На правах рукописи

БАЛАШОВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ МИКРОСИСТЕМЫ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПРИБОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

Москва – 2006

Работа выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель:

д.т.н., доцент Крупкина Татьяна Юрьевна

Научный консультант:

д.т.н., доцент Беспалов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Зайцев Николай Алексеевич к.т.н. Романов Игорь Михайлович

Ведущая организация:

ОАО НИИ Технологии и автоматизации производства

Защита диссертации состоится “” _ 2006 г., в часов на заседании диссертационного Совета Д 212. 134. 01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. С материалами диссертацией можно ознакомиться в библиотеке.

Автореферат разослан “_” _ 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, Неустроев С.А.

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Создание фоточувствительных элементов для различных диапазонов излучения, интегрированных на одном кристалле со считывающей электроникой, является одной из актуальных проблем микроэлектроники. Приборно-технологическое моделирование представляет собой один из эффективных методов решения этой задачи.

Важнейшим параметром, определяющим характеристики фотоприемников, является коэффициент заполнения пикселя (минимальной ячейки разложения изображения) чувствительным материалом. Ужесточение требований к пространственному разрешению матричных фотоприемников требует уменьшения размеров отдельных чувствительных элементов и промежутков между ними. Для обеспечения большого поля зрения фотосистем (высокого углового разрешения) необходимо существенно повышать число элементов (формат) матричного приемника.

По своей конструкции фотоприборы делятся на два типа: гибридные и монолитные приборы. Гибридные приборы состоят из двух и более кристаллов, один из которых представляет собой матрицу фоточувствительных элементов, попиксельно соединенною с кристаллом мультиплексора. В таких приборах фактор заполнения ограничивается необходимыми элементами электрической изоляции соседних пикселей.

В отличие от гибридных монолитные приборы содержат как чувствительный элемент, так и схемы считывания в едином кристалле.

Наличие активных элементов, считывающих фотосигнал с чувствительного элемента, существенно уменьшает коэффициент заполнения, что ухудшает характеристики прибора в целом. В монолитных приборах конструктору необходимо идти на компромисс, ограничивая характеристики прибора со стороны фоточувствительного слоя по коэффициенту заполнения или со стороны схем считывания, применяя более простые и менее эффективные решения. Использование субмикронных транзисторов в схемах считывания позволяет повысить коэффициент заполнения благодаря уменьшению площади считывающих схем.

В фоточувствительных матрицах важными элементами являются как сами чувствительные ячейки, так и схемы считывания, которые должны занимать маленькую площадь и при этом обладать хорошим быстродействием. В состав этих схем входят МДП-транзисторы, требования к которым можно сформулировать следующим образом: они должны занимать как можно меньшую площадь, обладать большой крутизной и малыми паразитными емкостями. Таким образом, необходимо использовать традиционные субмикронные транзисторы или транзисторные структуры с вертикальным каналом, что позволяет еще больше повысить быстродействие, одновременно уменьшив площадь.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является исследование, разработка и оптимизация конструктивно-технологических решений создания основных элементов фоточувствительной микросистемы на основе использования методов приборно-технологического моделирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ исследуемых приборных структур как объектов приборно-технологического моделирования.

Выделить наиболее критичные элементы конструкции с точки зрения моделирования и повышения технологичности устройств. Разработать модель субмикронного транзистора на основе проведенного анализа.

2. Разработать модель вертикального транзистора с дельталегированием в области канала и исследовать его возможности как элемента фоточувствительных микросистем.

3. Разработать методику моделирования фоточувствительных 4. Исследовать характеристики фотодиода с лавинным умножением и провести его оптимизацию с применением разработанных методик.

Научная новизна.

1. Разработана модель субмикронного МОП-транзистора, учитывающая процессы аморфизации поверхности кремния при имплантации и особенности диффузии примеси в поликремнии при формировании затвора. Установлены критерии выбора системы уравнений для приборного моделирования субмикронных МОПтранзисторов в зависимости от конструктивно-технологических параметров структуры.

2. Установлены и объяснены зависимости токов утечки в конструкции вертикального МОП-транзистора с дельта-легированием в области канала от конструктивно-технологических параметров.

3. Разработана модель фотодиода с лавинным умножением и контактами Шоттки, проведен анализ характеристик фотодиода в УФ-диапазоне и получены зависимости оптимального рабочего напряжения от технологических параметров и размеров структуры.

Практическая значимость работы.

1. Результаты приборно-технологического моделирования использовались при оптимизации конструкции и технологического процесса КМОП-транзистора с проектными нормами 0,35 мкм на опытном производстве НИИСИ РАН.

2. Разработана, исследована и оптимизирована по токам утечки конструкция вертикального МОП-транзистора с дельталегированием в области канала.

3. Разработана и оптимизирована по рабочему напряжению структура фотодиода с лавинным умножением. Структура апробирована на опытном производстве ГУ «НПК Технологический центр МИЭТ».

4. Разработаны вычислительные модели и методики расчета для приборно-технологического моделирования субмикронных МОПтранзисторов и фоточувствительных элементов.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены в рамках научноисследовательских работ и в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники.

