ISETCAD1半导体工艺及器件模拟资料教程.ppt

1半导体工艺及器件模拟 半导体工艺及器件模拟（仿真）概述1.什么是仿真？仿真（Simulation)和建模（modeling）是密不可分的建模是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律 仿真是在这个一般规律的基础上，对某事物在特定条件下的行为进行推演和预测因此建模是仿真的基础，仿真是随着建模的发展而发展的12 2半导体工艺和器件模拟2.本课程主要研究内容：l 半导体工艺模拟在计算机辅助下，运用数学模型对具体工艺进行模拟的过程l 半导体器件模拟通过工艺模拟得出的杂质分布结果,并施加一定的偏压，对所制造器件的电学性质进行分析和研究l 课程重点：工艺流程描述语句，器件的工艺实现，器件几 何结构及掺杂，电学特性仿真，器件的参数提取，IC电路仿真所用器件模型参数提取3半导体工艺和器件模拟3.半导体仿真器仿真实质上是通过仿真器来实现的一般仿真器实质上等于输入接口+模型库+算法+输出接口,核心部分是模型库的建立，其中精度、处理速度需要通过算法来调节一个半导体仿真器功能是否强大，就是看模型库是否强大半导体工艺、半导体物理、部分集成电路理论不仅是学习这门功课所需要的前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最需要的理论基础。

所以仿真器是随着对半导体理论的探索和对实验数据的累计的发展而发展的35半导体工艺和器件模拟工艺仿真：可实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟可用于设计新工艺，改良旧工艺 器件仿真：可以实现电学特性仿真，电学参数提取可用于设计新型器件，改良旧结构器件，验证器件的电学特性如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等或建立简约模型以用于电路仿真提取器件参数， 56半导体工艺和器件模拟4.该课程需要哪些基础知识l 半导体物理学 l 半导体器件物理l MOS、BJT、Diode、功率器件等集成电路工艺技术l 简单的电路基础知识67半导体工艺和器件模拟5. 学到什么程度？掌握模拟仿真软件的使用，对半导体工艺、器件进行模拟和分析具体包括 ：1.复习现有以硅为主的超大规模集成电路工艺技术学习工艺仿真软件的使用方法（氧化、扩散、离子注入、淀积、刻蚀、光刻等工艺流程描述语句） 78半导体工艺和器件模拟2）熟悉并学会使用器件仿真软件:（1）学习如何用仿真语句编写器件的结构特征信息 （2）学习如何使用Dessis器件仿真器进行电学特性仿真 （3）利用工艺器件仿真软件Dios，培养和锻炼工艺流程设 计，新器件的工艺流程设计和新器件开发等方面的技 能。

89半导体工艺和器件模拟常用工艺和器件模拟软件：TsupremIV+Medici, SilVACO, ISE_TCAD（10.0版本）其中主要商用软件有两个：Silvaco, Sentaurus_TCAD (ISE_TCAD的升级版，是synopsys收购了ISE后整合的产品) 该课程重点介绍软件使用方法，学习工艺和器件模拟流程，算法的研究不是重点91010半导体工艺和器件模拟l 首先结合半导体器件制造的基本工艺，介绍ISE_TCAD平台工艺仿真指令：半导体工艺模块称为DIOS, 首先需要编写一个文件，其扩展名必须为*_dio.cmd. 例如：PN_dio.cmd下面结合半导体器件制备的主要工艺讲解文件中的指令用法几乎所有器件制备工艺都是这些工艺步骤的反复应用四个最基本的工艺步骤包括增层、光刻、掺杂、热处理1111半导体工艺和器件模拟1.衬底的准备：衬底的基本参数 衬底（类型、掺杂浓度、晶向）Substrate(element=P, Concentration=5e15, orientation=100)Element不用P型N型，而用具体掺杂的杂质2. 增层：指在晶圆表面形成薄膜的加工工艺，主要包括：l 氧化：在DIOS中所有的高温工艺均用Diffusion来表示氧化的基本参数 氧化（时间，温度，加入的气体）Diffusion(time=10min,temper=900deg,atmosphere=O2)其他的高温过程，例如Hcl,H2O,H2O2,N2,Epitaxy, prebake, mixture,均采用Diffusion语句作为字头。

1212半导体工艺和器件模拟l 淀积：物理方法： 蒸发（热蒸发，电子束蒸发），溅射化学方法：化学气相沉积（CVD)描述淀积的基本语句：淀积（材料，厚度（或时间及沉积速率），类型）类型包括各行同性、各向异性、填充式,缺省指各向同性Deposit（material=oxide, Thick=100nm)Deposit（material=ox,Thick=0.2um,Dtype=Fill, YFill=0.5)1313半导体工艺和器件模拟3. 光刻：通过一系列步骤，将晶园表面薄膜的特定部分去除光刻后，晶圆表面会留下微结构图形该步骤是四个工艺步骤中最重要的，它确定器件的关键尺寸在DIOS中，光刻分两个步骤实现：1）涂胶，腐蚀光刻胶的步骤忽略基本参数（材料，厚度，范围）Mask(material=resist, thick=1um, x(-4,-2,-1.5,4) )除涂胶用Mask命令以外，还可做其他材料的掩膜. 例如：Mask(material=Nitride, Thick=1um）Mask(material=Poly,Thick=1um)1414半导体工艺和器件模拟2) 刻蚀：主要参数（刻蚀材料，刻蚀厚度（刻蚀速率），各向同性和 各向异性）根据需要，一般有三种刻蚀模式：（a）等厚度刻蚀法：Etching(material=ox, remove=0.01, over=20)over为过刻蚀率的定义，它主要是在硅片表面不平整时能保证将指定材料刻蚀完全，避免残留物对后续仿真的影响。

