Введение к работе
Актуальность. При создании перспективных сверхбыстродействующих систем автоматики и высокопроизводительных ЭВМ актуальной становится задача разработки тонкослойных субмикронных биполярных транзисторных структур с высоким уровнем самосовмещения. Известные способы не позволяют формировать такие структуры с предельно тонкой пассивной поликристаллической областью эмиттера и воспроизводимыми электрофизическими характеристиками с применением стандартных процессов, материалов и оборудования. Комплексный подход к разработке подобных структур предусматривает широкое применение средств САПР технологического и статистического моделирования.
Уменьшение геометрических размеров полупроводникового прибора выводят задачу получения воспроизводимых электрофизических параметров при его серийном производстве в разряд одной из важных. Кроме того, условия жесткой конкуренции на мировом рынке электронных изделий требуют решения этой проблемы уже на етапе проектирования без применения дорогостоящих и длительных експериментальних методов.
Однако до настоящего времени нет достаточно простых и эффективных подходов и разработанных на их основе программных средств, позволяющих разработчикам биполярных транзисторных структур для сверхбыстродействующих СБИС уже на етапе проектирования проводить прикидочные расчеты по определению коефХиционтов Ецхода годных, матрицы корреляции электрофизических характеристик, степени влияния разброса технологических факторов на параметры структуры и пр.
Отсутствие адекватних експерименту и в тоже время быстрых но времени счета на ORM (около нескольких секунд) программ тех-
нологического моделирования - другая причина, затрудняющая статистический анализ биполярных транзисторных структур на основе имитационного моделирования. К наиболее вакным, и в тоже время длительным при моделировании на ЭВМ, относятся технологические процессы ионной имплантации и примесной диффузии.
Достаточно адекватные експерименту подходы к расчету профилей ионно-имплантировашшх примесей в многослойных структурах на основе метода Монте-Карло или решения кинетического уравнения Больцмана непригодны для аадач статистического моделирования из-за больших вычислительных затрат времени. Применение аналитических моделей ограничено ввиду их приближенного характера, особенно для структур с большими различиями в значениях тормозных способностей слоев. Кроме того, в настоящее время отсутствуют двумерные модели, позволяющие на основе метода моментов расчитывать профили легирования в многослойных мишенях с учетом експериментально наблюдаемой зависимости среднеквадратичного поперечного разброса пробега ионов от-глубины их проникновения.
Процесс высокотемпературного отжиге примесей в тонкослойных транзисторных структурах, наряду с ионной имплантацией, является одним из наиболее длительных при моделировании на ЭВМ. Это вызвано применением численных методов, так как зависимость коэффициента диффузии от концентрации примеси, сложные граничные условия и пр. не позволяют получить решение в аналитическом виде. Тем не менее, достаточно большое число разработанных моделей свидетельствует, что для ряда частных случаев возможен вффектив-ный подход к этой проблеме на основе аналитических, или комбинации аналитических и численных методов. При етом время расчете профилей легирования примеси на ЭВМ существенно меньше, чем при использований только численных методов. Однако до сих пор не существует аналитических или численно-аналитических моделей для
случая високотемпературного отжига при формировании тонкослойной транзисторной структуры с поликристаллическим вмиттером.
Цель работы заключалась в разработке технологических способов и их физико-математическиї моделей формирования физичеокой структуры самосовмещенннх биполярных транзисторов для сверхбыстродействующих СБИС.
Достижение поставленной цели складывалось из решения следующих задач:
разработка способа, позволяющего реализовать транзисторную структуру с тонкой областью активной . базы при оохранении толщины пленки поликристаллического кремния на уровне О,1 мкм и использовании только стандартных материалов, технологических процессов и промышленного оборудования!
выбор оптимальных условий проведения отдельных технологических операций разработанного маршрута?
экспериментальное исследование границы раздела и диффузионных профилей легирования примеси в системе поли- монокрис-таллический кремний (Si -Si);
- - разработка способа, позволяющего формировать на границе раздела Si -Si химически и термически стабильные туннельно-тонкие переходные слои, близкие по составу к стехиометричеекомуі
создание достаточно точных и с малым временем счета на ЭВМ одно- и двумерных математических моделей для анализа и расчета распределения концентрации ионно-имплантированной примеси в многослойных структурах!
разработка численно-аналитической модели диффузии примеси из поликристаллического источника при формировании активной области вмиттера, области пассивной базы, а также исходного профиля' легирования активной области базы»
- разработка аналитической модели совместной диффузии
мышьяка и бора при формировании примесного профиля легирования в сечении области активной базы транзисторной структуры с поликристаллическим емиттером;
- создание эффективного подхода к статистическому моделированию разброса технологических параметров, оказывающего влияние на электрофизические характеристики биполярной тонкослойной транзисторной структуры.
Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами.
-
Для случая многослойных структур с значительными отличиями в тормозных способностях слоев показано существенное влияние физических свойств второго слоя на характер распределения концентрации ионно-имплантированной примеси, особенно вблизи границы раздела. Установлено, что использование аналитических моделей для расчета профиля легирования в таких структурах приводит к неверным результатам. Впервые предложена и подтверждена результатами моделирования по методу Монте-Карло одномерная теоретическая модель, позволягацая на основе метода моментов учитывать влияние обратнораесеянных ионов на характер распределения ионно-имплантированной примеси в многослойных мишенях.
