SIMULAREA
PROCESELOR ŞI DISPOZITIVELOR
SEMICONDUCTOARE
Marile descoperiri ale omenirii reprezintă astăzi un rău necesar fără de care nu mai putem concepe viaţa noastră. Astfel, limbajul electric este astăzi cel mai avansat şi reprezintă cheia progresului societăţii noastre. Cu toate acestea, este greu de imaginat că foarte puţini realizăm că, la fiecare apăsare a butonului unui sistem electronic, de fapt manipulăm mişcarea electronilor individuali. Acest lucru se realizează atât în dispozitivele de bază, diode, tranzistoare dar şi în dispozitive complexe cum sunt microprocesoarele sau microcontrolere bazându-se pe industria semiconductoare şi abilitatea de a face electronii să se mişte mai repede, tranzistoarele mai mici şi tot mai multe tranzistoare într-un singur chip.
Dacă primele circuite erau proiectate de mână, astăzi este greu de imaginat proiectarea acestora fără instrumentele, Electronic Design Automation-EDA, acestea bazându-se pe dezvoltarea deosebită a puterii de calcul a microcalculatoarelor actuale. Acest trend ne conduce în era integrării pe scară ultramare iar tehnologia submicronică necesită noi metodologii de proiectare şi noi instrumente software EDA, pentru soluţionarea complexităţii diverselor etape ale proiectării.
Analiza sistemelor microelectronice se poate face la trei nivele, respectiv sistem, circuit şi dispozitiv, fiecăruia corespunzând trei categorii: proiectanţi de sistem, ingineri de circuit şi fizicieni de dispozitiv.
Pornind de la inginerie, proiectanţii de sisteme microelectronice sunt preocupaţi de comportarea şi funcţionalitatea sistemelor complexe utilizând sinteza de sus în jos. Metodele de proiectare au evoluat rapid fiind utilizată proiectarea semispecializată, respectiv celule standard, arii de porţi, arii de porţi programabile, etc. pentru aplicaţii specifice circuitelor integrate-CI.
Proiectarea CI a fost centrată pe simulatorul de circuit SPICE de la Berkeley, simulatoarele logice de nivel înalt fiind utile pentru creşterea vitezei şi a preciziei. Proiectarea de circuit necesită un set de parametri SPICE extraşi la nivel de layout sau tehnologie, utilizaţi la simularea circuitelor şi pentru verificarea la nivel logic.
Pentru tranzistoarele cu factor mare de scalare sau pentru problemele de transport nestaţionar macromodelele la nivel de circuit nu vor mai fi suficiente sau valide pentru analiză.
Performanţele electrice ale dispozitivelor sunt caracterizate de soluţii numerice 2D/3D ale ecuaţiei Poisson, ecuaţiei de continuitate a curentului, împreună cu ecuaţiile drift-difuzie sau de conservare a energiei. Pentru neechilibru mare şi efecte nelocale este utilizată metoda Monte Carlo pentru rezolvarea precisă a ecuaţiei de transport Boltzmann. La cealaltă extremă se află fizica, cea de la care se aşteaptă formularea unei teorii riguroase a transportului cuantic.
Lucrarea se adresează cadrelor didactice, inginerilor, specialiştilor şi cercetătorilor din domeniul simulării proceselor şi dispozitivelor electronice cu factor mare de scalare realizate pe materiale semiconductoare. Din punct de vedere didactic, ea reprezintă un material util studenţilor facultăţilor de profil pentru discipline precum Technology Computer Aided Design-TCAD, Instrumente Software în Microelectronică-ISM, Dispozitive Electronice sau Tehnologii Microelectronice iar pentru studenţii din anii terminali poate fi o sursă de inspiraţie în alegerea unei teme pentru proiectele de diplomă sau lucrările de disertaţie.
În introducere se face o familiarizare cu evoluţia sistemelor electronice, a modelării şi simulării acestora.
După prezentarea principiilor de bază ale memoriilor nevolatile, tranzistorului MOS şi tranzistorului bipolar cu heterojoncţiuni în capitolul 2, se face o prezentare sintetică a fabricaţiei CI, în capitolul 3. Capitolul 4 prezintă aspectele de bază ale simulării proceselor şi dispozitivelor semiconductoare, iar capitolul 5 modelarea acestora. Următoarele capitole 6-11 conţin aspecte teoretice şi experimentale, principiile de bază şi modelarea proceselor de litografie, corodare, epitaxie, oxidare, difuzie şi implantare.
Capitolul 12 prezintă principalele fenomene de transport ale purtătorilor de sarcină electrică în semiconductor, iar capitolul 13 metode numerice. Ultimele capitole sunt destinate metodei diferenţelor finite capitolul 14, metodei elementului finit capitolul 15 şi metodei Monte Carlo capitolul 16.
În carte sunt prezentate o serie de rezultate obţinute de autorii însăşi, alături de soluţii tehnologice preluate din literatura internaţională de specialitate, oferind astfel cititorului posibilitatea perceperii temelor abordate la nivel mondial. De asemenea, au fost incluse şi simulări cu programele specializate, ca punct de reper şi ca exemple de utilizare pentru studenţi şi doctoranzi.
Cu ocazia publicării acestei cărţi, autorii mulţumesc tuturor cadrelor didactice ale Facultăţii de Electronică şi Telecomunicaţii din Universitatea Politehnica Bucureşti, în mod special colegilor din catedră, colaboratorilor din ţară şi străinătate şi nu în ultimul rând studenţilor, pentru sfaturile, sugestiile şi propunerile deosebit de utile.
Contribuţia autorilor la elaborarea celor 16 capitole este următoarea:
Ş.l. dr. ing. F. Babarada – capitolul 1 (parţial) şi capitolele 2-15.
