Виртуальное производство интегральных полупроводниковых
структур в системе
двухуровневой подготовки кадров
в области наноинженерии
М.А. Королев,
проф., д.т.н., проф.,
А.Ю. Красюков,
доц., к.т.н.,
Т.Ю. Крупкина,
проф., д.т.н., доц.,
Ю.А. Чаплыгин,
чл.-корр. РАН, ректор, д.т.н., проф.,
Московский государственный институт электронной техники
(технический университет), ieem@miee.ru г. Москва
1. Приборно-технологическое моделирование интегральных полупроводниковых
структур (TCAD)
Формирование
двухуровневой подготовки кадров в области наноинженерии
требует использования в учебном процессе современных программно-аппаратных
комплексов для исследования и моделирования наноразмерных
структур, а также платформ, обеспечивающих автоматизированное проектирование наносистем и систем-на-кристалле
с наноразмерными интегральными элементами.
Приборно-технологическое
моделирование или TCAD (Technology Computer Aided Design) - это область научных знаний и прикладных
программных инструментов, позволяющая осуществлять многомерное моделирование
интегральных полупроводниковых структур, используя в качестве исходной
информации описание технологического процесса их изготовления.
Преимуществами такого подхода являются универсальность, комплексность
проводимых исследований, возможность "заглянуть внутрь" интегральной
структуры в процессе ее формирования, изменить, если потребуется, параметры
технологических операций, выбрать оптимальные топологические размеры, места
расположения контактов и т. д. В результате использования систем TCAD мы можем
не только рассчитывать электрофизические параметры, электрические характеристики
интегральных приборов, но и экстрагировать параметры схемотехнических моделей,
моделировать работу фрагментов схем, частью которых
является, например, прибор, представленный как трехмерная интегральная
структура с заданными распределениями примеси и размерами.
Приборно-технологическое
моделирование является одним из основных элементов систем автоматизированного
проектирования интегральных микросхем. Существует несколько причин, по которым
прогресс в области микро- и наноэлектроники
сопровождается усилением роли приборно-технологического моделирования.
Во-первых, в наноразмерных структурах практически нет второстепенных параметров, а
с уменьшением размеров элементов усиливается взаимосвязь технологических параметров
и электрических характеристик интегральных приборов. Во-вторых, применение
экспериментальных методов при исследовании областей в полупроводниковых
структурах с размерами порядка 1 -10 нм не дает высокой точности результатов,
необходимой для надежного прогнозирования приборных характеристик. Нельзя также
обойтись только экспериментальными исследованиями при поиске и оптимизации
принципиально новых приборных структур и конструктивных решений. Разумной
альтернативой в этих случаях является использование численного моделирования.
В-третьих, проблемой реального производства является сохранение высокого
процента выхода годных при уменьшении топологических размеров и повышении сложности
изделий. Сокращение этапа запуска в производство достигается с помощью
предварительной отладки и оптимизации технологических процессов и конструкций с
помощью средств приборно-технологического моделирования.
Возможности TCAD позволяют "находиться
внутри" виртуального производственного
процесса. На основе виртуального производства мы можем проводить анализ влияния
разброса технологических параметров на приборные и схемотехнические
характеристики, выбирать наилучшие решения с точки зрения выхода годных и тем
самым работать над повышением технологичности выпускаемых микросхем.
В-четвертых,
в условиях сокращения жизненного цикла изделий микроэлектроники и конкуренции
между их изготовителями, сроки и стоимость этапа разработки новых изделий и
технологий имеют определяющее значение.
TCAD позволяет в кратчайшие сроки успешно решать проблемы, связанные с
разработкой:
- базовых технологических процессов;
-
конструкций интегральных элементов;
-
проектных топологических норм;
-
библиотечных элементов.
Результаты
моделирования являются также необходимой частью информации при принятии
решений, включая оперативное управление, краткосрочное планирование, анализ
бизнеса и стратегий развития.
Средства
приборно-технологического моделирования в настоящее время представляют
собой комплекс программных модулей,
интерактивных оболочек и средств визуализации, позволяющих решать следующие
задачи[6]:
-
моделировать отдельные технологические операции, рассчитывать профили распределения
примеси, толщины и электрофизические параметры слоев;
-
моделировать интегральные структуры, получаемые в результате последовательности
технологических операций – технологического маршрута (рис. 1);
-
рассчитывать на основе численного моделирования электрические, оптические,
электромагнитные и другие характеристики полупроводниковых структур;
-
выполнять экстракцию схемотехнических параметров прибора по его электрическим
характеристикам, рассчитывать фрагменты схем;
-
проводить планирование эксперимента, моделировать прохождение «виртуальной партии»
пластин, по базовому технологическому маршруту с расщеплением входных
технологических параметров ("сплит" -
партии);
-
выполнять оптимизацию параметров технологических операций, технологического
маршрута, размеров элементов с целью получения заданных характеристик изделия.
