Введение к работе
Прогресс кремниевой интегральной электроники реализуется в разработке высокопроизводительных вычислительных и радиоэлектронных систем ча базе больших интегральных схем (БИС), новых классов сверхБИС (СБИС), содержащих миллионы приборных структур, и сверхскоростных :верхБИС (С3БИС), работающих в высокопроизводительных и суперЭВМ на зысоких рабочих частотах. При проектировании и разработке СБИС, С БИС човые методы, средства и системы математического моделирования и автоматизированного проектирования становятся все более актуальны. Решаю-цую роль в эффективной разработке элементно-технологической базы играет внедрение развитых систем автоматизированного проектирования (САПР) г. подсистемами технологического, физико-топологического, физико-техно-тогического, схемотехнического, приборно-схемотехнического, логико-временного (функционального) моделирования и расчета С БИС. Необходимость использования систем адекватного сквозного многоуровневого численного моделирования элементно-технологической базы кремниевых Z БИС вызвано огромной сложностью ее разработки, требованиями обеспечения конкурентных функционально-эксплуатационных параметров по срав-чению с GaAs-БИС, сокращению сроков и стоимости проектирования, опги-чизации технологических и системных параметров, достижения предельных для данного уровня технологии в режиме нормальных и криогенных темпе-эатур быстродействия и степени интеграции.
Решение ряда острейших проблем разработки кремниевых биполярных :3БИС, работающих в субнаносекундном и пикосекундном диапазоне перек-іючения ее базовых логических элементов (ЛЭ), с небольшим потреблением мощности в десятки микроватт, требует применения новых методов, точных физических моделей, численных алгоритмов и программ для математического моделирования всех этапов изготовления, функционирования и испытания С3 БИС.
Стремительный прогресс кремниевой субмикронной технологии, предельное уменьшение горизонтальных и вертикальных размеров активных элементов биполярных С3БИС и повышение их высокочастотности потребовал эт разработчиков использования нетрадиционных подходов при разработке новых процессов, идентификации и оптимизации структур ЛЭ и фрагментов : БИС. Для того чтобы связать технологические параметры с электрическими и функциональными характеристиками компонентов, ЛЭ и фрагментов - БИС, необходимо дальнейшее развитие подхода сквозного многоуровневого моделирования, заключающегося в следующем.
Программы технологического моделирования по процессному маршруту
и физическим моделям основных операций изготовления транзисторны структур (ТС) рассчитывают одномерный и двумерный профили примеси в всех областях ТС. Данный профиль примеси, вместе с другими электрофи зическими параметрами, геометрическими размерами и особенностями фор мируемых топологий ТС является основной входной информацией для прог рамм второго уровня - физико-топологического (Ч>Т). В результате ФТ мо делирования рассчитываются электрические характеристики ТС, по которы идентифицируются параметры электрической компонентной модели ТС.
Программы смешанного приборно-схемотехнического и схемотехничес кого моделирования позволяют рассчитать основные электрические харак теристики ЛЭ и фрагментов С3БИС невысокой размерности. Наконец, прог раммы логико-временного и функционального моделирования, используя ре зультаты схемотехнического или смешанного приборно-схемотехническог расчета, рассчитывают характеристики фрагментов и всей С3БИС высоко размерности.
В эффективности рассматриваемого подхода адекватного сквозног моделирования и идентификации параметров ТС, ЛЭ и фрагментов С3БИС ре шающую роль играет разработка соответствующих точных физических моде лей на каждом программном уровне, алгоритмических методов стыковк уровней, а также методов машинной идентификации параметров ТС, ЛЭ фрагментов С3БИС.
Разработка физико-математических моделей технологических процес сов, в первую очередь, ионной имплантации и диффузии, а также соот ветствующего алгоритмического обеспечения позволяет оценивать многи характеристики приборов и простейших БИС до появления первых тестовь образцов. Фактические расчеты по программам комплексного одномерного двумерного физико- технологического моделирования призваны заменит ряд дорогостоящих натурных экспериментов, которые обычно проводятс для получения требуемых характеристик компонентов схем.
Кардинальный путь развития адекватного численного расчета С БИС устранения недостатков чисто схемотехнического подхода на основе одні электрических моделей компонентов состоит в структурном объединен уровней схемотехнического и численного ФТ моделирования в едином про: раммном комплексе комбинированного приборно-схемотехнического моделі рования (ПСМ) С3БИС. Ввиду значительных вычислительных затрат смешаї ного многомерного приборно-схемотехнического и комбинированного СХ( мо-логического уровней моделирования особую актуальность приобрета» методы стыковки и алгоритмической адаптации в рамках многоуровневої
ірограммного комплекса для обеспечения компромисса точности и минимизации вычислительных затрат.
