3880

implant Boron energy=40 dose=1.5e12 tilt=7 rotation=–90 mask=<name>

Другие особенности команды Implant приведены в руководстве пользователя.

2.2.2. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ ТЕРМИЧЕСКОГО ОТЖИГА В SPROCESS

Операция термического отжига (или диффузии легирующих примесей) моделируется с помощью команды Diffuse, которая является важнейшей командой в SProcess. В общем случае Diffuse обеспечивает моделирование следующих процессов и явлений:

–термический отжиг примесей;

–рост различных слоев в процессе отжига (например, термического окисла, силицида, эпитаксиального слоя и т. д.);

–процессы индуцированных термомеханических напряжений. SProcess поддерживает следующие модели переноса легирующих

примесей и точечных дефектов в процессе диффузии:

ChargedPair – 3-потоковая модель многочастичной диффузии

[8], в которой рассматриваются парные взаимодействия вида AZ+IC AI(Z+C) и AZ+VC AV(Z+C) между атомами легирующей примеси (A), междоузлиями (I) и вакансиями (V) c учетом их зарядовых состояний (Z – для примеси, С – для точечных дефектов) путем совместного решения системы из трех диффузионных уравнений, определяющих движение каждого типа частиц в отдельности с учетом описанных выше взаимодействий. Обычно она применяется при моделировании отработанного КМОП технологического процесса и представляет собой хороший вариант для соблюдения баланса между вычислительными затратами и точностью расчета;

ChargedReact – наиболее сложная и физически наиболее точная 5-потоковая модель многочастичной диффузии. Здесь рассматриваются взаимодействия между пятью типами частиц: атомами примеси (A), междоузлиями (I), вакансиями (V) и всевозможными их соединениями (AV), (AI) с учетом зарядовых состояний всех частиц. Для каждой легирующей примеси рассматривается система из пяти дифференциальных уравнений с частными производными. Так как расчеты по данной модели связаны с большими затратами машинного времени, то ее рекомендуется использовать при экстремальных перепадах температуры для быстропротекающих процессов, при специфических начальных условиях и т. д.;

31

ChargedFermi – аналог модели в приближении эффективного коэффициента диффузии [8] с учетом зарядовых состояний точечных дефектов, находящихся в тепловом равновесии. Данная модель может быть использована при длительных высокотемпературных операциях, где эффекты переходных процессов при отжиге послеимплантационных дефектов минимальны;

Pair – упрощенная модель ChargedPair на основе уравнений взаимодействия A+I AI и A+V AV без учета зарядовых состояний частиц;

React – упрощенная модель ChargedReact, не учитывающая в уравнениях взаимодействия частиц их зарядовых состояний;

Fermi – упрощенная модель ChargedFermi, тождественная приближению с эффективным коэффициентом диффузии без учета зарядовых состояний;

Constant – наиболее простая модель с постоянным коэффициентом диффузии. Здесь не учитывается взаимодействие между легирующей примесью и точечными дефектами, а также отсутствует эффект влияния электрического поля на движение примеси. Эта модель применяется главным образом для описания диффузии окислителя в окисле.

Выбор определенного типа модели и ее параметров реализуется с помощью команды pdbSet. Это можно сделать различными способами, например:

pdbSet Silicon Dopant DiffModel Pair.

Аналогично операции имплантации выбор и установление параметров модели диффузии проще всего задавать в головном разделе командного файла.

Операция термического отжига отличается большой вариативностью командного формата, отражающей реальные технологические особенности процесса диффузии. Прежде всего, это связано с составом атмосферы на планарной поверхности пластины. Так, простейший отжиг в инертной среде, при котором отсутствует рост термического окисла, можно задать командой

diffuse temperature=900 time=20

где temperature – температура отжига (по умолчанию в <С>); time – время отжига в (<hr> | <min> | <s>) (по умолчанию в <min>).