Prof. dr. ing. M. Profirescu – subcapitolul 1.3, capitolul 16.
Mihai Babarada – Coperta lucrării.
Cuprins
Capitolul 1
Introducere 13
Introducere, 13
Analiza sistemelor electronice, 16
Modelarea, 18
Simularea, 20
Bibliografie, 23
Capitolul 2
Dispozitive semiconductoare 25
Scalarea MOS, 25
Puterea consumată, 26
Pierderi-aspecte tehnologice, 28
Memorii nevolatile semiconductoare, 28
Principiul de funcţionare, 29
Memorii flash, 30
Tranzistorul MOS, 31
Structura şi principiul de funcţionare, 32
Modele ale tranzistorului MOS, 34
Tensiunea de prag, 40
Tranzistorul bipolar, 42
Introducere, 42
Structura şi principiul de funcţionare, 43
Tranzistorul bipolar cu heterojoncţiuni, 46
Bibliografie, 49
Capitolul 3
Fabricaţia circuitelor integrate CMOS 51
Introducere, 51
Proiectarea, 53
Fabricaţia măştilor, 56
Fabricaţia structurilor, 60
Materiale, fluide şi condiţii tehnologice, 61
Încapsularea, 64
Testarea, 66
Fluxul tehnologic al circuitelor integrate bipolare, 67
Fluxul tehnologic al circuitelor integrate CMOS, 70
Bibliografie, 71
Capitolul 4
Simularea proceselor şi dispozitivelor semiconductoare 73
Introducere, 73
Analiza sistemelor microelectronice, 73
Proiectarea CI şi ierarhia fabricării, 74
Dezvoltarea tehnologiei microelectronice, 75
Simularea fizică, 78
Proiectarea experimentului, 83
Modele de analiză a suprafeţei de răspuns, 85
Optimizarea proceselor, 87
Instrumente de simulare Synopsys, 90
Bibliografie, 97
Capitolul 5
Modele de proces şi dispozitiv 99
Introducere, 99
Modelele în tehnologia microelectronică, 102
Dezvoltarea modelelor fizice, 103
Modelele empirice, 105
Modelarea tranzistoarelor MOS pentru analiza distorsiunilor, 107
Modelarea neliniarităţilor în tranzistoarele CMOS, 112
Calculul distorsiunilor în circuitele CMOS analogice, 115
Modelarea efectelor de ordinul doi ale tranzistorului MOS, 117
Modelarea mobilităţii purtătorilor, 120
Modelarea rezistenţei serie, 123
Măsurători experimentale, 127
Bibliografie, 129
Capitolul 6
Litografia 133
Introducere, 133
Parametri fotoreziştilor, 134
Tipuri de fotorezişti, 140
Procesarea fotoreziştilor, 145
Depunerea de straturi groase de fotorezist, 154
Criterii de selecţie a fotoreziştilor, 159
Sisteme optice, 160
Tehnici de expunere, 163
Fotomăştile, 165
Litografia în ultraviolet extrem, 175
Litografia cu raze X, 177
Litografia cu fascicul de electroni, 178
Litografia cu fascicul de ioni, 182
Bibliografie, 183
Capitolul 7
Corodarea 191
Introducere, 191
Parametri proceselor de gravură, 192
Corodarea umedă, 196
Corodarea uscată, 197
Sisteme de corodare în plasmă, 206
Corodarea în plasmă a straturilor groase de nitrură şi polisiliciu, 207
Bibliografie, 211
Capitolul 8
Creşterea epitaxială din fază de vapori 213
Introducere, 213
Cinetica creşterii epitaxiale, 216
Transferul de masă în faza gazoasă, 218
Proprietăţile straturilor epitaxiale, 223
Sisteme de epitaxie, 226
Epitaxia moleculară, 227
Depunerea siliciului pe safir, 229
Recristalizarea siliciului depus pe substraturi amorfe, 230
Evaluarea straturilor epitaxiale, 231
Proprietăţile gazelor, 231
Bibliografie, 232
Capitolul 9
Oxidarea 233
Prelucrarea şi curăţirea plachetelor, 233
Reacţii de oxidare, 236
Cinetica creşterii oxidului, 237
Efectele sarcinii spaţiale şi factorii ratei de oxidare, 245
Interfaţa Si-SiO2, 249
Proprietăţile oxidului şi efectele oxidării, 250
Tehnici de oxidare, 254
Controlul sarcinilor din oxid, 257
Controlul trapelor de la interfaţă, 260
Sarcina fixă din oxid, 262
Imunizarea la radiaţii, 263
Bibliografie, 264
Capitolul 10
Difuzia 265
Introducere, 265
Determinarea fluxului, 266
Ecuaţia de transport, 269
Difuzia în solid, 270
Abateri de la teoria elementară, 279
Metode de impurificare, 287
Măsurarea straturilor difuzate, 289
Bibliografie, 292
Capitolul 11
Implantarea 293
Introducere, 293
Distribuţia ionilor implantaţi, 293
Defecte induse de implantare, 298
Sistemul de implantare si controlul dozei, 299
Tratamente de activare şi refacere, 302
Implantările în tehnologia CI MOS, 304
Bibliografie, 305
Capitolul 12
Transportul electronilor în semiconductoare 307
Introducere, 307
Modelul semiclasic pentru transportul electronilor în corpul solid, 308
Ecuaţia cinetică a lui Boltzmann, 313
Modelul drift-difuzie, 315
Modelul hidrodinamic, 318
Concluzii, 323
Bibliografie, 323
Capitolul 13
Metode numerice 325
Introducere, 325
Exemplu de rezolvarea numerică a ecuaţiilor diferenţiale, 326
BluePink 