Цель работы - разработка численных физических моделей процессов, ;труктур и элементов, развитие и использование методов физико-техноло -ического и сквозного многоуровневого адекватного моделирования для зысококачественного машинного проектирования кремниевых биполярных :3 БИС (в нормальном и криогенном режимах), идентификации параметров и зптимизации масштабированных транзисторных структур логических элементов и фрагментов микросхем.
Актуальность работы обусловлена следующими факторами и задачами, решаемыми в диссертации:
-
Переход к субмикронным самосовмещенным ТС с микротопологиями современных и перспективных С3БИС, неадекватность и значительная погрешность упрощенных одномерных и двумерных моделей формирования профи-іей делает необходимым адекватный расчет профилей примесей на основе точных физических моделей в одномерном и двумерном приближении.
-
Сложность и трудоемкость "физического" моделирования базовых іроцессов технологического маршрута : имплантации, диффузии и окисле--шя в многомерном приближении требует разработки компромиссных в отно-дении точности и сложности расчетов полуэмпирических моделей адекват--юго низко- и высокоэнергетичного ионного легирования для программ численного расчета последовательности технологических операций в двумерном приближении.
-
Увеличение степени легирования полупроводниковых областей са-чосовмещенных п-р-п и р-п-р ТС для перспективных комплементарных бипо-пярных (КБИ), БИКМОП, КБИКМОП С3БИС в нормальном и криогенном режимах требует учета в ФТ моделях модификации фундаментальной системы уравнений (ФСУ) полупроводника, адекватного описания электрофизических параметров от концентрации, температуры и совокупности эффектов сильного легирования. Особую актуальность представляет разработка нового класса адекватных ФТ моделей ТС в криогенном режиме и соответствующего программно-алгоритмического обеспечения адекватных расчетов с приемлемой точностью и невысокими вычислительными затратами.
-
Вследствие микротопологии используемых в С3БИС ТС и использования высоких плотностей тока для обеспечения требуемого технологического и системного быстродействия ЛЭ, возрастания роли совокупности эффектов высокого уровня инжекции и топологических эффектов ТС возрастает роль синтеза компактных сосредоточенных, а также эффективных расп-
ределенных электрических моделей ТС для высококачественных схемотехнических расчетов ЛЭ и фрагментов С3БИС невысокой размерности.
-
Тенденция уменьшения горизонтальных и вертикальных размеров Т( с микротопологией современных и перспективных С БИС, значительные погрешность и трудоемкбсть экспериментальной идентификации электрически: параметров ТС и ЛЭ делает крайне полезным и даже необходимым этап машинной идентификации их электрических параметров.
-
Высокое качество проектирования С3БИС возможно только при глу боком машинном исследовании корреляции технологических и электрически: параметров ТС и ЛЭ, оптимизации профиля и микротопологии ТС, электри ческого режима ЛЭ и фрагментов С3БИС.
-
Вследствие высокой размерности разрабатываемых и рассчитывав мых на ЭВМ С3БИС на уровне моделей компонентов практически неоправдаї или невозможен из-за огромных вычислительных затрат расчет фрагменто: микросхем, состоящих из нескольких сотен или даже тысяч ТС. Использо вание формальных логических моделей ЛЭ и фрагментов С3БИС в рамках ти пового проектирования на функциональном уровне характеризуется низкої точностью, что требует синтеза новых логико-временных моделей ЛЭ 1 фрагментов в рамках сквозного моделирования.
Научная новизна
-
В диссертационной работе разработаны одномерные физически аналитические модели процесса ионного легирования в многослойные при борные структуры кремниевых СБИС. Разработана универсальная программ численного моделирования процесса ионного легирования двумерных непла нарных многослойных кремниевых структур.
-
Разработаны модифицированные программы комплексного технологи ческого моделирования многослойных кремниевых интегральных ТС в одно мерном и двумерном приближении для персональных компьютеров типа IB РС/486 с использованием синтезированных физических моделей основны технологических операций: имплантации, диффузии, окисления, обеспечи вающих необходимый компромисс между сложностью и точностью.
-
Разработаны адекватные стационарные численные ФТ модели в од номерном и двумерном приближении для комнатных температур и ФТ модел для криогенных температур на базе модифицированной ФСУ с учетом эффек тов неполной ионизации примесей, вырождения полупроводника температур но-концентрационных зависимостей основных электрофизических параметро численной криомодели ТС.
-
Проведены численное адекватное моделирование и оптимизация трофиля комплементарных п-р-п и р-п-р ТС в режиме нормальных температур. Показаны потенциальные преимущества и новые возможности конструирования профиля распределения масштабированных ТС для достижения необходимого высокого усиления по току и быстродействия ТС - с сильным легированием в базовой области и низким легированием в эмиттере - для реализации нового класса кваэигетеро-ТС в криогенном режиме.