Если требуется рассчитать при определенной температуре для выбранной модели только концентрацию электрически активных приме-

32

сей (т. е. без какого-либо их дополнительного перераспределения), то это можно сделать с помощью команды

diffuse temperature=900 time=0.0

Отжиг во влажной окислительной атмосфере (диффузия, совмещенная с ростом термического окисла) может быть задан как

diffuse temperature=900 time=20 H2O

Простейшее линейное изменение температуры во время отжига с 800 С до 1000 С, происходящее в течение 20 минут в атмосфере сухого кислорода, можно определить командой

diffuse temperature=800 time=20 O2 ramprate=10<C/min>

где ramprate – скорость изменения температуры (по умолчанию в

<С/s>).

Если параметр ramprate > 0, то температура будет увеличиваться (форсаж). Для уменьшения температуры необходимо устанавливать ramprate < 0.

В случае когда технологический режим диффузии состоит из нескольких температурных участков (например, форсаж, полка, снижение), то эти участки удобно объединить в один режим с именем MyNN

командой temp_ramp:

temp_ramp name=MyNN temperature= 800 time=20 O2 trate=10<C/min> temp_ramp name=MyNN temperature=1000 time=10 O2

temp_ramp name=MyNN temperature=1000 time=40 O2 trate=–50<C/min> last diffuse temp_ramp=MyNN

При этом ключевое слово last указывает на то, что данный участок является конечным в режиме. Теперь скорость изменения температуры задается параметром trate.

Перераспределение легирующих примесей при диффузионном отжиге в окислительной атмосфере в значительной степени зависит от химического состава атмосферы. Для простейших случаев сухой и влажной атмосферы достаточно использовать команды в описанных выше форматах. При этом вместо ключевых слов O2 и H2O допускается использование их дополнительных имен dryO2 и wet, соответственно.

В более общих случаях со сложным составом атмосферы для его определения следует использовать команду gas_flow, которая является

33

универсальным средством для смешивания различных газов. При этом количественные параметры компонентов смеси можно задавать двумя способами: либо указывая парциальные давления каждого из газов, либо определяя скорости их потоков в <l/min>.

Парциальные давления газов, например, для атмосферы, содержащей 30 % кислорода и 70 % паров воды при давлении в 1 атмосферу, можно определить следующим образом:

gas_flow name=Oper_2 pO2=0.3 pH2О=0.7

или

gas_flow name= Oper_2 partial_pressure = { O2=0.3 H2О=0.7 }

При таком определении газовой смеси SProcess не учитывает протекание возможных химических реакций между ее компонентами.

Другой способ состоит в описании окисляющей атмосферы с помощью газовых потоков:

gas_flow name= Oper_2 flowO2=0.5 flowH2О=0.5 flowH2=0.2 flowN2=1.0

или

gas_flow name= Oper_2 flows = { O2=0.5 H2О=0.5 H2=0.2 N2=1.0 }

Вэтом случае SProcess автоматически рассчитает парциальные давления каждого из компонентов с учетом возможного протекания между ними химических реакций типа O2 + 2H2 –> 2H2O.

Вобщем случае принято, что для смешивания доступны следующие газы: H2O (пары воды), O2, H2 (водород), HCl, N2 (азот).

Команда gas_flow используется аналогично команде temp_ramp в соответствующем месте командного файла в сочетании с командой diffuse, например:

gas_flow name= Oper_2 flows = { O2=0.4 H2О=0.5 HCl=0.1 } diffuse temperature=900 time=20 gas_flow= Oper_2

или

gas_flow name= Oper_2 flows = { O2=0.4 H2О=0.5 HCl=0.1 } temp_ramp name=MyNN temperature=1000 time=10 gas_flow= Oper_2 diffuse temp_ramp=MyNN

34

Толщина термического окисла является важнейшим параметром процесса термического окисления. Найти ее значение можно различными способами на основе анализа результатов расчета, содержащихся в выходном файле *.out. Простейший «ручной» алгоритм состоит в следующем. После выполнения операции термического окисления в выходном файле следует найти соответствующее место, в котором содержатся данные о распределении количества какой-либо примеси по слоям структуры, например, как на рис. 2.3. Геометрические границы слоя SiO2 здесь составляют Bottom = 62,11 нм и Тор = –80,54 нм. Тогда толщина окисла есть 62,11 + 80,54 = 142,65 нм.

