ES2357930A1 - Método de fabricación de estructuras semiconductoras considerando efectos cuánticos. - Google Patents

Método de fabricación de estructuras semiconductoras considerando efectos cuánticos. Download PDF

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Abstract

Método de fabricación de una estructura semiconductora que comprende las etapas de obtención de los parámetros materiales, dimensiones y características externas del dispositivo electrónico, obtención del potencial clásico, los potenciales cuánticos y los cuasi-potenciales de los portadores y las concentraciones de portadores, cálculo de las características eléctricas del dispositivo a partir del potencial cuántico y los cuasi potenciales y comparación de las características eléctricas obtenidas con otras de referencia y optimización de los parámetros materiales en función de esa comparación. Gracias a que los potenciales cuánticos se obtienen de ecuaciones de gradiente de densidad es posible usar el método a escalas muy pequeñas de forma más precisa y rápida.

Description

Método de fabricación de estructuras semiconductoras considerando efectos cuánticos.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método utilizado en la fabricación de semiconductores. Más en particular, se refiere al cálculo de los parámetros del semiconductor necesarios para su fabricación mediante la aplicación de potenciales cuánticos.
Antecedentes de la invención
Los efectos cuánticos tienen actualmente gran importancia en el diseño de los dispositivos electrónicos basados en semiconductores debido a la influencia que tienen sobre las características y el rendimiento de estos elementos. Además está siendo cada vez más importante debido a que con el escalado cada vez más agresivo de estos componentes el efecto de las correcciones cuánticas es cada vez más importante, llegando a invalidar los resultados que se alcanzan si estos no son tenidos en cuenta adecuadamente.
El continuo escalado en los dispositivos semiconductores, sobre todo en el caso de los transistores de efecto campo metal óxido semiconductor (MOSFET), ha alcanzado las dimensiones de decenas de nanómetros. Este escalado se mantiene provocando que las dimensiones criticas de estos elementos sean cada vez más pequeñas. Esto genera importantes problemas tecnológicos que es preciso tener en cuenta para diseñar estos elementos. Frente a los sistemas clásicos para poder caracterizar adecuadamente estos dispositivos es preciso considerar los efectos de las correcciones cuánticas (H.-S. P. Wong. Beyond the convencional transistor. IBM J. Res. Dev, 46(2): 133-168, 2002). Tener en cuenta estos efectos es básico para realizar diseños eficientes, precisar el comportamiento de estos dispositivos, así como probar diferentes estrategias con el fin de aumentar su rendimiento de cara a las distintas aplicaciones desarrolladas a partir de estos dispositivos. Además para poder obtener de forma rápida y precisa el efecto de las correcciones cuánticas es básico, sobre todo cuando se pretende estudiar el efecto de fluctuaciones y variaciones materiales en estos dispositivos debido a los procesos de fabricación, los generados por la naturaleza discreta de la materia. La patente US 200770101301 describe un método para calcular los parámetros de un semiconductor a partir de los potenciales cuánticos. Sin embargo, en este método todos los cálculos se hacen a nivel atómico, usando las funciones de Green y aproximaciones similares, lo que lo hace inviable debido a la ingente cantidad de cálculos que habría que realizar para su aplicación a dispositivos en tres dimensiones de tamaño real, además de los problemas que presenta cuando estos dispositivos están muy dopados, que corresponde a los dispositivos que se fabrican en la actualidad. El uso de dispositivos semiconductores basados en transistores MOSFET en los cuales la región de óxido de la puerta es cada vez más estrecha requiere considerables cambios en los diseños de estos elementos y en la aplicación de los diversos criterios de escalado. A estas dimensiones los efectos cuánticos son muy importantes y deberían de tenerse en cuenta para la correcta fabricación de estos transistores. Modelos previos resultan ser demasiado lentos para el proceso de diseño de las nuevas estructuras debido a la complejidad de su estructura y de los materiales necesarios.
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto resolver los problemas expuestos anteriormente mediante el siguiente procedimiento:
a. obtención de los parámetros materiales, dimensiones y características externas del dispositivo electrónico,
b. obtención del potencial clásico a partir de la etapa anterior,
c. obtención de los cuasi-potenciales de los portadores y las concentraciones de portadores,
d. obtención de los potenciales cuánticos a partir del potencial clásico y los cuasi-potenciales,
e. cálculo de las características eléctricas del dispositivo a partir del potencial cuántico y los cuasi potenciales,
f. proceso de comparación de las características eléctricas obtenidas con otras de referencia y se optimizan los parámetros materiales en función de esa comparación.
