半导体工艺及器件仿真工具Sentaurus-TCAD

第1章可制造性设计工具SentaurusTCAD2/117Sentaurus简介•SentaurusTCAD全面继承了Tsuprem4，Medici和ISE-TCAD的特点和优势，它可以用来模拟集成器件的工艺制程，器件物理特性和互连线特性等。•SentaurusTCAD提供全面的产品套件，其中包括SentaurusWorkbench,Ligament,SentaurusProcess,SentaurusStructureEditor,MeshNoffset3D,SentaurusDevice,TecplotSV，Inspect,AdvancedCalibration等等。2019/10/17浙大微电子3/117Sentaurus简介•SentaurusProcess和SentaurusDevice可以支持的仿真器件类型非常广泛，包括CMOS，功率器件，存储器，图像传感器，太阳能电池，和模拟/射频器件。•SentaurusTCAD还提供互连建模和参数提取工具，为优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。2019/10/17浙大微电子4/117SentaurusTCAD的启动•运行vncviewer•在xterm中输入：source/opt/demo/sentaurus.env•GENESISe&2019/10/17浙大微电子5/1172019/10/17浙大微电子6/1172019/10/17浙大微电子7/117本章内容1集成工艺仿真系统SentaurusProcess2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor3器件仿真工具SentaurusDevice4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介2019/10/17浙大微电子8/117本章内容1集成工艺仿真系统SentaurusProcess2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor3器件仿真工具SentaurusDevice4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介2019/10/17浙大微电子9/117SentaurusProcess工艺仿真工具简介SentaurusProcess是当前最为先进的工艺仿真工具，它将一维，二维和三维仿真集成于同一平台中，并面向当代纳米级集成电路工艺制程，全面支持小尺寸效应的仿真与模拟。SentaurusProcess在保留传统工艺仿真软件运行模式的基础上，又做了一些重要的改进。2019/10/17浙大微电子10/1172019/10/17浙大微电子•增加了模型参数数据库浏览器（PDB），为用户提供了修改模型参数和增加模型的方便途径。•增加了一维模拟结果输出工具Inspect和二维、三维模拟结果输出工具（TecplotSV）。•增加了小尺寸模型。这些小尺寸模型主要有：−高精度刻蚀模型，−基于MonteCarlo的离子扩散模型，−注入损伤模型，−离子注入校准模型等等。增加了这些小尺寸模型，提高了工艺软件的仿真精度，适应了半导体工艺发展的需求。11/117SentaurusProcess基本命令介绍用户可以通过输入命令指导SentaurusProcess的执行。而这些命令可以通过输入命令文件或者用户终端直接输入。2019/10/17浙大微电子12/117(1)文件说明及控制语句exit:用于终止SentaurusProcess的运行。fbreak:使仿真进入交互模式。fcontinue:重新执行输入文件。fexec:执行系统命令文件。interface:返回材料的边界位置。load:从文件中导入数据信息并插入到当前网格。logfile:将注释信息输出到屏幕以及日志文件中。mater:返回当前结构中的所有材料列表，或在原列表中增加新的材料。mgoals:使用MGOALS引擎设置网格参数。2019/10/17浙大微电子13/117(2)器件结构说明语句init:设置初始网格和掺杂信息。region:指定结构中特定区域的材料。line:指定网格线的位置和间距。grid:执行网格设置的命令。substrate_profile:定义器件衬底的杂质分布。polygon:描述多边形结构。point:描述器件结构中的一个点。doping:定义线性掺杂分布曲线。profile:读取数据文件并重建数据区域。refinebox:设置局部网格参数，并用MGOALS库进行细化。bound:提取材料边界并返回坐标列表。contact:设置电极信息。2019/10/17浙大微电子(3)工艺步骤说明语句deposit:用于淀积一个新的层次。diffuse:用于高温扩散和高温氧化。etch:用于刻蚀。implant:实现离子注入。mask:用于定义掩膜版。photo:淀积光刻胶。strip:去除表面的介质层。stress:用于计算应力。2019/10/17浙大微电子14/11715/117(4)模型和参数说明语句beam:给出用于离子束刻蚀的模型参数。gas_flow:设置扩散步骤中的气体氛围。kmc:设定蒙特卡罗模型。pdbNewMaterial：用于引入新的材料。pdbGet:用于提取数据库参数。pdbSet:用于完成数据库参数的修改。SetFastMode:忽略扩散和模特卡罗注入模型，加快仿真速度。SetTemp:设置温度。solution:求解或设置求解参数。strain_profile:定义因掺杂引入的张力变化。temp_ramp:定义扩散过程中的温度变化。update_substrate:设置衬底中的杂质属性，张力，晶格常量等信息。2019/10/17浙大微电子16/117(5)输出说明语句color:用于设定、填充被仿真的器件结构中某特定区域杂质浓度等值曲线的颜色。contour:用于设置二维浓度剖面等值分布曲线的图形输出。