Рис. 2.3. Фрагмент выходного файла SProcess, содержащий данные для вычисления толщины окисла

Если подобный фрагмент автоматически отсутствует в выходном файле, то его можно получить принудительно, использовав команды

select z=NetActive layers

В лабораторной работе вместо ручного счета в командном файле SProcess используется специально написанная для этого процедура OxiTh, обеспечивающая вывод толщины окисла непосредственно в таблицу параметров SWB.

2.3. СТРУКТУРА ЗАДАНИЙ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Лабораторная работа состоит из двух частей: A и B. В части A необходимо на основе готового командного файла для моделирования 1D профилей легирования в сечении эмиттера биполярного транзистора,

35

приведенного в разделе 2.4, составить командный файл для моделирования фрагмента реального технологического маршрута (табл. 2.1).

Т а б л и ц а 2.1

Моделируемый технологический маршрут с вариантами задания

Затем следует закодировать соответствующий заданию вариант маршрута в каком-либо текстовом редакторе ОС Windows (например, Блокноте, Far Edit, Word с сохранением в формате «Обычный текст» и т. д.). Потом его нужно перенести в соответствующий проект оболочки SWB и исследовать влияние варьируемых параметров технологических операций на толщину термического окисла, поверхностное сопротивление и глубину залегания получающегося p–n-перехода.

В части B необходимо провести 2D расчет готового проекта Lab_2b, обеспечивающего создание структуры n-МОП нанотранзистора на напряженном кремнии и исследовать ее особенности.

36

2.4. ИСХОДНЫЙ КОМАНДНЫЙ ФАЙЛ LAB_2ANPN.TXT

ДЛЯ SPROCESS ЧАСТИ А

# ******************************************************* #

#******************************************************* #

#Deactivating The Graphical Mode Using Tecplot SV.

graphics off

#///////////////////////////// PROCESS HEADER \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

#----- Selecting Models. -------------

#Using Pair Diffusion Model

#for Dopants Diffusion in Silicon.

pdbSet Silicon Dopant DiffModel Pair

# ----- Meshing Strategy. -------------

mgoals on min.normal.size=10<nm> max.lateral.size=50<nm> \ normal.growth.ratio=1.2 accuracy=1<nm>

# ----- Initial Grid. -----------------

line x location=0 spacing=0.1 tag=SiTop line x location=5 spacing=0.1 tag=SiBottom

# ----- Substrate. --------------------

region Silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom

init field=Boron resistivity=10.0 wafer.orient=111

#///////////////////////////////// PROCESS \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

#1) ----- Forming Sacrificial Oxide - 250 A. -------------------------------

#Ambient Definition.

gas_flow name=Oxi_250 flows= { H2O=0.80 N2=0.20 }

# Oxidation.

diffuse temperature=900 time=400<s> gas_flow=Oxi_250

# 2) ----- Arsenic Implantation (N-Buried Layer). --------------------------

implant Arsenic energy=100 dose=1.00e14

37

# 3) ----- Inert Annealing. -------------------------------------------------

diffuse temperature=1000 time=30

#----- RS Measuring. -----------------

SheetResistance

#4) ----- Sacrificial Oxide Etching. ---------------------------------------

#Delete All Oxide Layers from Surface.

strip Oxide

#5) ----- N-Epitaxy (Collector). -------------------------------------------

#Epitaxy Simulation.

deposit Silicon thickness=4 Phosphorus concentration=1e16 diffuse temperature=1100 time=60

#6) ----- Forming Sacrificial Oxide - 400 A. -------------------------------

#Ambient Definition.