El paso d. se efectúa usando las ecuaciones de gradiente de densidad.
En el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras irregulares o que esté divido internamente en elementos irregulares, el potencial cuántico para los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula de gradiente de densidad:
1
Donde 2 siendo m_{n} la masa del electrón, \hbar es la constante de Planck reducida, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, \psi_{qn} es el potencial cuántico efectivo de electrones, \varphi el potencial, \phi_{n} es cuasipotencial de electrones, \vec{n} el vector normal a la superficie de separación S, \theta_{i} es la función de forma sobre el nodo i de la malla correspondiente al elemento \Omega.
Para los huecos se utiliza la siguiente fórmula:
3
Si las fronteras son regulares y el semiconductor está internamente dividido en elementos regulares el potencial cuántico para el caso de los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula:
4
El potencial cuántico para el caso de los huecos se calcula mediante la fórmula:
5
El proceso de obtención de los efectos cuánticos usa el modelo de gradiente de densidad utilizando una formulación específica que presenta una variación mucho más pequeña que los sistemas estándar en los cuales aparecen dependencias tipo exponencial o logarítmica. Este sistema utiliza una dependencia del orden del potencial y no del orden de la concentración que es mucho más grande. La ventaja del método propuesto es que se puede aplicar a dispositivos de tamaño real y realizar el estudio en tres dimensiones incluso en estructuras con formas irregulares. Además de poder aplicarse a casos donde las distintas regiones están dopadas con valores muy elevados.
Breve descripción de las figuras
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la presente descripción, acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la invención, se adjuntan las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:
La figura 1 compara las características I_{D}-V_{G} obtenidas con las experimentales a baja tensión de drenador (0,05 V) y a alta tensión de drenador (1,2 V).
La figura 2 es una representación del potencial cuántico efectivo en equilibrio.
La figura 3 es una gráfica del potencial cuántico en el plano y = 0.
La figura 4 es una representación de la concentración de electrones incluyendo las correcciones cuánticas cuando V_{D}=0.05 V y V_{G}=0.0 V.
La figura 5 es una representación del potencial incluyendo correcciones cuánticas cuando V_{D}=0.05 V y V_{G}=0.0 V.
La figura 6 es una representación de las curvas características I_{D}-V_{D} obtenidas considerando y sin considerar correcciones cuánticas.
Descripción detallada de la invención
La ventaja del método propuesto es que se puede aplicar a dispositivos de tamaño real y realizar el estudio en tres dimensiones incluso usando dispositivos con formas no rectangulares, irregulares o curvas. Además de poder aplicarse a casos donde las distintas regiones están dopadas con valores muy elevados.
La invención posibilita la optimización del diseño de cualquier dispositivo semiconductor sin tener que aproximar las medidas del semiconductor a las de uno ideal. En una primera etapa se parte de una estructura semiconductora inicial con las dimensiones y los parámetros físicos (la permitividad, la movilidad de los portadores, la afinidad, el gap de energía, la masa de cada uno de los portadores, la constante de red y los factores de generación y recombinación) de cada uno de los elementos que componen el dispositivo que se pretende optimizar. Posteriormente, se suele realizar una calibración para poder obtener la precisión de las máquinas de desarrollo y medida utilizadas para crear el dispositivo y medirlo. En una tercera etapa se usan los valores de estos parámetros para calcular las características eléctricas del dispositivo teniendo en cuenta los potenciales cuánticos e incluyéndose los correspondientes márgenes de error debido a las medidas y los correspondientes al propio método. En una cuarta etapa se analizan los valores así obtenidos y se comparan con las características eléctricas deseadas, realizándose los cambios pertinentes para mejorar la estructura del semiconductor hasta que los resultados obtenidos se ajustan a los requeridos.
A partir de los parámetros de cada uno de los materiales que componen la estructura semiconductora (la permitividad, la movilidad de los portadores, la afinidad, el gap de energía, la masa de cada uno de los portadores, la constante de red y los factores de generación y recombinación) se realiza un cálculo incluyendo el potencial cuántico de los parámetros eléctricos que se obtendrían con esa estructura entre los que están las corrientes y tensiones y la frecuencia de funcionamiento.
Hasta ahora el cálculo de los efectos cuánticos se hacía a nivel atómico, usando las funciones de Green y aproximaciones similares, lo que supone una ingente cantidad de cálculos que habría que realizar e imposibilita su aplicación a dispositivos en tres dimensiones de tamaño real, además de presentar problemas cuando estos dispositivos están muy dopados.