Результаты работы были внедрены в опытное производство ГУ «НПК Технологический центр МИЭТ», где были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы фотодиода с лавинным умножением.

Методика моделирования оптоэлектронных структур апробирована при выполнении научно-исследовательских работ в ООО «Технопарк Ангстрема», г. Москва.

На защиту выносится:

1. Разработанная модель субмикронного МОП-транзистора.

2. Зависимости токов утечки от конструктивно-технологических параметров вертикального транзистора с дельта-легированием в области канала.

3. Разработанная и оптимизированная по рабочему напряжению структура фотодиода с лавинным умножением (патент).

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика – 2002” - М., Зеленоград, 19-21 ноября 2002;

• Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2003;

• Международная научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника 2003» (ICMNE - 2003), Звенигород, 2003;

• Девятая международная научно-техническая конференция микроэлектроники», Дивноморское, 2004;

• Шестой международный конгресс по математическому моделированию, Нижний Новгород, 2004;

• Международная научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника 2005» (ICMNE - 2005), Звенигород, 2005;

• Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем», МЭС-2005, Москва, 2005;

• Десятая международная научно-техническая конференция микроэлектроники», Дивноморское, 2006;

• 11th Seminar "NUMDIFF" on Numerical Solution of Differential and Differential-Algebraic Equations, Halle, Germany.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы, списка использованных источников из 155 наименований.

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены основные цели и задачи приборнотехнологического моделирования, описаны основные проблемы, связанные с моделированием элементов фоточувствительных микросистем (включая субмикронные транзисторы), и пути их решения.

Создание техники нового поколения в важнейших отраслях промышленности в настоящее время невозможно без освоения и развития широкого спектра изделий микроэлектронной и микросистемной техники. В основе этих изделий лежат приборы, использующие самые различные, зачастую сложные и тонкие, физические эффекты, а также всевозможные их комбинации.

Одним из таких классов являются оптоэлектронные приборы, принцип действия которых основан на взаимосвязи электронных и оптических процессов. Такие приборы могут использоваться как датчики, фотодетекторы, лазеры и солнечные элементы. Создание таких устройств требует развития и совершенствования микроэлектронной технологии, использования новых материалов и полупроводниковых соединений.

Взаимосвязь технологических процессов и приборных характеристик определяет такие показатели, как технологичность изделия и выход годных. В свою очередь, именно от них зависит жизнеспособность данного изделия и его экономические характеристики.

Учесть влияние технологических факторов на свойства полупроводниковых приборов и сократить затраты на их проектирование призваны системы приборно-технологического моделирования, уже более 30 лет развивающиеся применительно к кремниевой интегральной технологии. Конечной целью развития таких систем является интеграция программных средств, относящихся к технологическому, приборному и схемотехническому уровням в единое целое с возможностью построения в этом пространстве виртуальных экспериментов и поиска оптимальных решений, используя тем самым концепцию «виртуального производства».

Развитие каждого нового класса полупроводниковых приборов выдвигает новые требования и к средствам приборно-технологического моделирования, и к методологическому обеспечению задач проектирования и моделирования.

При переходе к субмикронным размерам при моделировании возникают различные проблемы. В первую очередь, это проблемы, связанные с моделированием технологических процессов. Сложность заключается в том, что при таких размерах начинают играть большую роль процессы, которые ранее не учитывались (например, аморфизация подложки при имплантации). Таким образом, полученные при моделировании профили легирования могут сильно отличаться от реальных.

Технологическое моделирование прогнозирует конструкцию и профили легирования прибора, основываясь на ключевых технологических параметрах, например, дозе легирования, энергии, времени отжига и температуре. Эта информация затем используется в качестве входных данных при приборном моделировании для прогнозирования электрофизических характеристик прибора.

Успешность и экономическая целесообразность процесса производства интегральных схем зависят от возможности получать полнофункциональные схемы, быстродействие и надежность которых лежат в заданном диапазоне. При этом необходимо обеспечивать высокий уровень годных. Несмотря на постоянные улучшения технологического оборудования и технологии, на каждом этапе производства существует случайный разброс параметров. Более того, при переходе технологии к меньшим размерам становится все труднее уменьшать технологический разброс пропорционально размерам прибора. За последнее время было приложено много усилий для разработки улучшенного технологического оборудования и процессов, более устойчивых транзисторных структур, менее требовательных схем, а также улучшенных методологий оптимизации и управления процессом. Однако, чтобы оптимизировать эти усилия и стратегию их применения, необходимо количественно выразить зависимость чувствительности электрических характеристик конечных приборов и схем от разброса структурных параметров и профилей легирования, которые, в свою очередь, зависят от технологических разбросов и погрешности оборудования. Зная эти соотношения, можно количественно определить требования к оборудованию и технологии для получения определенной структуры или профиля легирования, которые определяются требованиями к электрическим характеристикам конкретных приборов и схем.

