TCAD器件模拟功能-浙江大学信息与电子工程学院

2020/4/51/87第四章功率集成电路工艺和器件模拟2020/4/52/83主要内容TCAD简介TCAD仿真软件简介PIC工艺仿真器件仿真器件模型2020/4/53/83TCAD概念集成电路工艺和器件的计算机模拟（TechnologyCAD，简称TCAD），是利用组件与制程方面的计算机辅助设计与仿真软件进行集成电路工艺和器件的“虚拟制造”。显然它的运用可以大大缩减集成电路的研发周期和费用，从而大大提高集成电路的上市竞争力，已成为半导体工艺研发过程中不可或缺的工具。2020/4/54/83PIC中的TCAD对于功率集成电路而言，由于涉及的器件种类繁多，而且器件参数相差很大，这就决定不能采用标准的CMOS或Bipolar工艺制程进行制造，而研发一条全新的特殊工艺工程量是浩大的，因而这就更离不开TCAD软件来协助进行设计。2020/4/55/83TCAD简介TCAD作为EDA软件的一个分支，主要分为两部分：对制造工艺进行模拟，称为工艺TCAD；对器件特性进行模拟，称为器件TCAD。2020/4/56/83TCAD工艺模拟功能：制造IC的全工序模拟模拟单类工艺或单项工艺目的：达到优化设计IC制造工艺快速分析工艺条件对工艺结果影响2020/4/57/83TCAD工艺模拟软件分类根据功能不同，主要可分为三类：一是用于模拟离子注入、氧化、扩散等以掺杂为主的狭义的工艺模拟软件；二是用于模拟刻蚀、淀积等工艺的IC形貌模拟软件；三是用于模拟固有的和外来的衬底材料参数或工艺条件参数的扰动对工艺结果影响的统计模拟软件。2020/4/58/83TCAD工艺模拟流程2020/4/59/83TCAD器件模拟功能：根据器件结构和尺寸的各种参数，模拟得到半导体器件特性目的：电学特性寄生参数2020/4/510/83TCAD器件模拟软件分类分类（根据器件机理不同）：PN结型器件模拟器（最常用和最成熟）MOS型器件模拟器（最常用和最成熟）异质结器件模拟器TFT薄膜器件模拟器2020/4/511/83TCAD器件模拟流程杂质分布几何参数偏置参数网格参数TCAD器件模拟器器件特性(1、伏安特性、放大倍速、极限频率、电离率等2、MOS器件氧化层电容、电容－电压特性曲线、阈值电压等3、……）输入输出2020/4/512/83TCAD工艺、器件和电路仿真结合TCAD工艺仿真IC全工序工艺条件等参数掺杂分布等参数TCAD器件仿真器件特性参数器件建模电路模拟用器件模型及参数电路仿真IC电路特性2020/4/513/83TCAD发展历程（1）TCAD作为计算机模拟软件最早可追溯至20世纪50年代；1964年，HermanCummcl和BellLab.发表了第一篇TCAD方面的论文“SolvingtheBasicSemi-conductorEquationsontheComputerinOneDimention”；20世纪60年代中期，商品化的CAD设备开始进入发展和应用阶段；2020/4/514/83TCAD发展历程（2）20世纪60年代，著名教授WalterEngle所领导的团队已开始进行二维仿真(twodimensionalsimulation)；1978年，斯坦福大学IC实验室的IC工艺模拟软件SUPREM-2成功开发并投入实用；1979年相继开发了半导体器件分析软件SEDAN-1，标志TCAD开始进入实用阶段；2020/4/515/83TCAD发展历程（3）在接下去二十多年内，斯坦福大学依次推出了SUPREM-1、SUPREM-2、SUPREM-3和SUPREM-4IC工艺模拟软件；在器件模拟方面，相继出现了MEDICI、DESSIS、ATLAS、FLOOPS等软件。