En la presente invención, por el contrario, se usa un modelo de partida basado en las ecuaciones de arrastre-difusión básicas en estado estacionario que modelan el comportamiento de los transistores. Estas ecuaciones son la de Poisson y las de continuidad de huecos y de electrones. Éstas ecuaciones de arrastre-difusión son las siguientes:
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6
donde \varphi es el potencial electrostático, q la carga del electrón, \varepsilon la constante dieléctrica, p y n las densidades de electrones y huecos respectivamente, y N^{+}_{D} y N^{-}_{A} son las concentraciones de impurezas donadoras y aceptoras ionizadas, y J_{n} y J_{p} las densidades de corriente de electrones y huecos respectivamente. El factor R representa la tasa de recombinación volúmica y superficial. Las densidades de corriente de huecos y de electrones vienen dadas por las expresiones:
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7
donde \mu_{n} y \mu_{p} son las movilidades de electrones y huecos respectivamente y \phi_{n} y \phi_{p} los cuasipotenciales de Fermi.
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Las concentraciones de portadores n y p en función de los cuasipotenciales de Fermi y del potencial electrostático vienen dados por:
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8
donde 9 siendo K la constante de Boltzman y T la temperatura. Los valores de las concentraciones intrínsecas efectivas de electrones y huecos n_{ien} y n_{iep} indican los efectos de degeneración del semiconductor, de la variación de los parámetros con la composición, o de la existencia de varias bandas o valles, incluyendo efectos debidos a que las bandas no sean parabólicas Los valores de n y p, para un semiconductor con varias bandas que intervengan en el transporte, pueden expresarse en función de la concentración intrínseca del material de referencia en las bandas de conducción y de valencia N_{(c,v),j}, la densidad efectiva de estados, las integrales de Fermi-Dirac, que operan sobre funciones que relacionan la energía en las distintas bandas, y la afinidad electrónica \chi, por lo que resultará:
10
El efecto de las correcciones cuánticas se puede incluir en esta aproximación en primer orden usando el modelo de gradiente de densidad. Las ecuaciones que es preciso introducir en el modelo para conocer la influencia de los efectos cuánticos sobre la densidad de portadores son las siguientes
11
donde n y p son las densidades de electrones y huecos, \psi_{qn} Y \psi_{qp} son los potenciales cuánticos efectivos de electrones y huecos, b_{n} y b_{p} son coeficientes constantes del modelo de gradiente de densidad. Esta ecuación esta sujeta a las siguientes condiciones de contorno que definen las fronteras que rodean al dispositivo:
12
donde la frontera \partial\Omega corresponde al dominio de la simulación \Omega, el cual se divide en la parte correspondiente a las fronteras tipo Neumann \partial\Omega_{N} y otra parte a las fronteras tipo Dirichlet \partial\Omega_{P}. Este último tipo de fronteras se subdividen en dos partes: DI son los segmentos correspondientes a la zona de contacto entre el óxido y la puerta y D2 son los segmentos correspondientes a los contactos óhmicos de fuente y drenador. Estas ecuaciones son discretizadas usando procedimientos conocidos.
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El esquema que se propone parte de la ecuación original escalada para el potencial cuántico de electrones es el siguiente:
13
\newpage
Usando
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y realizando la transformación a
15
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se obtiene la siguiente transformación de la ecuación anterior:
16
Utilizando el método de elementos finitos (FEM) en su formulación estándar, y considerando como función de prueba v, aplicando el teorema de Gauss y el teorema de Green resultará:
17
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Esta fórmula se transforma usando la formulación del MEF a:
18
Donde la incógnita del problema, u, y el resto de las variables de esa ecuación, tienen el rango de variación que le corresponde al potencial, y no a ninguna concentración de portadores, las cuales son muchísimo más grandes. Además se ha pasado de dependencias exponenciales o logarítmicas a una ecuación cuadrática, la cual por tanto es mucho más fácil de resolver.