graphics:启动或更新SentaurusProcess已经设置的图形输出。layers:用于打印器件结构材料的边界数据和相关数据。print.1d:沿器件结构的某一维方向打印相关数据。plot.1d:沿器件结构的某一维方向输出某些物理量之间的变化曲线。plot.2d:输出器件结构中二维浓度剖面分布曲线。plot.tec:启动或更新SentaurusProcess–TecplotSV所输出的一维、二维和三维图形。print.data:以x、y、z的坐标格式打印数据。writePlx:设置输出一维掺杂数据文件。struct:设置网格结构及求解信息。2019/10/17浙大微电子17/117SentaurusProcess中的小尺寸模型(1)离子注入模型解析注入模型或蒙特卡罗（MC）注入模型可以用来计算离子注入的分布情况及仿真所造成的注入损伤程度。为满足现代集成工艺技术发展的需求，SentaurusProcess添加了很多小尺寸模型，如–掺杂剂量控制模型（Beamdosecontrol）、–杂质剖面改造模型（Profilereshaping）、–有效沟道抑制模型（Effectivechannellingsuppression）–无定型靶预注入模型（Preamorphiza-tionimplants，PAI）等等。2019/10/17浙大微电子18/117(2)扩散模型SentaurusProcess仿真高温扩散的主要模型有：•杂质选择性扩散模型、–引入了杂质活化效应对杂质迁移的影响，也间接地覆盖了热扩散工艺中产生的缺陷对杂质的影响，适于模拟特征尺寸小于100nm的扩散工艺。•杂质激活模型、–杂质激活模型主要是考虑了掺杂过程中，缺陷、氧化空位及硅化物界面态所引发的杂质激活效应。•缺陷对杂质迁移的影响，•表面介质的移动、掺杂对内部电场的影响等等。2019/10/17浙大微电子19/117(3)对局部微机械应力变化计算的建模随着器件尺寸的进一步缩小，器件内部机械应力的变化会使材料的禁带宽度发生变化，使得杂质扩散速率以及氧化速率等也发生相应变化，从而使得局部热生长氧化层产生形状变异。SentaurusProcess包含了很多引起微机械应力变化的机制，包括热失配，晶格失配以及由于材料淀积、刻蚀引起的应力变化等等。2019/10/17浙大微电子20/117SentaurusProcess仿真实例(1)定义二维初始网格linexlocation=0.00spacing=0.01tag=SiToplinexlocation=0.50spacing=0.01linexlocation=0.90spacing=0.10linexlocation=1.30spacing=0.25linexlocation=4.00spacing=0.25linexlocation=6.00spacing=0.50linexlocation=10.0spacing=2.50linexlocation=15.0spacing=5.00linexlocation=44.0spacing=10.0tag=SiBottomlineylocation=0.00spacing=0.50tag=Leftlineylocation=7.75spacing=0.50tag=Right2019/10/17浙大微电子21/117(2)开启二维输出结果调阅工具TecplotSV界面graphicson(3)激活校准模型AdvancedCalibration(4)开启自适应网格pdbSetGridAdaptive1(5)定义仿真区域并对仿真区域进行初始化regionsiliconxlo=SiTopxhi=SiBottomylo=Leftyhi=Rightinitfield=Asresistivity=14wafer.orient=1002019/10/17浙大微电子22/1172019/10/17浙大微电子23/117(6)定义网格细化规则mgoalsonmin.normal.size=10nmmax.lateral.size=2um\normal.growth.ratio=1.2accuracy=2e-5mgoals命令在初始网格的基础上来重新定义网格。网格的调整只是针对新的层或新生成的表面区域。mgoals命令中的min.normal.size用来定义边界处的网格最小间距，离开表面后将按照normal.growth.ratio确定的速率变化。而max.lateral.size定义了边界处网格的最大横向间距。Accuracy为误差精度。2019/10/17浙大微电子24/117(7)在重要区域进一步优化网格refineboxmin={2.50}max={31}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={2.51}max={23}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={01.7}max={0.22.9}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={03}max={2.55}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladd2019/10/17浙大微电子25/117(8)生长薄氧层gas_flowname=O2_HCLpressure=1atm\flows={O2=4.0l/minHCl=0.03l/min}diffusetemperature=950Ctime=25min\gas_flow=O2_HCL(9)JFET注入maskname=JFET_maskleft=0umright=6.75umimplantPhosphorusmask=JFET_maskdose=1.5e12\energy=100keVdiffusetemp=1170Ctime=180minmaskclear2019/10/17浙大微电子26/117(10)保存一维掺杂文件SetPlxList{AsTotalPTotal}WritePl