-
Впервые предложена и подтверждена результатами моделирования по методу Монте-Карло двумерная теоретическая модель для многослойных структур, позволяющая на основе метода моментов расчитывать имплантационные профили легирования с учетом експериментально наблюдаемой зависимости среднеквадратичного поперечного разброса пробега ионов от глубины их проникновения.
-
С применеием как аналитических, так И численных методов разработана и подтверждена експериментальними результатами математическая модель диффузии мышьяка из поликристаллического источника (Si ) с учетом изменения концентрации примеси на границе
раздела с течением времени. На основе проведенных експериментальній исследований установлена значительная зависимость коеф-фициента диффузии мышьяка в такой системе от толщины пленки 51 . Сделан вывод о более сильной рекомбинации генерируемых мекдо узелышх атомов в толстых пленках SI . На основе експоненццй%-ного характера распределения мевдоузельных атомов введена Простая аппроксимация коэффициента диффузии мышьяка в монокриотвд-лическом кремнии при наличии пленки Si в рассматриваемом диапй-зоне температур.
4. На основе ряда физических долучений разработана и под-тверадена проведеннши окспериментальными исследованиями теоретическая модель совместной диффузии мышьяка и бора, позволяющая расчитывать профили легирования в системе SI -Si с применением только аналитических методов. На основе моделируемиї и експериментальних результатов оігределени коэффициенты диффузии боря. Выявлено значительное превышение их над равновесными значениями,
Црактичеокая ценность.
-
Показано, что использование пленки Si в качестве .rm$> фузионного источника не только донорной, но и акцепторной приме си для формирования исходного профиля легирования активной области базы позволяет реалиэовывать структуры с меньшим значением толщины базы по сравнению со способом, испольэутим для етого промышленные установки Ионной имплантации (В >25 квВ). Оітррделены оптимальные условия проведения отдельных операций технологического маршрута фсршіроряния транзистора с поликриетилличееким вмиттером.
-
Разработан способ, позволяющий Достигать малых значений толщины активной области базы в биполярной транзисторной структуре при обеспечении минимальной толщины пассивной вмиттерной области (слой SI ) и использовании только стандартных М&ЗДрив-
лов, технологически процессов и промышленного оборудования.
-
Предложен способ формирования на границе раздела Si -si химически и термически стабильного туннельно-тонкого переходного слоя, близкого по составу к стехиометрмческому, с целью улучие-ния воспроизводимости электрофизических характеристик транзисторных структур.
-
Разработанная программа на основе преджженных одно- и двумерных моделей, ионной имплантации позволяет оперативно рассчитывать адекватно экспериментальным данным профили легирования в многослойных мишенях при формировании полупроводниковых приборов.
-
Разработанная программа на основе предложенных численно-анелитичеокой модели диффузии мышьяка, аналитической модели совместной диффузии мышьяка и бора и простой аппроксимации коэф-фициента диффузия мышьяка позволяет оперативно рассчитывать адекватно экспериментальным данным примесные профили в сечении области активной базы биполярной структуры о поликристаллическим вмкттером.
-
Создан аффективный пакет программ сквозного физико-технологического моделирования тонкослойного биполярного тран-зиотора на основе разработанных программ технологического моделирования и квазидвумерной программы физико-топологического моделирования.
-
Разработанный на основе программы сквозного физико-технологического моделирования и предложенной методики статистических испытания на ЭВМ технологического разброса параметров, передаваемого на характеристика транзисторной структуры, эффективный комплекс программ может быть использован в качестве автоматизированного рабочего места не только разработчика, ні и технолога-производственника.
Основные положения, выносимые на защиту.
установленные на основе моделирования оптимальные условия проведения некоторых технологических операция при формировании транзисторной структуры о поликристаллическим эмиттером по способу о предварительным отжигом акцепторной примеси»
способ формирования биполярной транзисторной структуры с малыми значениями толщин пассивного вмиттера и активной бази}
способ формирования переходного слоя на границе раздела Si*-Si;
одно- и двумерная теоретические модели имплантации ионов в многослойные структуры;
- численно-аналитическая математическая модель диффузии
примесей из поликристаллического источника!
установленная на основе экспериментальных и теоретических исследований аппроксимация коеффициента диффузии мышьяка в системе Si -Si}
аналитическая модель совместной диффузии мышьяка и бора в системе Si -Si при формировании биполярной транзисторной структуры с поликристаллическим емиттеромі
. - методика проведения оценочных статистических испытаний на ЭВМ для изучения влияния разброса технологических параметров нв характеристики транзисторной структуры.
Реализация результатов работы. РазработвШіе прикладные програш на основе моделей ионной ймпланттШ в многослойные структуры и перераспределения примесей при совместной диффузии в процессе формирования тонкослойной структуры с поликристал-личееким рмиттером нашли практическую реализацию на предприятии НИМ "Ияучний центр" для организации автоматизированного рабочего места разработчика транзисторных структур.
Апробация работы. Основные результаты работ докладывались и
обсуждались на научно-технических семинарах НПК "Технологический центр" при МТИЭТ, НИИФП, НИММЭ и совещании "Новые материалы для микроелектроники на основе тугоплавких материалов" (г.Рига, 1992г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, получено свидетельство на регистрацию программы.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 116 страницах машинописного текста, иллюстрируется 26 .рисунками, 4 фотографіями и 12 таблицами и состоит из введения. 5 глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и приложения на 46 страницах.
