Введение
Проектирование современных СБИС, производимых по технологии с субмикронными размерами элементов, требует особого внимания к физическим особенностям процессов, протекающих в ее базовых структурах и влияющих на их функциональные параметры. К таковым для МОП-транзисторов можно отнести зависимость их порогового напряжения от длины и ширины канала, явление индуцирования тока утечки стока напряжением на затворе, а также эффект «горячих» носителей. Введение в конструкцию МОП-транзистора дополнительных слаболегированных областей (lightly doped drain, LDD), примыкающих к областям его стока и истока, позволяет частично устранить проблемы, возникающие из-за перечисленных выше эффектов [1].
Технологическая операция формирования LDD-областей имеет ряд сложностей. Поскольку ионы легирующей примеси в этом случае имеют малую энергию (менее 10 кэВ), а сама доза ионов невелика [2], особые требования предъявляются к качеству поверхности пластины в местах нахождения будущих LDD-областей МОП-транзисторов. В идеальном случае в этих участках не должно быть остаточного резиста, а диоксид кремния, защищающий область будущего легирования LDD от загрязнения, имеет строго фиксированную толщину. Кроме того, на процесс формирования LDD-областей влияет и состояние имплантера – технологического оборудования, с помощью которого выполняется эта операция.
Физические параметры LDD-областей, к которым относится глубина залегания профиля легирования, суммарная доза примеси, пиковая и средняя концентрации примеси в профиле легирования, влияют на пробивное напряжение, на входные и выходные характеристики МОП-транзистора. Их изменение меняет его функциональные параметры, что может критически сказаться на работоспособности СБИС в целом.
Наиболее приемлемым способом неразрушающего контроля качества сформированных LDD-областей является измерение их удельного сопротивления. Оценка диапазона его изменения при наличии слоя диоксида кремния с отличной от нормы толщиной и остаточного резиста проводилась в среде приборно-технологического моделирования TCAD Sentaurus.
Цель данной работы состояла в построении компьютерной модели тестовой структуры для МОП-транзистора с каналом n-типа и в моделировании того, как влияет каждый из перечисленных выше факторов на величину сопротивления тестового резистора, сформированного на основе LDD-областей. Дополнительно была проведена оценка величины изменения тока открытого транзистора и пробивного напряжения n-канального МОП-транзистора при вариации указанных выше факторов, а также выработка технологических рекомендаций по допустимой толщине остаточных слоев.
Особенности компьютерного моделирования технологического маршрута КНИ-0.25
Компьютерное моделирование маршрута производства СБИС по КМОП КНИ-технологии с минимальной проектной нормой 0,25 мкм производилось с помощью модуля Sprocess среды приборно-технологического моделирования TCAD Sentaurus. Исходными данными для моделирования являлись управляющий файл и файл топологии структуры.
Двумерное моделирование структуры МОП-транзистора отличается от трехмерного тем, что из-за ограничений модуля Sprocess для моделирования трехмерного термического окисления эта операция заменена операцией осаждения идентичного слоя диоксида кремния. Кроме того, при трехмерном моделировании изменены команды разбиения сетки и подключения контактов к структуре.
Все операции ионной имплантации моделировались с использованием аналитических зависимостей, параметры которых приведены в таблицах Dios, за исключением ионной имплантации LDD-областей, которая с целью увеличения точности при расчете профиля распределения примеси в диоксиде кремния и/или в остаточном слое резиста осуществлялась с помощью статистического метода Монте-Карло для расчета треков отдельных частиц.
В результате моделирования технологического маршрута была сформирована структура n-канального МОП-транзистора, показанная на рисунке 1.
Рис. 1. Структура МОП-транзистора с LDD-областями
Тестовая структура измерения сопротивлений LDD-областей
Ключевой особенностью тестовой структуры для измерения сопротивления LDD-области является необходимость создания малого зазора между прямоугольными областями поликремния, что приводит к его полному заполнению спейсерами, как показано на рисунке 2. В результате формируется маска из диоксида кремния, которая не пропускает ионы легирующих примесей на следующих этапах легирования. Уровень легирования сформированной области соответствует уровню легирования LDD-области в n-канальном МОП-транзисторе. Для тестовой структуры контроля LDD-областей p-канального МОП-транзистора на основе кармана n-типа формируется аналогичная область, отличающаяся от рассмотренной выше только типом проводимости.
Рис. 2. Поперечный разрез вертикального профиля тестовой структуры (интенсивность цветовых оттенков в области p-кармана соответствует степени легирования, в остальных областях – типу материала)
На рисунке 3 представлена трехмерная модель тестовой структуры в программной среде TCAD Sentaurus.
Рис. 3. Трехмерная модель тестовой структуры
Моделирование профиля легирования при отклонениях технологии формирования тестовой структуры
Для оценки чувствительности параметров разработанной тестовой структуры к вариациям технологических режимов формирования LDD-областей следует проанализировать возможные причины изменения профиля, а значит и суммарной дозы легирования этих областей. В технологическом маршруте КНИ-0.25 к изменению профиля легирования могут привести недотравленная пленка резиста, оставшаяся после формирования слоя поликремния, а также отклонения в толщине формируемого слоя screen-окисла от установленного номинального значения 5 нм. Толщина слоя резиста может составлять 5–40 нм, а screen-окисла – 5–35 нм. Это значит, что в процессе формирования LDD-областей с помощью ионной имплантации при пролете ионов через толстый слой окисла или остаточного резиста значительная часть из них остаются в нем, что существенно искажает итоговый концентрационный профиль легирования. В ходе исследований было выполнено моделирование тестовой структуры с остаточными слоями резиста толщиной 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 нм и слоя окисла 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 нм. Полученные в результате моделирования концентрационные профили легирующей примеси в дополнительных слоях диоксида кремния или резиста, а также в кремнии представлены на рисунках 4–5. Представленный одномерный срез вертикального профиля легирования относится к центру структуры транзистора, показанного на рисунке 1, и перпендикулярен к плоскости XOY.
