Введение к работе
Актуальность те.'.м. Прогресе в области микроэлектроники привел к разработке я промышленному производству кремниевых интегральных микросхем (ИМС) большой и сверхбольшой степени интеграции, т.е. БИС и СБИС. Элементы таких схем характеризуются чрезвычайно малыми субмикроннымп размерами активных областей. При этом вследствие продолжающегося процесса их миниатюризации и уплотнения размещения элементов создание новых (переход к УБИС) и оптимизация разработанных ИМС становится трудноосуществима без детального понимания физических процессов, протекающих в различных структурах ИМС, пред-ставлящих собой не только достаточно сложные активные элементы схем, но даже и элементарные фрагменты ИМС. В последнем случае вопрос ставится о детальном и строгом исследовании процессов всех взаимодействий элементов (компонентов) в рамках фрагмента схемы, как единой полупроводниковой структуры, в том числе и "паразитных". Это связано о тем, что последние взаимодействия могут оказывать существенное влияние на свойства схем. Таким образом, необходим подход, позволявший быстро строить строгие теории переноса в практически произвольных структурах (элементах и фрагментах) кремниевых ИМС.
Анализ традиционных подходов физики полупроводниковых приборов, базирующихся на аналитических моделях, приводит к выводу о невозможности их широкого применения для указанной цели. Это связано с двумя главными причинами, а именно: они не удовлетворяет' требуемой степени адекватности моделирования и ориентированы на структуры специальных видов. В то же время использование экспериментальных измерений для этой цели, к сожалению, также невозможно. Это связано с тем, что внутренние характеристики (распределения полей, концентраций подвижных носителей, токов в структурах, на основе которых осуществляется построение строгих теорий физических процессов, протекапцих в полупроводниковых приборах и структурах), в настоящее время не могут быть измерены в элементах БИС и СБИС. Последнее усугубляет сложности рассматриваемой проблемы.
Единственный выход из создавшегося положения заключается в использовании концепции "вычислительного эксперимента", в рамках которой исследование осуществляется на основе распределенных дискретных моделей. Такие дискретные модели, предназначапциеся для анализа практически произвольных структур кремниевых ШЛО, должны быть универсальными (учитывать различные физические эффекты и их многомерность, быть прпгоднкмп для разнообразных структур, для широких
диапазонов прикладываемых напряжений, температур, позволять включать новые модели параметров и т.д.), высокоэффективными (позволять проводить анализ сложных структур в разумные временные сроки на современных ЭВМ), надекшки (допускать получение решения задачи во всех требуемых случаях) и т.д. Указанные свойства и их составляющие находятся в диалектическом противоречии и, следовательно, удовлетворение им является достаточно сложной комплексной проблемой.
Анализ известных разработанных к настоящему времени методов построения и реализации дискретных моделей полупроводниковых приборов и структур приводит к выводу о том, что они не позволяют моделировать (на уровне, необходимой для поставленной цели) структуры кремниевых ИШ различных конструкций практически с произвольным количеством р- п. -переходов не только для переходных режимов их работы, но даже и в стационарных случаях. Выход видится в разработке методологии построения и реализации дискретных моделей, в основу которой полонено интенсивное использование физических принципов,законов и предположений. С ее помощью должен достигаться качественно новый уровень построения и реализации дискретных моделей для структур кремниевых ИМС различных конструкций практически с произвольным количеством р-а-переходов (вплоть до фрагментов ВІС и СБИС).
Цель работы и задачи исследования. Главная цель диссертационной работы состоит В разработке и исследовании методологии построения и реализации двумерных и трехмерных стационарных дискретных физико-топологических моделей, предназначенных для создания строгих теорий переноса в практически произвольных структурах кремниевых интегральных микросхем в нелинейных режимах работы в изотермических условиях и при необходимости учета совместного влияния эффектов сильного легирования, саморазогрева и температуры окружающей среды.
' Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
анализ, выбор и синтез непрерывных моделей, пригодных для адекватного описания физических процессов в практически произвольных структурах кремниевых ИШ в изотермических и неизотермических условиях их функционирования;
разработка и исследование методов построения многомерных дискретных моделей из синтезированных непрерывных моделей;
разработка и исследование методов реализации предложенных дискретных моделей;
разработка на созданной методологической основе концепции построения, методик и алгоритмов высокоэффективного комплекса программ моделирования разнообразных структур кремниевых ИШ, а таїже прак
тическая реализация научно-исследовательского комплекса программ;
- иллюстрация возможностей разработанной методологии на примерах
моделирования самых разнообразных и сложных структур (вплоть до
элементарных фрагментов ИМС) и путем создания строгих теорий мно
гомерных физических процессов, протекающих в ряде характерных
элементов кремниевых И.ЧС.
Методы исследования. При выполнении работы использовались подходы, методы и модели из следующих научных дисциплин: твердотельной электроники и микроэлектроники, физики полупроводников, физики полупроводниковых приборов, математической физики, вычислительной математики, программирования, теории систем автоматизированного проектирования.
Научная новизна и основные защищаемые положения. В диссертационной работе впервые осуществлена постановка и комплексное решение проблемы разработки методологии моделирования стационарных физических процессов, предназначенной для создания строгих теорий переноса в практически произвольных структурах кремниевых Ш.Й в изотермических условиях и при необходимости учета совместного влияния эффектов сильного легирования, саморазогрева и температуры окружающей среды.
