционных ускорителей для тяжелоионного синтеза и технологических применений" (закончился в 2000 г.). Адаптация программы для исследования и оптимизации цилиндрических микровакуумных ячеек и магнитосенсоров была частично поддержана РФФИ в 1994-98 годах, проекты № 95-01-00384 и №97-01-00070. Создание "виртуальных технологических линий"
диктовалось необходимостью быстрой интегральной оценки влияния вариаций технологических процессов в заданном диапазоне технологических допусков для надежной работы БИС в микроэлектронных технологиях 0.25 мкм, 0.18 мкм, 0.13 мкм, 90 нм, 65 нм при выполнении проектов для предприятияй микроэлектроной промышленности по производству ультра-больших интегральных схем.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является понимание и адекватное описание физических процессов в микроэлектронных структурах, позволяющее оптимизировать характеристики, технологию производства и тестирования приборов микроэлектроники. Так как в приборах микроэлектроники все шире используются интенсивные потоки заряженных частиц, поведение которых в значительной мере определяется их собственными электромагнитными ПОЛЯМИ, то возникают проблемы их устойчивости, ускорения и фокусировки, а также управления потоками заряженных частиц (электронов и ионов) с учетом влияния собственных электрических и магнитных полей. В ходе работы необходимо было выполнить:
теоретические исследования условий возникновения неустойчивостей и возможностей зарядовой и токовой компенсации потоков во внешних и самосогласованных электромагнитных полях;
построение и реализацию адекватных численных моделей для решения системы самосогласованных уравнений Власова-Максвелла в открытых системах с цилиндрической симметрией (2.5-мерной геометрией);
численное моделирование коллективных процессов для определения оптимальных условий, обеспечивающих подавление и стабилизацию вредных неустойчивостей и программированное развитие полезных, рациональное управление собственными электромагнитными полями, в частности, зарядовую и токовую компенсацию пучков заряженных частиц, максимальный к.п.д., необходимый диапазон выходных параметров моделирумых установок и приборов;
калибровку и фитирование физических и математических моделей
коммерческих программ, а также исследование условий их применимости для
оптимизации модулей технологических процессов построения планарных
ультра - больших интегральных схем (ультра-БИС) в микроэлектроннике;
интергацию отдельных модулей в единую «технологическую линию»;
проведение экспериментов (численных и реальных) для подтверждения разработанных методик и возможности их использования для оценки полезного выхода БИС.
Объектом исследования является: 1) формирование неустойчивостей, а также ускорение и управление пучками заряженных частиц в пучково -плазменных системах в самосогласованных и внешних электро-магнитных полях; 2) оптимизация параметров электронных и ионных пучков в микровакуумых приборах, плазменных источниках и ускорителях пучков; 3) оптимизация модулей технологического процесса формирования БИС на Si полупроводниковой подложке в технологиях 0.25 мкм, 0.18 мкм и 0.13 мкм; 5) модификация технологических масок для улучшения изображения элементов ИС в технологиях нанометрового диапазона 90 нм и 65 нм.
Предметом исследования является: 1) учет влияния собственных полей
пучков заряженных частиц на их устойчивость, ускорение и динамику
распространения пучков в микровакумных приборах, индукционных
ускорителях и плазменных источниках; 2) учет взаимодейсвия между отдельными модулями технологического процесса и влияния вариаций процесса на конечные характеристики элементов интегральных схем и полезный выход ультра-БИС.
Метод исследований состоит в применении методов математического анализа и математической физики; методов теории физики пучков заряженных частиц, физики плазмы и физики полупроводниковых приборов; методов компьютерного моделирования; и методов статистического анализа для обработки результатов численных экспериментов и эмпирических данных.