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
г |
д |
рис.1 Этапы моделирования
технологического маршрута формирования элементов КМОП интегральных схем: а
- формирование активных островков, б -
проведение ионной имплантации для создания P-кармана, в - осаждение нелегированного
поликристаллического кремния, г - нанесение слоя титана, д - окончательный вид технологического сечения
На
рис.2 приведены этапы исследования интегрального прибора (n-МДП
транзистора), полученного в результате технологического моделирования.
|
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
г |
рис.2
Исследование электрических характеристик интегрального n-МДП транзистора: а - построение сетки для численного моделирования,
б – расчет порогового напряжения, в – расчет вольтамперных характеристик, г – вольтамперные характеристики моделируемой структуры
Уникальные
возможности приборно-технологического моделирования позволяют исследовать и
оптимизировать приборные структуры самых разных типов[6]. Среди новых
направлений можно отметить моделирование глубоко субмикронных транзисторных
структур с механически напряженным кремнием[2], анализ шумов в подложке и эффектов
взаимного влияния интегральных элементов через подложку в схемах смешанного
сигнала и системах – на – кристалле. Поиск оптимальных решений в проектировании
технологических маршрутов и приборных структур рассматривается как одно из основных
применений приборно-технологического моделирования и разрабатываемых программных
пакетов.
Приборно-технологическое
моделирование позволяет не только разрабатывать и совершенствовать технологию и
конструкции перспективных интегральных элементов. Оно стало надежным связующим
мостиком между производством и дизайн – центрами, обеспечивая разработку и проверку
их интерфейса, т. е. проектных норм и библиотечных элементов.
Программные средства TCAD позволяют
осуществлять многомерное моделирование интегральных полупроводниковых структур,
используя в качестве исходной информации описание технологического процесса их
изготовления. Программная среда TCAD реализует концепцию виртуального производства
интегральных полупроводниковых структур и обладает широкими возможностями для
вовлечения студентов в активный творческий процесс исследований и разработки конструкций наноразмерных
интегральных элементов и технологических маршрутов их изготовления.
2. Задачи виртуального производства
Полупроводниковое
производство является одним из наиболее сложных производств в мире. Типичные
подложки проходят сотни этапов обработки, возвращаясь на одни и те же установки
множество раз при добавлении каждого нового слоя. Основная цель
производственной стратегии в полупроводниковой промышленности – это минимизация
издержек производства и увеличение производительности при одновременном улучшении
и качества, и сроков выполнения заказов.
Разрыв между растущей сложностью изделий и технологии, с одной стороны, и
приемлемым уровнем затрат на разработку и производство, с другой стороны,
продолжает увеличиваться, что может сказаться на темпах роста мировой
полупроводниковой промышленности. «Узким» местом становится сфера проектирования.
Показателен тот факт, что в настоящее время дизайнеры - схемотехники
уже не успевают осваивать все новые уровни минимально допустимых размеров в том
же темпе, в каком это делают технологи и изготовители технологического
оборудования.
Поскольку
современный рынок микроэлектроники выдвигает очень жесткие требования к проектам
ИС с точки зрения технологичности, тестируемости и таких ключевых аспектов как
размер кристалла, потребляемая мощность, выход годных и стоимость, все большее
значение приобретает включение в процесс проектирования программной среды
виртуального производства. Все наиболее значимые результаты в области формирования
программной среды виртуального производства представлены в программном пакете Sentaurus (TCAD фирмы Synopsys)[5].
В основе системы TCAD фирмы Synopsys лежат мощные
вычислительные программные инструменты для моделирования технологических
процессов и приборных характеристик Sentaurus Process и Sentaurus Device. К важным характеристикам автоматизированного
рабочего места Sentaurus Workbench
относятся средства для обеспечения дружественного интерфейса с пользователем
TCAD, включая графические возможности для построения и редактирования сложных
проектов, параметризацию входных файлов для автоматического запуска групп задач,
организацию вычислительного процесса внутри проектов и директорий, что
позволяет четко ориентироваться в вычислительной среде. Специально разработанные
программные пакеты обеспечивают планирование эксперимента, оптимизацию и статистический
анализ в рамках проводимого исследования.