2020/4/516/83SUPREM系列SUPREM-1是SUPREM系列的第一个版本，但由于数值不稳定和模型精度不够，未能达到实用化阶段；SUPREM-2在SUPREM-1基础上进行了模型、算法等改进，成为第一个能实用的IC工艺模拟软件；SUPREM-3和SUPREM-4的模拟功能得到进一步加强；基于SUPREM-4并经商用化改进和包装，SYNOPSYS公司推出了功能更强的、精度更高、更方便用户的TSUPREM4，SILVACO公司也推出相应的商用化软件SSUPREM4。2020/4/517/83器件仿真系列SEDAN-1可以很好与SUPREM-2进行对接和联用，但只能处理半导体器件的一维分析，应用受到很大限制；随着计算机硬件性能的增强和应用软件开发技术的不断成熟，相继出现了几种比较优秀和实用的二维模拟软件，如MINIMOS-2、MEDICI等；MINIMOS-2是由奥地利维也纳工业大学开发的平面MOSFET静态特性二维模拟程序；MEDICI则是近年来运用最广泛的半导体器件二维模拟软件，最早的版本出现于1992年。2020/4/518/83目前形成的商用TCAD软件TSUPREM/MEDICI软件——AVANTI公司（已被SYNOPSYS收购）ATHENA/ATLAS软件——SILVACO公司ISE-TCAD软件系列——ISE公司（也已被SYNOPSYS收购）SENTAURUS软件包——SYNOPSYS公司2020/4/519/83TSUPREM4/MEDICI软件TSUPREM4/MEDICI/DAVINCI软件是AVANTI公司（已被SYNOPSYS收购）开发的用于二维工艺和器件模拟的集成软件包：TSUPREM4用于工艺仿真；MEDICI用于二维器件仿真；DAVINCI支持三维器件仿真。2020/4/520/83TSUPREM4用来模拟硅集成电路和离散器件制造工艺步骤的程序；模拟二维的扩散、离子注入、氧化、外延生长、刻蚀和淀积等工艺步骤，从而得到二维半导体器件纵剖面的杂质掺入和再分布情况；提供结构中各材料层的边界、每层的杂质分布以及氧化/热循环/薄膜淀积产生的应力等等。2020/4/521/83TSUPREM4仿真图形2020/4/522/83MEDICI用于MOS、bipolar或其他各种类型晶体管的行为级仿真的工具，它可以模拟一个器件内部的电势和载流子二维分布，从而预测任意偏置下的器件电特性；主要通过解Poisson和电子/空穴连续性以及其他半导体方程，分析各种晶体管载流子效应（如载流子加热、闩锁、速度过冲等），从而分析这些效应对器件特性的影响；为了更好与电路结合，MEDICI还可以研究器件的瞬态特性。2020/4/523/83MEDICI输入三种方式：来自本身的解析函数；来自TSUPREM4的输出；包含掺杂分布信息的文本文件。2020/4/524/83MEDICI仿真图形NMOS2020/4/525/83DAVINCI是一个MOS、Bipolar或其他各种类型的晶体管的行为级仿真工具，不同之处在于它是三维分析工具；可以模拟一个器件内部的电势和载流子三维分布，可以预测任意偏置下的器件电特性；还可以分析瞬态工作状态下的器件特性。2020/4/526/83ISE-TCAD软件工艺和器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE(IntegratedSystemsEngineering)公司开发的DFM（DesignForManufacturing）软件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，其产品包括完整的工艺及器件模拟工具。它可以仿真传统半导体工艺流程和相应器件，而且对于各种新兴及特殊器件（如深亚微米器件、绝缘硅SOI、SiGe、功率器件、高压器件、异质结、光电器件、量子器件及纳米器件等）也可以进行仿真模拟。