Научная новизна полученных результатов
Диссертационная работа посвящена изучению динамики заряженных частиц плазменных и плазмоподобных конфигураций во внешних и самосогласованных электрических и электромагнитных полях, а также оптимизации топологии и выходных характеристик приборов микроэлектроники и плазменной электроники. Наиболее существенные новые результаты, полученные автором, приведены ниже:
- Впервые построены модели открытых плазменных систем на основе метода
макрочастиц для решения системы уравнений Власова-Максвелла в
самосогласованных (с учетом собственных полей) электрических и
электромагнитных полях и разботаны алгоритмы, эффективно реализующие эти
модели на компьютерах с ограниченым объёмом оперативной памяти и
быстродействием (1987-1997, БЭСМ-6 и персональных компьютерах типа РС-
386). Комплексы компьютерных программ в 2.5-мерной геометрии,
разработанные, написанные и оттестированные автором, являлись базовым
инструментом для исследования колективных процессов в структурах микро- и
плазменной электроники.
- На основе созданных моделей автором впервые исследованы процессы
устойчивости, транспортировки и ускорения пучков заряженных частиц с учетом
самосогласованных электромагнитных полях в микроячейках с полевым
эмиттером, плазменных источниках и индукционных ускорителях.
- Впервые методом 2.5-мерного кинетического моделирования
выполнена оптимизация топологии и контрольных параметров электронного пучка в геометрии цилиндрической полевой микроячейки с кольцевыми электродами на боковой поверхности и продемонстрировано приложение ячейки в качестве элемента массива полевых микроячеек (Field-Effect-Array - FEA) и/или магнитосенсоров;
оптимизировано, с точки зрения обеспечения высокой яркости сильноточного ионного пучка, его ускорение, транспортировка и
устойчивость в индукционном ускорителе. В частности, найдены оптимальные условия, при которых, несмотря на значительное превышение его собственных электромагнитных полей над внешними, можно обеспечить при высоком (более 50%) к.п.д. малый энергетический и угловой разброс сильноточного ионного пучка благодаря обеспечению выбором параметров системы однородности его зарядовой и токовой компенсации, однородности ускорения по радиальному сечению и устойчивости относительно наиболее опасных (пучковой и филаментационной) неустойчивостей ионного пучка.
показана принципиальная возможность выполнения широко-пучковой
имплантации ионов на полупроводниковых подложках до 300 мм в
диаметре.
- Для интегральной оптимизации ультра-БИС в микроэлектронике автором
впервые разработаны «виртуальные технологические линии», в которых
ключевые процессы моделируются с помощью коммерческих программ, а
передача и обработка информации из одного пакета в другой осуществляется с
помощью программного интерфейса, разработанного и написанного автором.
- Впервые «виртуальные технологические линии» были использованы
для предсказания времени задержки сигнала в окне технологических вариаций главных структурных параметров транзисторов БИС таких как длина затвора, толщина подзатворного окисла и ширина спейсера, а также для оценки коэффициента полезного выхода при учете статистических вариаций процесса в технологиях 0.25 мкм, 0.18 мкм и 0.13 мкм (1999-2001).
для оценки влияния вариаций контрольных параметров производства фазовых технологических масок, используемых в процессе фотолитографии для переноса элементов электрических цепей компьютерных чипов на поверхность полупроводниковых подложек, на качество изображения в технологиях нанометрового диапазона 90 нм и 65 нм (2002-2006).
Практическое значение полученных результатов
Предложена геометрия и выполнена оптимизация параметров цилиндрических микровакуумных ячеек с кольцевым полевым эмиттером для усилителей по току и магнитосенсоров, что задаёт топологические параметры и диапазон выходных характеристик элементов массива полевых эмиттеров.
Внесен существенный вклад в создание физических основ построения сильноточных ионных индукционных ускорителей.
Выполнена оптимизация электромагнитных линз в плазменном источнике для получения однородного по площади распределения пучка ионов имплантируемого на полупроводниковую подложку до 300 мм в диаметре.