Каждый
виртуальный проект может содержать семейство сценариев, а каждый сценарий – семейство
виртуальных экспериментов(рис. 3). Внутри каждого
эксперимента варьируется определенный
входной параметр. Параметры могут
вводиться в любой точке вычислительного процесса, от технологического
моделирования до стадии расчета прибора. Параметризованный проект
представляется в виде дерева («Дерево семейств»), которое строится на основе
описания вычислительного процесса (потока) и комбинации варьируемых параметров.
Уровни дерева соответствуют вычислительным этапам. На каждом вычислительном
этапе запрашивается столько инструментальных программ, сколько имеется узлов на
данном уровне дерева семейств. Каждый вызов вычислительного средства характеризуется
комбинацией значений параметров, которая определяется путем от корня дерева к
точке вызова, т.е. к данному узлу дерева семейств. Любой узел дерева семейств
имеет уникальный номер, и все выходные
файлы с результатами вычислений, проведенных в этом узле, содержат номер узла в
своем имени.
рис.3 Пример виртуального
эксперимента, выполняемого средствами автоматизированного
рабочего места Sentaurus Workbench
Варьируются длина канала n-МДП
транзистора, определяемая параметром endGate, доза ионной имплантации при создании n- - областей истока/стока (doseLDD) и длительность отжига исток/стоков (diffTime)
Стандартные форматы представления результатов моделирования и
специальные программы – редакторы позволяют сформировать виртуальные тестовые
структуры и образцы интегральных элементов и исследовать их отклик на внешние
воздействия
различного рода (электрические, электромагнитные, оптические, тепловые, механические
и др.). Используемые для таких расчетов программы численного двух- и трехмерного
моделирования обеспечивают работу
такого виртуального комплекса в
исследовательских целях, а также формируют набор данных для перехода к задачам
схемотехнического проектирования. Встроенный в цикл работы виртуального производства
этап экстракции схемотехнических параметров элементов готовит информацию для
принятия решения о годности данных элементов по критериям, задаваемым
дизайнерами схем, или о продолжении оптимизации технологического маршрута
и конструкции элемента. Взаимосвязь всех
этапов создает условия для обоснованного выбора параметров критичных
технологических операций, обеспечивающих наиболее устойчивые к технологическому
разбросу значения схемотехнических характеристик. Наиболее выигрышным является
использование систем виртуального производства для анализа так называемых «сплит – партий», или партий с «расщеплением» по одному или
нескольким технологическим параметрам. В этом случае процесс моделирования
фактически означает выполнение многофакторного «виртуального эксперимента»,
построенного по определенному плану.
На
рис. 4 показаны результаты обработки виртуальных экспериментов по исследованию
чувствительности выходных электрических характеристик к разбросу конструктивно-технологических
параметров с использованием методологии поверхностей отклика.
|
|
|
|
а |
б |
рис.4 Чувствительность выходных
электрических характеристик к разбросу конструктивно-технологических параметров
endGate и doseLDD: а – крутизна n-МДП транзистора по
затвору; б – пороговое напряжение n-МДП транзистора
Программные
средства для планирования эксперимента и анализа его результатов с использованием
специальных математических моделей являются обязательной частью системы виртуального
производства. Такие исследования направлены на изучение чувствительности
рабочих характеристик прибора к разбросу технологических параметров, на
оптимизацию разрабатываемых структур с точки зрения повышения из технологичности. структура виртуального производства
включает наряду с прикладными программами, предназначенными для расчета процессов/приборов
и визуализации результатов, вычислительные оболочки для интеграции TCAD программных средств. Минимальный
перечень задач, которые должны выполняться в рамках таких интегрирующих оболочек:
автоматическая
интеграция программ в рамках моделируемых проектов;
организация
пользовательского интерфейса к прикладным программам;
планирование
эксперимента;
анализ
зависимостей с использованием методологии поверхностей отклика;
статистический
анализ результатов, оптимизация.
3. Учебно-научный центр приборно-технологического моделирования МИЭТ
В
Московском институте электронной техники уже более 10 лет ведутся работы по
развитию лабораторных практикумов и учебно-методических комплексов на базе средств приборно-технологического моделирования (TCAD). С этой
целью на кафедре интегральной электроники и микросистем (факультет электроники
и компьютерных технологий) был создан Учебно-научный центр
приборно-технологического моделирования. В настоящее время на основе соглашения
с фирмой Synopsys для этих целей используется
платформа TCAD Synopsys. Сотрудники центра готовят
высококвалифицированных специалистов в области конструирования и проектирования
элементной базы, технологии формирования ИС и элементов микросистемной
техники. В основе подготовки специалистов лежит программная среда Sentaurus TCAD компании Synopsys,
позволяющая осуществлять “виртуальное производство” полупроводниковых приборов.