2020/4/527/83ISE-TCAD软件平台平台工具——GENESISe工艺仿真工具——DIOS器件结构生成工具——MDRAW（2D）和DEVISE（3D）器件模拟工具——DESSIS电磁分析工具——EMLAB曲线显示和分析工具——INSPECT等等‥‥‥2020/4/528/83GENESISeISE-TCAD模拟工具的用户图形主界面，为设计、组织和运行TCAD模拟项目提供一个良好的平台；通过GENESISe可以将众多工具良好衔接起来，然后自动执行参数化的模拟项目，从而免除了用户进行命令行输入等繁琐步骤。2020/4/529/83GENESISe2020/4/530/83DIOS半导体工艺仿真工具；能仿真完整的一维和二维的制造工艺过程，如刻蚀、淀积、离子注入、扩散和氧化，DIOS部分功能还支持三维仿真；主要包括一维和二维蒙特卡罗Crystal-Trim仿真器和三维蒙特卡罗MCimpl仿真器界面，机械效应如压力、流动和热扩张等也可被包含在仿真过程中。2020/4/531/83DIOS仿真图形2020/4/532/83MDRAW器件结构生成工具；提供灵活的二维器件边界编辑、掺杂、细化定义；它采用DF-ISE数据格式和其他ISE-TCAD工具通信。二维网格生成器被集成在MDRAW工具中，因而不需要输入文件和输出文件；MDRAW还提供一个Tcl语法的脚本语言，用户不通过图形交互界面也可以生成器件结构。2020/4/533/83MDRAW2020/4/534/83DEVISE器件结构生成工具；DEVISE既是二维和三维器件编辑器，也是三维工艺模拟器，其中二维和三维器件编辑器的模式包括几何模型生成、扩散、细化定义以及网格生成；2020/4/535/83DEVISE2020/4/536/83DESSIS多维、电热、混合器件和电路的仿真器，它支持一维、二维、三维的半导体器件；能模拟从深亚微米硅MOSFET到大功率Bipolar管的绝大多数类型半导体器件；还支持SiC和III-V化合物以及异质结结构的器件。2020/4/537/83DESSIS2020/4/538/83DESSIS2020/4/544/83PIC工艺模拟工艺模型工艺模拟和举例2020/4/545/83工艺模拟主要完成IC工艺涉及到的扩散、离子注入、氧化等工艺步骤的模拟，因而所采用的模型基本集中在这些区域；采用的模型主要有杂质扩散模型、离子注入模型、氧化模型以及其他一些工艺模型。2020/4/546/83扩散模型受扩散系数、杂质电场、点缺陷和载流子密度影响，扩散表达式是非线性性的。在扩散计算时，将扩散时间分割成一系列很短的时间Δt之和，然后分别对Δt时间进行求解。2111||1.nnijijjijjCnRELERRCABSERRn是结构所有节点数Cij是节点（i,j）浓度，ΔCij是Cij的估计误差2020/4/547/83扩散相关其他模型为了更精确的模拟扩散分布，在扩散过程中还采用一系列模型，如扩散率模型、点缺陷（空位和间隙）模型、点缺陷的注入和再复合模型、空隙聚集模型等等。2020/4/548/83离子注入模型杂质离子注入的模型有两种：解析离子注入模型蒙特卡罗离子注入模型2020/4/549/83解析离子注入模型利用离子注入数据文件中的分布矩的Gaussian或Pearson函数模拟杂质和缺陷分布。2020/4/550/83解析离子注入其他相关模型在实际过程中，为了精确离子注入分布，解析离子注入模型还包含有同注入剂量有关的注入分布模型、双Pearson分布、晶圆片的倾斜和转动对注入分布影响、多次注入的有效射程模型和剂量匹配、与纵深相关的横向分布模型、BF2注入模型、解析注入损伤模型。2020/4/551/83蒙特卡罗离子注入模型TSUPREM4处理离子注入的另一个复杂模型，它包含计算晶体硅的模型以及针对硅和材料的无定性模型。该模型能模拟注入时晶体硅向无定形硅的转变。该模型还包括反射离子对注入分布影响、注入时所产生的损伤（空位和间隙类）和硅衬底的损伤自退火等。2020/4/552/83蒙特卡罗离子注入模型蒙特卡罗离子注入模型对于检测一系列的依赖关系，而这却是经验模型所缺乏的。它能检测倾斜和转动角度、剂量影响、