Построена виртуальная система - Формирование Прибора - Электрическое Тестирование - Статистический Анализ - Частотные Характеристики, которая использовалась для оптимизации и тестирования процессов построения планарных приборов БИС и влияния статистических вариаций процессов на электрические и частотные характеристики приборов в технологиях БИС на 0.25мкм, 0.18мкм и О.ІЗмкм. Внедрённая система использовась также для оценки рабочего диапазона пороговых напряжений и токов насыщения приборов, обеспечивающих надёжную работу чипа - коэффициента полезного выхода.
Построена виртульная система - Шаблон - Фотолитография - Метрология -Статистический Анализ, использованная для оценки квалификационных допусков в производстве фазовых шаблонов, и выполнения анализа влияния вариаций в производстве фазовых шаблонах на качество изображения и характерные размеры элементов микросхем, переносимых с шаблона на полупроводниковую подложку с помощью фотолитографического оборудования в технологиях производства микросхем нано-метрового диапазона (90нм и 65нм).
Личный вклад соискателя
В исследование, выполненное в рамках настоящей диссертационной работы, автором внесен определяющий вклад в постановку и решение задач; разработку моделей, алгоритмов и программ; проведение компьютерных и аналитических расчетов; планирование и выполнение численных и реальных экспериментов и анализ результатов компьютерных расчётов и эмпирических данных. Автором лично предложены и выполнены эксперименты для учёта статистических влияний производства фазовых шаблонов на характерные размеры приборов интегральных схем в технологиях 90нм и 65нм. Её идеи легли в основу оригинальных моделей для исследования коллективных явлений в отрытых плазмоподобных системах и методик построения витуальных технологических линий для комплексной оптимизации приборов БИС. Непосредственное участие коллег автора диссертации в исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах. Результаты, составляющие научную новизну диссертационной работы и выносимые на защиту, получены автором лично.
Личным вкладом соискателя в работы [А1-А4, А6-А8,А12-А14,А16,А17,А19,А22-А25] создание моделей, алгоритмов и компьютерная реализация 2.5-мерного полностью релятивистского электромагнитного кода; постановка и выполнение численных экспериментов; изобретение и реализация способов дополнительной инжекции тепловых электронов для эффективной компенсации объёмного заряда ускоренного ионного пучка для случая, максимально приближенного к эксперименту; определение оптимальной толщины толстостенного ионного пучка, при которой сохраняется однородность компенсации (зарядовой и токовой) и ускорения по радиальному сечению ионного пучка, топологический анализ полученных закономерностей; определение условий прохождения электронного пучка и инжектируемых тепловых электронов через ускоряющие промежутки с целью обеспечения зарядовой и токовой компенсации сильноточного ионного пучка.
Личным вкладом соискателя в работы [А5,А9-А11,А15,А18,А20,А21,А26] является построение моделей и адаптация 2.5-мерного кода для исследования
процессов в мировакуумных цилиндрических приборах и выполнении численной оптимизации топологии и параметров электронных пучков и приложенных напряжений для эффективной работы полевого эмиттера и магнитосенсоров. В работе [А27] соискатель моделирование процесса экстракции и проведения низкоэнергетического ионного пучка через электромагнитные линзы плазменного источника с целью получения однородного распределения имплантируемых ионов на поверхности полупроводниковой подложки диаметром до 300мм.
Личным вкладом соискателя в работы [А28-А36] яляется разработка методик и создание «виртуальных технологических линий» из пакетов коммерческих программ для численной оптимизации отдельных модулей технологических процессов в полупроводниковой промышленности, выполнение калибровки параметров физических и математических моделей коммерческих программ для фитирования и предсказания характеристик приборов ИС; выполнение интегральной оптимизации выходных характеристик микроэлектронных приборов и оценки коэффициента полезного выхода БИС при учете статистических вариаций технологического процесса; планирование и выполнение экспериментов, включающих сбор и анализ эмпирических данных. Автором выполнена калибровка параметров физических и математических моделей, используемых в коммерческих программах, для предсказания эмпирических профилей легирования и электрических характеристик в технологиях БИС на 0.25мкм, 0.18мкм, О.ІЗмкм. Автором выполнено создание программного блока, моделирущего процесс производства фазовых шаблонов с учётом статистических (Монте-Карло) вариаций, блока, эмулирующего процесс измерения характерных размеров изображений с помощью сканирующего электронного микроскопа, и блока для расчета и анализа статистических характеристик.