缺省值为10%1515半导体工艺和器件模拟(b) 接触终止法刻蚀：去掉某一种材料，直到另外一种指定材料暴露到空气中才停止刻蚀 Etching(material=ox, stop=Sigas, over=5)（c) 刻蚀速率控制法: 可控制各向同性和各向异性速率 Etching(material=ox, remove=0.01, Rate(isotropic=, A0=,A1=, A2=, A3=)可通过调整A1,A2,A3,A0的值刻出任意形状，A0A3可正可负在刻蚀侧墙的时候，可以通过调整Isotropic和A1的大小来调整侧墙保留保留厚度，比值越大，侧墙越薄，如果只定义isotropic则为各向同性，只定义A1表示垂直刻蚀1616半导体工艺和器件模拟如果Etching（）括号中只有一种材料被指定，没有刻蚀速率，则这种材料所有与空气接触部分都被去掉了例如：Etching(Material=Ox),所有暴露到空气中的SiO2都将去掉如果材料和刻蚀速率都不写，而且只有一种材料与空气接触的话，这种材料会被腐蚀掉，如果只有光刻胶与大气接触，则光刻胶被去掉了例如：Etching()1717半导体工艺和器件模拟4.掺杂 主要包括两种1）热扩散在扩散过程中横向扩散约占纵向扩散的7585%，扩散主要包括杂质预沉积和再分布（推进氧化），推进工艺的温度高于预沉积的温度。

硅的氧化需从表面开始消耗硅，表层的杂质怎样变化？由杂质导电类型确定如果是N型掺杂，则发生所谓的堆积效应，当氧化硅的界面提升到表面的时候，N型杂质会向硅中分流，此效应增加了硅的新表层中的杂质数量如果杂质为P型的硼，会发生相反的效应硼原子更容易溶于氧化层SiO2吸硼排磷1818半导体工艺和器件模拟在小尺寸器件的掺杂时，热扩散存在以下问题：l 横向扩散：每次遇到高温都会发生横向扩散，则器件设计时必须留出足够的距离导致增加管芯面积l 超浅结l 低杂质掺杂控制困难 高效率MOS管要求栅区的掺杂浓度小于1E15/cm3,扩散工艺不容易控制浓度源漏区的浅结也很难控制l 表面易污染l 易产生位错1919半导体工艺模拟-DIOS离子注入:离子注入是一个物理过程,克服了热扩散的许多缺点:l 无横向扩散l 可在室温下进行l 对杂质的位置和数量控制准确l 离子注入的掩膜不只采用SiO2,也可用光刻胶, Si3N4,金属Al等.2020半导体工艺模拟-DIOS离子注入缺点:l 离子注入产生晶格损伤l 需要激活掺入的杂质 修复晶格损伤和电激活可通过加热来实现，称为退火. 退火的温度要低于扩散的温度,防止横向扩散.退火通常在6001000C.l 离子注入产生表面沟道效应. 晶圆主要晶轴对准离子束流入射方向时,离子可沿沟道深入,达到预计的10倍. 这可通过晶圆方向扭转来控制,一般将晶圆的取向偏移372121半导体工艺模拟-DIOSDIOS软件中没有预沉积命令，因此在DIOS软件中实现掺杂均采用离子注入命令。

离子注入DIOS语句:l Implantation(Element=As, Dose=5e14, Energy=50keV, tilt=0, Rotation=-90)剂量单位的缺省值为cm-2能量单位的缺省值是KeVTilt 表示晶圆的倾角Rotation表示晶圆的旋转角2222半导体工艺模拟-DIOSl 当有tilt倾倾角时时,一般采取多次注入模式:定义Numsplits参量来设置旋转的次数. 每次旋转角度为360/Numsplits.l 每次注入的剂剂量为总剂为总剂 量的1/Numsplits, 每次注入的能量、倾倾角、离子成分不变变l 离子注入的下一步，一般要跟着退火命令 Diffusion( time=10min, temperature=1000C)2323半导体工艺模拟-DIOS5. 热处理1.离子注入后有一步重要的热处理掺杂原子的注入所造成的晶格损伤会被热处理修复，称为退火2.金属导线在晶圆上制成后，为确保良好的导电性，金属会在450C左右热处理，使其与晶圆表面紧密熔合3.通过热处理，还可使晶圆表面的光刻胶溶剂蒸发掉，得到精确图形2424半导体工艺模拟-DIOS一、DIOS软件介绍：l DIOS is a multidimensional process simulator for semiconductor devices. l It simulates complete fabrication sequences including etching and deposition, ion implantation, and diffusion and oxidation with identical models in one dimension and two dimensions. l Some of its capabilities are available in three dimensions.2525半导体工艺模拟-DIOSl Very efficient nonlinear and linear solvers allow for the simulation of very complicated structures where10000 to 100，000 grid points can be handled. l DIOS has been applied to a wide variety of technologies such as VLSI CMOS, power devices, and advanced SOI processes in leading semiconductor companies. 主流2626半导体工艺模拟-DIOSl A high level of control is achieved through the interactive visualization during the simulation of individual process steps. DIOS can also be used with the multidimensional device simula。