-
Синтезированы эффективные сосредоточенные и распределенные многосекционные модели тонкослойных ТС с микротопологией для схемотехнической программы PSPICE с использованием методов ПСМ. Даны оценки погрешностей расчета переходных процессов в переключателях тока и ЭСЛ-элементах в области малых времен и высоких плотностей тока. Даны рекомендации по использованию моделей приемлемого компромисса по точности и сложности модели ТС для схемотехнических расчетов с помощью программ PSPICE.
-
Разработаны и модифицированы методы машинной идентификации статических и динамических параметров электрической модели ТС, включая резистивные компоненты Р-э, RK с помощью набора программ стационарного и нестационарного ФТ моделирования.
-
Проведено исследование влияния технологических и топологических параметров ТС на электрические параметры масштабированных ТС и ненасыщенных ЛЭ с помощью комплекса сквозного многоуровневого моделиро-
з вания С БИС. Показаны увеличение скоростного потенциала разработки
элементно-технологического базиса биполярных С3БИС в режиме нормальных
и криогенных температур.
Положения и основные результаты, выдвигаемые на защиту:
-
Разработанные физические модели низко- и высокоэнергетического ионного легирования в одномерном и двумерном приближении для программ численного расчета последовательных технологических операций.
-
Реализованная методика расчета результирующей примеси в двумерном приближении на основе сквозного моделирования последовательности основных операций с использованием численных адекватных моделей процессов диффузии, имплантации и окисления.
-
Разработанные ФТ модели и алгоритмы использования итерационных и прямых численных методов решения фундаментальной системы уравнений полупроводника в одномерном и двумерном приближении для нормальных и низких рабочих температур.
- б -
-
Выбор и обоснование основных электрофизических параметров сильнолегированного кремния, включая подвижности и времена жизни для обоих типов носителей, для численного расчета комплементарных ТС для нормальных и низких температур.
-
Методика и алгоритмы идентификации стационарных и нестационарных электрических параметров комплементарных ТС для широкого диапазона рабочих температур, включая омическое эмиттерное сопротивления ТС.
-
Синтезированные эффективные сосредоточенные и распределенные (двух-, трех- и п-секционные) схемотехнические модели субмикронных комплементарных транзисторных структур, алгоритмы "гибкости" распределенных моделей ТС, позволяющие в ходе схемотехнического расчета фрагментов С БИС обеспечить минимальную или оптимальную (в зависимости от затрат машинного времени) погрешность расчета.
-
Совместная физико-технологическая и схемо-логическая оптимизация ЛЭ и фрагментов С3БИС для перспективных субмикронных технологических процессов позволяет достичь более высокого качества изготовлениу схем и обеспечения оптимальных технико-эксплуатационных параметров.
Практическая новизна и ценность работы заключается в разработке точных физических моделей процессов, структур, приборов, новых методик и алгоритмов численного физико-технологического моделирования первы> отечественных комплементарных масштабированных структур в широком диапазоне температур, включая азотные, для программного комплекса, использованного в разработках реальных структур и СБИС. Предложены новые схемотехнические и логико-временные модели реально разрабатываемы}
И Перспективных КОМПЛеМеНТарНЫХ ТС И Сверхбыстродействующих ЛЭ ДЛ5
адекватного электрического и функционального расчета.
Практическая ценность работы заключается также и в том, что разработанные физические модели, методы, алгоритмы сквозного иерархического моделирования находят применение в современных разработках элементно-технологической базы и развиваемых САПР для оптимизации электрических и логико-временных параметров перспективных С3БИС. Для современных разработок технологий и структур С3БИС обосновано применение физико-технологического и схемо-логического моделирования с целью реального выявления влияния параметров технологии и топологии на функциональные параметры ЛЭ и фрагментов, определяющих быстродействие и ка чество проектирования перспективных С БИС для широкого температурноп диапазона.
Аппробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всесоюзные совещания "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах". Ярославль, Ростов - 1988, 1990.
Республиканские совещания "численные методы и средства проектирования и испытания элементов твердотельной электроники". Таллин 1989, 1991.
Школа-семинар "Опыт разработки и применения приборно-технологи-ческих САПР". Львов - 1991.
Школа-семинар "Математическое и машинное моделирование в микроэлектронике" . Паланга - 1991.
Международная научнотехническая конференция "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике". Киев - 1993.
Международные конференции "Новые информационные технологии в проектировании". Ялта, Гурзуф - 1991, 1992.
Международная научно-техническая конференция "Проблемы физической и биомедицинской электроники". Киев - 1995.
Международные научно-технические конференции "Интеллектуальные САПР". Геленджик, Дивноморское - 1994, 1995.
Научно-технические конференции МФТИ, 1987 - 1992, 1996.
Основные результаты диссертации практически использованы в ИПК РАН, ИВВС РАН, МФТИ и опубликованы в работах автора [1-15], перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации . Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 201 страницах, из которых 148 страниц основного текста. Диссертация содержит 41 страницу рисунков и список литературы на 12 страницах, включающий 129 наименований.