gas_flow name=Oxi_400 flows= { O2=0.90 N2=0.10 }

# Oxidation. diffuse temperature=950 time=65 gas_flow=Oxi_400

#7) ----- Boron Implantation (Base). ---------------------------------------

implant Boron energy=50 dose=@B_Dose@

#8) ----- Inert Annealing. -------------------------------------------------

diffuse temperature=900 time=@B_Time@

#----- RS Measuring. -----------------

SheetResistance

#9) ----- Sacrificial Oxide Etching. ---------------------------------------

#Delete All Oxide Layers from Surface.

strip Oxide

#10) ----- Forming Sacrificial Oxide - 500 A. -------------------------------

#Dry Oxidation.

diffuse temperature=1000 time=42 O2

# 11) ----- Phosphorus Implantation (Emitter). ------------------------------

38

implant Phosphorus energy=30 dose=@E_Dose@

# 12) ----- Inert Annealing. -------------------------------------------------

diffuse temperature=1100 time=@E_Time@

# 13) ----- Reoxidation. -----------------------------------------------------

# Wet Oxidation. diffuse temperature=900 time=20 H2O

# 14) ----- Oxide Etching. ---------------------------------------------------

# Delete All Oxide Layers from Surface.

strip Oxide

# 15) ----- Final Annealing. -------------------------------------------------

diffuse temperature=950 time=30

#----- Saving Profiles. --------------

SetPlxList { Phosphorus } WritePlx Phosphorus SetPlxList { Boron } WritePlx Boron SetPlxList { Arsenic } WritePlx Arsenic SetPlxList { NetActive } WritePlx NetActive

#----- RS Measuring. -----------------

SheetResistance

#\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ THE END ///////////////////////////////////

exit

Описание данного файла можно построить по блокам.

1.Головной раздел файла:

–область моделирования – от 0 до 5 мкм;

–параметры сетки для библиотеки MGoals – минимальный шаг –

10нм, максимальный – 50 нм, отношение размеров соседних ячеек –

1,2;

–подложка КДБ-10, ориентация <111>.

39

2.Формирование скрытого слоя (№ 1–4):

–термическое окисление в парах воды (80 %), толщина окисла

250Å;

–имплантация As, доза = 1,0·1014 см–2, энергия 100 кэВ;

–отжиг в нейтральной среде при 1000 оС, 30 мин;

–определение Xj и Rs;

–удаление жертвенного окисла.

3.Создание эпитаксиального слоя (№ 5):

–осаждение слаболегированного Si толщиной 4 мкм;

–эмуляция температурной фазы эпитаксии: отжиг в нейтральной

среде при 1100 С, 60 мин.

4.Формирование базового слоя (№ 6–9):

–термическое жертвенное окисление в атмосфере из 90 % кисло-

рода и 10 % азота, Dox = 400 Å;

–имплантация бора, доза =@B_Dose@ см–2, энергия 50 кэВ, угол наклона пучка 7 градусов;

–отжиг в нейтральной среде при 900 С в течение @B_Time@ мин;

–определение Xj и Rs;

–удаление жертвенного окисла.

5.Создание эмиттера (№ 10–12):

–термическое жертвенное окисление в атмосфере сухого кислорода, 500 Å;

–имплантация фосфора, доза =@E_Dose@ см–2, энергия 30 кэВ, угол наклона пучка 7 градусов;

–отжиг в нейтральной среде при 1100 С в течении @E_Time@ мин.

6.Завершающие операции маршрута (№ 13–15):

–термическое влажное окисление, Dox = 400 Å;

–удаление жертвенного окисла;

–финальный инертный отжиг.

7.Сохранение результатов моделирования:

–запись данных о профилях легирования фосфора, бора, мышьяка и активной примеси;

–определение Xj и Rs и запись этих данных в выходном файле.

В процессе расчета предусмотрено, что в вычислительном эксперименте варьируемыми параметрами являются дозы легирования базы и эмиттера, а также время их диффузионных разгонок. Их численные значения соответствуют плану эксперимента, приведенному на рис. 2.4, а, а графики профилей легирования, полученные с помощью оболочки Inspect, – рис. 2.4, б.

40