Система сквозного моделирования Sentaurus TCAD
обеспечивает проведение комплексного анализа формирования элементной базы ИС и
элементов микросистем.
Основными
достоинствами применения TCAD в учебном процессе являются наглядность всех этапов формирования наноструктур
в кремниевой подложке, возможность исследования электрических характеристик
элементов на основе численных моделей, описывающих распределения носителей
заряда в структуре, плотности токов и т.д., исследование свойств элементов, не
доступных прямому измерению, зависимостей выходных характеристик от разброса
технологических параметров. Широко используется приборно-технологическое
моделирование в процессе подготовки высоквалифицированных
кадров по направлению "Электроника и микроэлектроника" и по ряду
смежных направлений, в том числе развивается подготовка студентов по
тематическому направлению наноэлектроника. В
Московском государственном институте электронной техники на базе программных
средств TCAD ведется обучение бакалавров, специалистов и магистров по
дисциплинам "Моделирование технологических процессов", " Моделирование
в программной среде TCAD", " Электроника", "Современные
методы моделирования", " Особенности проектирования КМОП ИС". Перечень лабораторных работ, входящих в лабораторный практикум
«Моделирование в среде TCAD»,
включает, например, следующие темы: введение в среду приборно-технологического
моделирования TCAD; исследование процесса ионного легирования кремния
средствами технологического моделирования; моделирование структуры и расчет
параметров n-МДП транзистора; разработка и
исследование маршрутов изготовления элементов биполярных и МДП ИС; расчет
характеристик МОП-транзистора с использованием
интегральной среды SWB пакета TCAD Synopsys;
трехмерное моделирование МОП-транзисторов КНИ-типа; моделирование фоточувствительных интегральных
элементов и др.
В
Учебно-научном центре приборно-технологического моделирования МИЭТ выполнен
целый ряд актуальных исследовательских работ, имеющих важное практическое
значение. Научно-исследовательские и учебно-исследовательские работы ведутся по
таким направлениям, как моделирование наноразмерных
МДП – транзисторов планарного типа и с вертикальным затвором [4], исследование
и разработка конструктивно-технологических методов улучшения параметров силовых
планарных транзисторов по быстродействию, по пробивному напряжению, исследование
и оптимизация фоточувствительных элементов, моделирование и оптимизация
конструкции магниточувствительных элементов микро- и наносистем, моделирование МДП-транзисторов КНС- и КНИ-типа
[3], развитие методологии приборно-технологического моделирования [1, 6, 7].
Образовательная
деятельность учебно-научного центра включает занятия по базовым и специальным
дисциплинам с использованием современных программных средств, формирование аппаратной
и учебно-методической базы лабораторных практикумов по
приборно-технологическому моделированию, переподготовку и повышение квалификации
специалистов из других вузов и промышленных предприятий. Возможности
виртуального производства широко используются при выполнении курсовых проектов,
выпускных работ бакалавров и диссертационных исследований.
Активные
методы обучения, новые информационные
технологии, учебно-методические практикумы, соответствующие мировому уровню,
позволяют МИЭТ реализовать концепцию непрерывного образования для потребностей
инновационной экономики в области наноинженерии.
Литература
1.
Сhaplygin Y., Korolev M., Krupkina
T. The process window TCAD methodology for DFM in the field of deep submicron
nodes and nanoscale transistors .//
International conference “Micro- and nanoelectronics
2.
Choi C.-H.,Chun J.-H., Dutton R.W. Electro-Thermal
Characteristics of Strained-Si MOSFETs
in High-Current Operation // IEEE Transactions on Electron Devices.- V.
51, (11), Nov. 2004.- P.1928 – 1931
3.
Krupkina T.Y. 3D modeling of different layout SOI MOSFETs
under physical parameters degradation // Proc. of IEEE East-West Design &
Test Symposium 2007. –
4.
Verner V., Balashov A., Galushkov
A., Krupkina T. Models selection criteria for simulation
of submicron transistor structure characteristics.- International conference
“Micro- and nanoelectronics
5.
www.synopsys.com.
6.
Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Чаплыгин Ю.А.
Приборно-технологическое моделирование при разработке изделий микроэлектроники
и микросистемной техники // Известия вузов. Электроника.
2005, №4-5.- С. 64-71.
7.
Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Чаплыгин Ю.А.
Проблемы использования приборно-технологического моделирования как инструмента
проектирования и пути их решения. Всероссийская научно-техническая конференция
«Проблемы разработки перспективных микроэлектронных
систем-2005».- Сборник научных трудов/ под общ. ред. А.Л. Стемпковского.
-М.: ИППМ РАН, 2005.- С.143-150.