Se puede hacer una aproximación similar para resolver la ecuación de gradiente de densidad si utilizásemos un esquema de diferencias finitas o similar. Para ello se puede usar la siguiente formulación transformada de la ecuación general para electrones:
19
Sobre esta ecuación se puede aplicar directamente el método clásico de diferencias finitas o similar usando la formulación estándar y obteniendo así el valor de u en cada nodo de la malla de diferencias finitas, y por lo tanto se puede deducir el valor de la corrección cuántica, considerando:
20
como:
21
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Para el segundo caso, correspondiente a los huecos, usando la relación
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se obtiene con la formulación estándar:
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Igual que en el caso anterior esta ecuación es discretizada para poder resolverla usando cualquier esquema de discretización (por ejemplo, diferencias finitas, volúmenes finitos o elementos finitos). Usando la aproximación indicada resultan los parámetros a obtener con menor rango de variación numérica y más fáciles de medir. Además al poder aplicarlo de forma optimizada al caso de usar mallas no estructuradas o al aplicarlo a dispositivos con geometrías complejas, la técnica propuesta es capaz de encontrar un diseño óptimo. Seguidamente se determina la corrección cuántica para los huecos a partir de la ecuación original escalada para huecos, que es la siguiente:
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Usando:
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y realizando cambio de variables a
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se obtiene la siguiente transformación de la ecuación anterior:
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Utilizando el método de elementos finitos (FEM) en su formulación estándar, y considerando como función de prueba v, aplicando el teorema de Gauss y el de Green resultará:
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Esta fórmula se transforma usando la formulación MEF a:
29
Donde la incógnita del problema, w, y el resto de las variables de esa ecuación, tienen el rango de variación que le corresponde al potencial, y no a ninguna concentración de portadores, las cuales son muchísimo más grandes. Además se ha pasado de dependencias exponenciales o logarítmicas a una ecuación cuadrática, la cual es por tanto mucho más fácil de resolver.
Se puede hacer una aproximación similar para resolver la ecuación de gradiente de densidad si utilizásemos un esquema de diferencias finitas o similar. Para ello se puede usar la siguiente formulación transformada de la ecuación general anterior para huecos:
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Sobre esta ecuación se puede aplicar directamente el método clásico de diferencias finitas o similar usando la formulación estándar y obteniendo así el valor de w en cada nodo de la malla de diferencias finitas, y por lo tanto se puede deducir el valor de la corrección cuántica, para los huecos como:
31
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como:
32
La técnica propuesta se integra con el modelo necesario para resolver las ecuaciones de Poisson y de continuidad de portadores. Para la ecuación de Poisson se puede utilizar la misma técnica de discretización, elementos finitos, volúmenes finitos o diferencias finitas. En el caso de utilizar el FEM usando una malla no estructurada basada en elementos tetraédricos se utilizan funciones de forma lineales. Para este caso la formulación de la ecuación de Poisson da lugar a:
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donde K es el número del vértice en \overline{\Omega}, y \hat{\varphi}_{i} y \hat{\varphi}_{j} son las funciones de forma sobre el elemento máster \Omega_{e} sobre los vértices P_{i} y P_{j}.
En el caso de utilizar el modelo de transporte basado en arrastre-difusión, la discretización de las ecuaciones de corriente requiere el uso de esquemas de discretización específicos como el de Scharfetter-Gummel. Si J_{e} denota el Jacobiano de la transformación x = x (\xi) del elemento T al elemento de referencia T_{m}, y B_{T} (\Delta\varphi_{D}) = diag (B(\varphi_{D}(P_{o})-(\varphi_{D}(P_{1})), ...), donde B es la función de Bernoulli, y P_{i}= 0, ..., n son los vértices del elementos de referencia T_{m}; y G_{m} es el centro de gravedad del elemento T_{m}, y x_{GT}= x(G_{m}) la imagen de G_{m} en el elemento T, se obtiene:
34
el cual corresponde al valor de la densidad de corriente dentro de un elemento. Las variables que presentan el subíndice D se refieren a las variables discretizadas sobre los nodos de la malla. Aplicando el MEF se obtiene la siguiente ecuación discretizada:
35
Si se utilizase otro modelo de transporte el esquema sería similar y se resolvería acopladamente las ecuaciones de Poisson, gradiente de densidad junto con las del modelo de transporte.
Los sistemas clásicos simplemente no tienen en cuenta estos efectos cuánticos por lo cual los diseños realizados partiendo de esos parámetros no se ajustan a lo que obtiene finalmente. Los sistemas usados para calcular los parámetros característicos en el caso de dispositivos en los que los efectos cuánticos son importantes, como los MOSFET nanométricos, necesitan obtener el valor de los potenciales cuánticos. Los esquemas usados hasta el momento que consideran estos efectos cuánticos presentan grandes inestabilidades numéricas y son difíciles de implementar en muchos casos y además no permiten obtener la solución de forma rápida y precisa. El sistema propuesto es mucho más rápido y eficiente, y además el rango de variación numérica es similar al del potencial, el cual varía solo un orden de magnitud, frente al caso estándar el cual varía casi tanto como la concentración llegando por lo tanto a valores numéricos muy dispares. Además el sistema propuesto permite utilizar cualquier esquema de discretización, como elementos finitos, diferencias finitas, volúmenes finitos, etc., sin tener perdida de generalidad.