Апробация результатов диссертации
Материалы диссертации были представлены и докладывались на научных конференциях, рабочих группах и семинарах.
Результаты исследований, выполненные с помощью 2.5-х мерных моделей, докладывались на Международном симпозиуме по инерциальному термоядерному синтезу на тяжелых ионах (г. Монтерей, Калифорния, США, 1990 г.); 10-ой и 12-й Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц (BEAMS'94, г. Сан-Диего, США, 1994) и (ВЕАМ'98, г. Хайфа, Израиль, 1998); 6-м Межгосударственном семинаре "Плазменная электроника и новые методы ускорения" (г. Харьков, Украина, 1998 г.); 16-м Международном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (г. Алушта, Украина, 1999); 27-й Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г. Звенигород, Россия, 2000); 13-й Международной конференции по мощным пучкам заряженных частиц BEAMS'2000 (г. Ниигата, Япония, 2000); 7-м Межгосударственном семинаре "Плазменная электроника и новые методы ускорения" (г. Харьков, Украина, 2000); 7-ой Международной конференции по вакуумной микроэлектронике (IVMC94, г.Гренобль, Франция, 1994); 4-ом Международном семинаре по моделированию приборов и технологий (ISSDT'95, Берген-Дал, Южная Африка, 1995); 9-ой Международной конференции по вакумной микроэлектронике (IVMC96, Санкт-Петербург, Россия, 1996); 5-ой Международной конференции по оптике заряженных частиц (г. Делфт, Нидерланды, 1998);
Результаты исследований, выполненные с помощью построенных «виртуальных технологических линий», докладывались на 1- ом международном симпозиуме по процессам интеграции ультра-БИС (Гавайи, США, 1999); на 23-й Международной конференции по физике полупроводниковых приборов (CAS-2000, Румыния, 2000); на Международной конференции по моделированию процессов и приборов полупроводниковых технологиях (SISPAD-2001, г.Сиэттл, США, 2001); 23-и и 24-ом Ежегодном международном симпозиуме по технологии фотошаблонов (BACUS - SPIE, г.Монтерей, США, 2003, 2004); на
Международной конференции по дизайну и процессам в микроэлектронной промышленности (SPIE'2004, г.Санта-Клара, США); Всероссийской конференции «Микро- и наноэлектроника», Звенигород 1998; на научных семинарах Физико-технологического института РАН (2000, 2005).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 36 научных работах, включая статьи в отечественных и зарубежных журналах, статьи в трудах международных конференций и симпозиумов. Все работы, за исключением А28, опубликованы под девичьей фамилией соискателя (Белова), которую автор использовал в качестве рабочего имени на протяжении всей научной карьеры. Перечень публикаций приведен в заключительной части автореферата.
Структура и объем диссертацийной работы
Основной текст диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения и 2-х приложений. Каждая из глав имеет свой список литературы и раздел «Выводы», в котором суммируются полученные в ней результаты. Положения, выносимые на защиту формулируются в разделе «Заключение». В приложения 1 и 2 вынесены результаты оптимизации параметров и топологии элементов перспективного оборудования (линейных идукционных ускорителей и плазменных источников), которые могут быть использованы в микроэлектронной технологии.
Общий объём диссертационной работы составляет 217 страниц печатного текста, включая список публикацийй автора по теме диссертации, библиографию и 2 приложения. Диссертация содержит 67 рисунков и 26 таблиц. Список использованных литературных источников состоит из 165 наименований.
