6.6 Simulation einer Struktur aus der Topographiesimulation

  
Abbildung 6.23: Explosionszeichnung eines MOS-Transistors; diese Struktur ist das Ergebnis einer Topographiesimulation eines realistischen Herstellungsprozesses. Dargestellt sind die diskretisierten Einzelteile des Transistors.

  
Abbildung 6.24: Schematische Darstellung des simulierten Ausschnittes aus dem MOS-Transistor.

In diesem Abschnitt werden einige wichtige Teilschritte für die Herstellung eines Transistors simuliert. Es wird die Fertigung eines ,,Lightly Doped Drain`` (LDD) beschrieben. Besprochen werden die für die Source/Drain-Dotierung des LDD's wichtigsten Prozeßschritte, also zuerst die notwendigen Depostions- und Ätzschritte für die Herstellung des Gates und dann die zwei Implantations- und die dazwischenliegenden beiden Topographieschritte zur Herstellung des LDD's.

Es wird ein Viertel des Transistors gerechnet (die anderen Teile ergeben sich dann symmetrisch zu diesem Ausschnitt). Die Geometrie des simulierten Teilgebietes ist schematisch in Abb. 6.24 gezeigt. In Abb. 6.23 ist die Explosionszeichnung des Ergebnisses der Topographiesimulation dargestellt. Abgebildet sind die einzelnen Teilgebiete nach der Diskretisierung mittels des Octrees.

Ausgangspunkt ist eine Struktur nach der lokalen Oxidation. Da es sich um einen sogenannten ,,Selfaligned Process`` [Sch91b] handelt, wird zuerst das Poly-Silizium-Gate aufgebracht. Dazu wird mittels eines isotropen Depositionsschrittes die gesamte Struktur mit Polysilizium überzogen, anschließend wird das (zukünftige) Gate maskiert, und das Polysilizium vom restlichen Gebiet wieder anisotrop (reactive Ion-Etching) zurückgeätzt. Dann bleibt die in Abb. 6.23 dargestellte Struktur (ohne Spacer - also nur das Substrat, das Oxyd und das Polysilizium-Gate) über. In diese Geometrie wird nun Bor mit einer Energie von 30 keV und einer Dosis von Ionen/cm für den weiter an der Oberfläche liegenden, niedriger dotierten Teil implantiert.

Der Spacer wird in zwei Schritten erzeugt: Zuerst wird Oxyd isotrop deponiert und anschließend wieder anisotrop weggeäzt. Dadurch erhält man den Spacer nach Abb. 6.23. In diese Struktur (siehe auch Abb. 6.24) wird noch einmal Bor, diesmal allerdings mit einer Energie von 45 keV und einer Dosis von Ionen/cm implantiert. Die Ergebnisse dieser erstmals vollkommen dreidimensionalen, gekoppelten Topographie- und Implantationssimulation sind in Abb. 6.25 - Abb. 6.31 dargestellt.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes x in der Mitte des nicht maskierten Fensters.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes y in der Mitte des Source/Drain Gebietes.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes z in der Mitte des Gates.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes z an der Grenze zwischen Luft und Oxyd.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes z an der Grenze zwischen Oxyd und Substrat.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes z im Substrat.

  
Abbildung: Ergebnis der Simulation des MOS-Transistors aus Abb. 6.24; Schnitt für konstantes x in der Mitte des nicht maskierten Fensters. In der mit 1 bezeichneten Region sieht man den höher dotierten Teil des LDD's, 2 bezeichnet den niedriger dotierten Teil.

In Abb. 6.25 ist das Ergebnis für konstantes x dargestellt, in der Mitte des freien Fensters. Die Position des Schnittes kann aus der, neben dem Ergebnis dargestellten Skizze der Struktur, entnommen werden. Es gibt eine deutliche Erhöhung der Konzentration im Oxyd (bei ungefähr 0.9 m in z-Richtung und zwischen einer y-Koordinate von 0.2 bis 0.8 m). Eine dünne Oxydschicht mit einer Dicke von einigen Nanometern, das sogenannte ,,Screening Oxide`` kann praktisch nicht vermieden werden. Es entsteht in einer spontanen Reaktion, sobald Silizium mit Sauerstoff in Berührung kommt (zum Beispiel beim Transport der Siliziumscheiben zwischen zwei Prozeßschritten). Diese Schichte erweist sich aber durchaus als günstig - etwa als Schutzschicht gegen weitere Verschmutzungen der Oberfläche. Hier wurde eine Dicke der Schichte von 15 Nanometern angenommen. In Abb. 6.26 ist ein Querschnitt für konstantes y - wieder in der Mitte des freien Fensters, wie der Skizze zu entnehmen ist - gezeigt. Auch hier kann man die höhere Konzentration im Oxyd sehen, das Silizium-Substrat beginnt bei etwa 0.9 m in vertikaler (z-) Richtung.

Die nächsten vier Abbildungen (Abb. 6.27 - Abb. 6.30) zeigen alle Querschnitte in verschiedenen Höhen für konstante vertikale Koordinate z. Das erste Bild Abb. 6.27 zeigt noch das Dotierungsprofil im Gate. In der nächsten Abbildung (Abb. 6.28) ist die Konzentration an der Oberfläche des Oxyds im Source/Drain-Bereich dargestellt. Die höheren Konzentrationen eher am Rand des dargestellten Gebietes kommen daher, daß die meisten Ionen natürlich nicht gleich an der Oberfläche des Targets stehenbleiben, sondern erst in einer bestimmten Tiefe (das ist die mittlere Eindringtiefe). Im vorderen Teil, wo die Konzentration geringer ist, dort liegt (wie auch der Skizze der Geometrie zu entnehmen ist) dieser Schnitt aber praktisch an der Oberfläche des Targets, wohingegen die Ränder bereits tiefer im Oxyd liegen (siehe Geometrieskizze). Weiter außen, wo die Konzentration dann wieder abnimmt, liegt dieser Querschnitt wieder tiefer im Material.

In der nächsten Abb. 6.29, die an der Grenze zwischen Oxyd und Substrat liegt, ist nun die darüberliegende Schichte am Rand dick genug, sodaß praktisch keine Ionen mehr durchdringen. In der Mitte ist das Silizium aber praktisch nur mehr durch die dünne Oxydschicht abgedeckt. Daher ist nun dort die höhere Konzentration. Abb. 6.30 schließlich liegt im Substrat und in y-Richtung teilweise noch im Oxyd. Wieder ist die höhere Konzentration an der Grenzschicht zwischen Oxyd und Silizium zu sehen, während die Bor-Konzentration in x-Richtung an der linken Seite praktisch verschwindet, weil dieser Bereich vollständig abgedeckt ist. Bemerkenswert ist der Unterschied in der Konzentration in diesen beiden Abbildungen: In Abb. 6.29 an der Grenze zwischen Oxyd und Substrat beträgt sie fast 10/cm, in Abb. 6.29 im Substrat etwas mehr als 10/cm.

In Abb. 6.31 sind noch die Konturlinien für einen Querschnitt bei konstantem x in der Mitte des nur von dem dünnen Oxyd bedeckten Teiles des Transistors gezeigt. Hier kann man den entstandenen LDD deutlicher sehen: Bis zu dem Bereich, der in Abb. 6.31 mit 1 bezeichnet ist, reicht der hochdotierte Teil, im Bereich 2 liegt der niedriger dotierte Teil, bei dem auch die Eindringtiefe etwas geringer ist. Diese Konzentration reicht allerdings lateral weiter in das Substrat, weil ja beim ersten Implantationsschritt der Spacer noch nicht vorhanden ist.