El proceso de obtención de los efectos cuánticos usando el modelo de gradiente de densidad utilizando la formulación específica, la cual presenta una variación mucho más pequeña que los sistemas estándar en los cuales aparecen dependencias tipo exponencial o logarítmica.
Este sistema utiliza una dependencia del orden del potencial y no del orden de la concentración que es mucho más grande. Se ha comprobado la utilidad del modelo incluyéndolo en un simulador tridimensional y paralelo basado en elementos finitos utilizando el modelo de arrastre-difusión, aunque es posible utilizar otros modelos de transporte como el Monte Cario, y se ha aplicado a diversos dispositivos. En las gráficas se muestra uno de los casos más difíciles de resolver un MOSFET tipo-N con puerta efectiva de 67 nm. Todo el proceso esta basado en una calibración inicial contra los valores experimentales de I-V.
En la figura 1 se compara las características I_{D}-V_{G} obtenidas con las experimentales a baja tensión de drenador (0,05 V) y a alta tensión de drenador (1,2 V). La figura 2 representa el potencial cuántico incluyendo el efecto de las correcciones cuánticas en equilibrio y la figura 3 un corte a lo largo del plano y = 0. Las figuras 4 y 5 muestran la concentración de electrones y el potencial total usando el modelo propuesto a V_{D}=0.05 V y V_{G}=0.0 V.
Las curvas características I_{D}-V_{D} obtenidas a 0,05 V sin tener en cuenta el efecto de las correcciones cuánticas y teniéndolo en cuenta se comparan en la figura 6. El efecto de las correcciones cuánticas es reducir la corriente total de drenador, incrementar el voltaje umbral y reducir la pendiente en la zona sub-umbral, cambiando considerablemente las características del dispositivo, por lo cual tener un sistema que las tenga en cuenta apropiadamente es básico para poder caracterizar adecuadamente el dispositivo.

Claims (6)

1. Método de fabricación de una estructura semiconductora que comprende las etapas siguientes:
a. obtención de los parámetros materiales, dimensiones y características externas del dispositivo electrónico,
b. obtención del potencial clásico a partir de la etapa anterior,
c. obtención de los cuasi-potenciales de los portadores y las concentraciones de portadores,
d. obtención de los potenciales cuánticos a partir del potencial clásico y los cuasi-potenciales,
e. cálculo de las características eléctricas del dispositivo a partir del potencial cuántico y los cuasi potenciales,
f. comparación de las características eléctricas obtenidas con otras de referencia y optimización de los parámetros materiales en función de esa comparación,
caracterizado en que el paso d. se efectúa usando las ecuaciones de gradiente de densidad.
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2. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque, en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras irregulares o que esté dividido internamente en elementos irregulares, el potencial cuántico para los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula de gradiente de densidad:
36
Donde 37 siendo m_{n} la masa del electrón, \hbar es la constante de Planck reducida, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, \psi_{qn} es el potencial cuántico efectivo de electrones, \varphi el potencial, \phi_{n} es cuasipotencial de electrones, \vec{n} el vector normal a la superficie de separación S, \theta_{i} es la función de forma sobre el nodo i de la malla correspondiente al elemento \Omega.
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3. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras regulares y que internamente este dividido en elementos regulares el potencial cuántico para el caso de los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula:
38
donde 39 siendo m_{n} la masa del electrón, r un parámetro característico de cada dispositivo y q la carga del electrón, \psi_{qn} es el potencial cuántico efectivo de electrones, \varphi el potencial y \phi_{n} es cuasi-potencial de electrones.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras irregulares y que este dividido internamente en elementos irregulares el potencial cuántico se calcula para los huecos mediante la siguiente fórmula:
40
Donde 41 siendo m_{p} la masa del hueco, \hbar es la constante de Planck reducida, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, \psi_{qp} es el potencial cuántico efectivo de huecos, \varphi el potencial, \phi_{p} es cuasipotencial de huecos, \vec{n} el vector normal a la superficie de separación S, \theta_{i} es la función de forma sobre el nodo i de la malla correspondiente al elemento \Omega.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras regulares y que internamente este dividido en elementos regulares el potencial cuántico para el caso de los huecos se calcula mediante la fórmula:
42
Donde 43 siendo m_{p} la masa del electrón, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, \psi_{qp} es el potencial cuántico efectivo de huecos, \varphi el potencial, \phi_{P} es cuasipotencial de huecos.
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6. Método de fabricación de un dispositivo electrónico donde los elementos semiconductores que lo componen son fabricados mediante un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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