Из-за высокой стоимости и большой продолжительности производственного цикла, связанных с увеличивающейся сложностью маршрутов изготовления субмикронных приборов, для проведения анализа чувствительности хорошей перспективой являются средства приборно-технологического моделирования. Более того, чтобы получить максимальный объем информации за минимальное количество итераций моделирования, при моделировании на статистически важных этапах необходимо использовать методики планирования эксперимента.

Таким образом, по мере уменьшения размеров современных интегральных полупроводниковых приборов повышается сложность их разработки и моделирования. Кроме этого, увеличивается стоимость эксперимента. Приборно-технологическое моделирование позволяет частично заменить реальный эксперимент компьютерным и оценить технологическую сложность проектируемого прибора. Это позволяет сократить временные и материальные затраты при разработке новых или доработке и оптимизации существующих устройств.

Во второй главе проведен анализ МОП-транзистора с длиной канала 0,35 мкм как объекта приборно-технологического моделирования, выделены основные особенности структуры, являющиеся важными с точки зрения моделирования, а также разработана модель субмикронного МОП-транзистора, учитывающая процессы аморфизации кремния при имплантации и особенности диффузии примеси в поликремнии при формировании затвора. Установлены критерии выбора системы уравнений для приборного моделирования субмикронных МОП-транзисторов в зависимости от конструктивнотехнологических параметров структуры.

Цель моделирования – это расчет электрических параметров, характеризующих устройство, который позволяет установить связь между конструктивно-технологическими и электрическими параметрами. Чтобы достичь этой цели, необходимо правильно выбрать и настроить модели. Выбор моделей – это компромисс между точностью и продолжительностью расчета. Перед приборнотехнологическим моделированием приборов следует провести анализ особенностей структуры, чтобы затем подобрать подходящие модели и их параметры, детализировать сетку в нужных местах.

Существует ряд особенностей структуры, которые важны для адекватного технологического моделирования, например, при выращивании толстого слоя оксида кремния (LOCOS) необходимо учитывать зависимость скорости окисления от механических напряжений в кремнии. Если данный эффект не учитывать, то получится неоправданно длинный «птичий клюв», а при выращивании тонкого подзатворного окисла это лишь излишне увеличит время расчета и практически не отразится на результате.

В процессе травления также необходимо правильно оценивать особенности структуры. Например, при создании непланарной структуры с глубокими профилями травления необходимо учитывать зависимость травления от кристаллографической ориентации.

Независимо от метода формирования структуры, субмикронные геометрические размеры активных областей будут играть определяющую роль в протекающих физических процессах. Это, безусловно, должно учитываться при выборе физических моделей для расчета электрических характеристик.

Принято считать, что классический дрейфово-диффузионный подход неприменим для устройств менее 1 мкм, так как начинают проявляться нелокальные эффекты. Тем не менее, эта модель до сих пор успешно применяется. Одна из причин популярности этой модели – это простота и устойчивость. Кроме этого, при моделировании часто достаточно знать интегральные характеристики с некоторой точностью, например, токи контактов, которые могут быть получены при должной подстройке параметров модели подвижности. Для преодоления ограничений дрейфово-диффузионного подхода была предложена гидродинамическая модель и модель энергетического баланса.

Выбор моделей особенно важен для приборов, которые отличаются большими значениями и градиентами электрических полей и концентраций носителей. Дрейфово-диффузионный подход не может учитывать нелокальные эффекты, т.к. предполагает, что электронный газ находится в тепловом равновесии с решеткой. Для быстроменяющихся полей энергия отстает от значений поля, т.к.

носителям необходимо некоторое время для приобретения энергии. Это отставание порождает такие эффекты, как всплеск скорости носителей, так как скорость прямо пропорционально зависит от энергии, а не от поля. Таким образом, дрейфово-диффузионный подход предсказывает такое же распределение скоростей, что и для слабоменяющихся полей, из-за чего скорость носителей может быть занижена. Следовательно, предположение фиксированной зависимости от поля может привести к неимеющим физического смысла результатам, например, при попытке промоделировать ударную ионизацию. Сложные приборные модели, такие как гидродинамическая и модель энергетического баланса, методы разложения в ряд сферических гармоник и метод Монте-Карло, предназначены для того, чтобы преодолеть ограничения дрейфоводиффузионного подхода. Однако улучшенная физическая строгость модели приводит к повышенным требованиям к вычислительным ресурсам. Во многих случаях оптимальным выбором является гидродинамическая модель и модель энергетического баланса.

На рисунке 1 изображена модель энергетического баланса, ее основные параметры и учитываемые этой моделью эффекты.

Рисунок 1 – Модель энергетического баланса. Основные учитываемые эффекты.

В результате проведенного анализа моделей и конструктивнотехнологических особенностей различных устройств были установлены критерии выбора моделей при приборном моделировании, которые приведены в Таблице 1.

Кроме правильного выбора моделей одним из ключевых моментов является калибровка процесса моделирования под определенную технологию. С одной стороны, калибровка сужает применимость результатов моделирования, так как подобранные значения параметров моделей привязаны к конкретной технологии, но с другой стороны, повышает точность расчета в некотором диапазоне параметров.

Таблица 1 – Критерии выбора моделей на этапе приборного моделирования.

режима работы