S IMULATEUR S ENTAURUS P ROCESS

Les outils TCAD (Technology Computer Aided Design) sont dédiés à la simulation des composants élémentaires impliqués dans les circuits microélectroniques.

Les outils de simulations TCAD facilitent le développement des nouveaux circuits. Par exemple, ils peuvent permettre une étude prédictive de l’influence de la variation de certains paramètres technologiques sur des caractéristiques électriques. La réalisation de chacun des lots tests représente des coûts de fabrication importants et un temps considérable. L’utilisation des outils de simulation TCAD facilite l’étude de faisabilité d’un problème, l’étude spécifique sur certains paramètres critiques et l’étude prédictive sur la base d’une technologie existante.

Ainsi, la simulation est en quelque sorte un moyen économique pour l’industrie impliquée dans le développement des nouveaux dispositifs.

II.4.1 Sentaurus Process

Nous allons utiliser pour nos simulations le simulateur Sentaurus Process (SProcess). C’est un simulateur de procédés de fabrication avancé développé par Synopsys®. Il réalise des simulations 1D (unidimensionnelle), 2D (bidimensionnelle) et 3D (tridimensionnelle) et est particulièrement approprié pour le silicium et les semiconducteurs. Il est aussi bien adapté aux technologies actuellement en production qu’à celles de demain grâce à une base de données de modèles et des programmes régulièrement remis à jour afin d’être le plus prédictif possible. Sentaurus Process simule toutes les étapes des procédés de fabrication : l’implantation (Monte Carlo, Taurus MC (Monte Carlo) ou Crystal-TRIM), la diffusion, l’oxydation, la gravure, les dépôts etc… Il apporte, de façon générale une compréhension des phénomènes physiques impliqués dans chacune des étapes de fabrication. Sentaurus Process utilise un langage d’écriture Alagator qui permet à chaque utilisateur de créer sa propre simulation avec le choix des équations et des modèles, à partir d’une base commune. La visualisation des résultats peut se faire en une dimension, deux dimensions ou trois dimensions.

La simulation est fondée sur un modèle standard élaboré à partir de résultats expérimentaux, principalement des profils SIMS dans le cas des étapes d’implantation et de diffusion. Ces résultats proviennent de différents utilisateurs du simulateur. Les contributions,

langage de simulation, la même base de travail. Le second est d’avoir accès à des modèles sans cesse mis à jour, donc toujours mieux calibrés avec encore plus d’effets physiques pris en compte. Chaque nouvelle version est mise à disposition par Synopsys® tous les six mois.

En utilisant la partie du logiciel nommée « Advanced Calibration », nous pouvons créer une base de données expérimentales et calibrer le modèle standard pour obtenir un bon accord entre les résultats expérimentaux et la simulation, dans le domaine spécifique de notre étude.

Plus la calibration sera précise, plus les simulations reflèteront la réalité et pourront servir de base de travail. Les futures simulations donneront ainsi une bonne tendance prédictive.

II.4.2 Le modèle de diffusion – Conditions initiales de diffusion

La partie du modèle traitant de la diffusion des dopants couplée avec les défauts ponctuels du silicium est fondée sur le modèle complet développé par Mathiot et al. [MATH84]. Les principales caractéristiques de ce modèle sont :

- La diffusion du dopant est souvent précédée de l’étape d’implantation. La simulation de l’implantation est soit issue du logiciel en utilisant la méthode de simulation Monte Carlo, soit réalisée en utilisant une distribution analytique, calculée à partir de profils SIMS et des simulateurs Monte Carlo.

- La diffusion du dopant est assistée à la fois par les lacunes et les auto-interstitiels. Cela offre la possibilité de simuler aussi bien les dopants utilisant préférentiellement le mécanisme lacunaire (arsenic, antimoine) ou ceux utilisant majoritairement le mécanisme interstitiel (phosphore, bore).

- L’impureté dopante en site substitutionnel est considérée comme électriquement active et immobile. Sa diffusion se réalise uniquement via la formation et la migration des paires dopant-lacune et dopant-interstitiel.

- Les défauts ponctuels ainsi que les paires dopant-défauts coexistent sous plusieurs états de charge différents. Ces états de charge sont choisis en fonction des différentes connaissances publiées dans la littérature sur ce sujet. La concentration relative entre ces différents états de charges est gouvernée par la position locale du niveau de Fermi calculée à partir de l’équation de neutralité.

- L’équation de neutralité est obtenue en considérant l’ensemble des espèces présentes localement y compris les défauts ponctuels.

- L’expression générale de base du simulateur du flux de diffusion de la particule A ayant une charge c prend en compte les effets électriques et la concentration de défauts sur le coefficient de diffusion. Elle est donnée par l’équation II-21 :

 concentration d’électrons libres et ni la concentration intrinsèque d’électrons. L’équation de diffusion d’une particule A de charge c est :

clus R^trans et de la contribution des autres réactions (formation de clusters par exemple) pour R^clus.

- Contrairement au modèle original de Mathiot et al. [MATH84], l’équilibre local entre les paires et les défauts ponctuels n’est pas considéré. Cela implique que ce modèle est dynamique et qu’il offre la possibilité de paramétrer les différentes vitesses de réactions entre chacune des espèces. L’inconvénient majeur est qu’il n’existe pas, à un instant donné, de relation simple entre les différentes espèces.

- La surface est considérée comme un piège pour les défauts ponctuels auxquels il faut assigner une certaine efficacité de recombinaison. Cela implique qu’à la surface, les concentrations d’auto-interstitiels et de lacunes tendent vers leurs concentrations d’équilibre. Cela permet donc d’ajuster ce paramètre en fonction de l’état de surface et de l’ambiance gazeuse du recuit.

Finalement, ce modèle classique de diffusion dépend de six variables intégrées dans des équations. Chacune de ces équations retrace l’évolution dans le temps et l’espace d’une espèce particulière. Les six variables qu’il faut considérer sont les concentrations totales :

- de lacunes C_V^tot

- d’auto-interstitiels C_I^tot - de paires dopant-lacunes C^tot_AV

- de paires dopant-interstitiels C^tot_AI

- de dopants en position active ou substitutionnelle

As

C - de porteurs majoritaires libres (p ou n).