Рис. 4. Концентрационные профили LDD-областей при вариации толщины screen-окисла
Рис. 5. Концентрационные профили LDD-областей при вариации толщины остаточного резиста
Из рисунков 4 и 5 видно, что при толщине screen-окисла 35 нм LDD-области полностью поглощаются верхним слоем, как и при толщине резиста равной 40 нм.
Моделирование электрических характеристик МОП-транзистора и тестовой структуры
Для структуры, изображенной на рисунке 1, был выполнен расчет тока открытого транзистора, а также значений пробивного напряжения с остаточными слоями резиста толщиной 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 нм или слоя окисла толщиной 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 нм.
Моделирование проводилось с использованием модуля Sentaurus Device. Ток открытого транзистора рассчитывался для напряжения на стоке равном 2,5 В. Расчет пробивного напряжения выполнялся до напряжения 15 В и далее до тех пор, пока резко не возрастал ток стока.
Для проведения моделирования в командном файле модуля были инициализированы дополнительные физические модели помимо подключенных по умолчанию.
При расчете использовалась наиболее сложная – гидродинамическая – модель переноса носителей электрического заряда [3]. Ее необходимость при моделировании пробивного напряжения заключалась в том, что лавинный пробой p—n-перехода напрямую является следствием достижения электронами энергии, способной вызвать ионизацию атомов кремния. Кроме того, она позволила учесть эффект снижения подвижности носителей заряда в сильных электрических полях. При моделировании учитывались также эффекты уменьшения подвижности носителей заряда за счет их рассеяния на ионах примеси и рассеяния на фононах на границе окисел–кремний и на неравномерностях поверхности.
Процессы генерации–рекомбинации моделировались в соответствии с теорией Шокли-Рида-Холла с зависимостью от концентрации примесей. Кроме того, в области пробоя возникает лавинная генерация носителей, для электронов определяемая непосредственно их энергией, а для дырок – напряженностью электрического поля.
Результаты моделирования величины тока открытого МОП-транзистора и напряжения пробоя представлены на рисунках 6–7. При увеличении толщины добавочного слоя уменьшается проводимость LDD-областей вплоть до их полного исчезновения; как следствие, затвор теряет возможность управлять током транзистора.
Рис. 6. Ток открытого транзистора
Рис. 7. Пробивное напряжение транзистора
Напряжение пробоя постепенно увеличивается за счет того, что при уменьшении градиента концентрации между карманом p-типа и LDD-областью область лавинного пробоя (где электроны достигают необходимой для пробоя энергии) смещается в сторону сильнолегированной области стока. Следовательно, для достижения электронами необходимой энергии до лавинной генерации вторичных электронов необходимо приложить большее напряжение даже при условии того, что градиент концентрации между стоком и карманом выше градиента концентрации между LDD-областью и карманом.
Моделирование электрических характеристик тестовой структуры проводилось при аналогичном наборе физических моделей, но при напряжении на стоке 0,1 В. Полученные в результате моделирования вольт-амперные характеристики (ВАХ) представлены на рисунке 8.
Рис. 8. Вольт-амперные характеристики тестовой структуры
Выводы
С помощью программного модуля Sentaurus Process системы TCAD было проведено моделирование характеристик n-канального МОП-транзистора и тестовой структуры с LDD-областями для технологического процесса КНИ с минимальной проектной нормой 0,25 мкм при отклонении режимов технологической операции формирования LDD-областей.
С помощью Sentaurus Device, другого программного модуля упомянутой выше системы, рассчитаны ток открытого транзистора, его пробивное напряжение, а также вольт-амперные характеристики тестовой структуры, предназначенной для контроля параметров LDD— областей.
Моделирование показало, что при увеличении толщины слоев screen-окисла и резиста происходит уменьшение дозы легирующей примеси, формирующей LDD-области. Как следствие, увеличивается сопротивления тестовой структуры и уменьшается ток открытого МОП-транзистора.
Определен диапазон толщины остаточных слоев, в котором ток стока уменьшался не более чем на 20% от номинального значения – в диапазоне 0–12 нм для слоя резиста и 0–7,5 нм для слоя диоксида кремния при номинальной толщине screen-окисла 5 нм.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 15-07-03116).
Георгий Яшин, магистрант, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Алексей Амирханов, к.ф.-м.н., руководитель группы, ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН
Андрей Глушко, к.т.н., доцент, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Людмила Зинченко, д.т.н., профессор, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Владимир Макарчук, к.т.н., доцент, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Евгений Михальцов, к.т.н., с.н.с., ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН
Литература
1. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Изд. 2-е, испр. М. Техносфера. 2011.
2. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1. М. Бином. Лаборатория знаний. 2007.
3. Synopsys: Sentaurus Device User Guide – Version K-2015.06. June. 2015.