В работе обобщены результаты научных исследований, проведенных автором с 1975 по 1992 годы, диссертация подготовлена в рамках докторантуры Минского- радиотехнического института.
На защиту выносятся следующие положения, обладающие научной новизной:
научные обобщения в области моделирования структур ИШ, а именно: систематизация подходов к описанию процессов переноса и синтезу моделей элементов 1ШС; системный'подход к построению и реализации дискретных физико-топологических (дат) моделей; общий метод построения дискретных (физико-топологических и электрических) моделей; классификации методов реализации Д5Т моделей; принцип физической балансировки итерационного решения задачи; классификация программного обеспечения численного моделирования элементов и фрагментов ЕЇС и СЫТО; уточненная физическая интерпретация принципа суперпозиции ;
метод построения сквозной физической формулировки стационарных двумерных и трехмерных дат моделей в изотермических условиях функционирования элементов;
универсальный метод автоматического синтеза эквивалентных схем произвольных структур кремниевых ИШ;
универсальная стационарная двумерная Д6Т модель, учитывающая совместное влияние эффектов сильного легирования, саморазогрева и ,
температуры окружающей среды и в основу которой положено использование разработанной квантовомеханической модели сужения ширины запрещенной зоны в кремнии;
методы реализации Д5Т моделей (выбора начального приближения, одноступенчатый, двухступенчатые, комбинированные, трехступенчатые);
теоретические и экспериментальные исследования методов построения и реализации Д&Т моделей;
концепция построения, методики и алгоритмы комплекса программ одномерного, двумерного и трехмерного моделирования элементов и фрагментов кремниевых ШЗ;
теоретические исследования двумерных и трехмерных физических процессов в самих разнообразных структурах кремниевых ІЇШ.
Практическая ценность работы заключается:
в разработанных методах построения а реализации многомерных ДОТ моделей, концепции построения, методиках и алгоритмах комплекса программ одномерного, двумерного и трехмерного численного моделирования элементов и фрагментов НЮ и СКІС, которые могут использоваться как для автоматизации научных исследований в микроэлектронике, так и для разработки САПР НЮ и СШС в промышленности;
в проведенных теоретических исследованиях многомерных физических процессов в разнообразных структурах кремниевых ІШС.
Реаиный экономический эффект от внедрения разработанного программного продукта составил около 50 тысяч рублей.
Апробация работы, Основные результаты диссертационной работы докладывались, представлялись л обсувдались на УШ Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Москва, 1970г.); Всесоюзной конференции "Автоматизация проектных и конструкторских работ" (Москва, 1979г.); УШ Всесоюзном совещаниитсеминаре "Теория, метода'и программные комплексы автоматизации проектирования современных ЭВМ и их элементов" (Симферополь, 1980г.); Республиканской конференции "Комплексная автоматизация и механизация - основа повышения эффективности производства я качества работы предприятий радиоэлектроники, связи и телевидения" (Минск, 1980г.); Республиканской конференции "Проблемы применения современных радиофизических методов для повышения эффективности производства и автоматизации научных исследований" (Минск, 1981г.); Научной конференции "Актуальные проблемы общественных и естественных наук" (Минск, 1981г.); Республиканской научно-технической конференции "Пути совершенствования технологических процессов, материалов и оборудования в производстве современных изделий радиоэтектроникп" (Минск, 1983г.); Научно-гехннчео-
ком совещании "Перспективы развития производства больших и сверхбольших интегральных схем в XI пятилетке" (Минск, 1983г.); Ш Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Воронел, 1984г.); Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники" (Минск, 1985г.); УШ Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердим телом" (Москва, 1987г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и развития интегрированных автоматизированных систем в проектировании и производстве" (Таганрог, 1987г.); ХП Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987г.); 27 Всесоюзном семинаре по моделированию на ЭВМ радиационных и других дефектов в кристаллах (Одесса, 1988г.); Всесоюзных совещаниях "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (Ярославль, 1988г.; Паланга, 1989г.); Всесоюзных школах-семинарах "Математическое и машинное моделирование в микроэлектронике" (Паланга, 1988, 1989, 1991гг.); Семинарах "Физические процессы в элементах интегральных схем" (Москва, 1990, 1991гг.){семинаре "Проблемы проектирования и производства заказных субмикронных СБИС" (Москва, 1991г.); городском математическом семинаре ИМ АН БССР (Минск, 1986г); совещании по САПР СБИС "АН БССР (Раков, 1987г.); семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и со-груднлков Белгосуниверситега им.В.И.Ленина (1981г.), Минского радиотехнического института (1983, 1984, 1986, 1991гг.); семинаре ФТИ АН СССР (Москва, 1991г.).
Публикации. Результаты проведенных научных исследований отражены в 80 работах. В том числе: монография; 5 отчетов по НИР; 55 статей; 17 тезисов докладов на Всесоюзных и республиканских конференциях, школах и семинарах. В открытой печати опубликовано 68 работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего основные результаты работы, списка используемой литературы и приложения. Общий объем диссертации 540 страниц , из которых 304 страницы основного текста. Работа содержит список литературы на 38 страницах, включающих 322 наименования, 137 рисунгев и 22 таблица на 187 страницах.
