第二讲-Silvaco-TCAD-工艺仿真

光电子器件综合设计-------工艺仿真主要内容•网格定义•初始化•离子注入•扩散•刻蚀•淀积•氧化•外延•抛光•光刻•工艺仿真模块ATHENA工艺仿真软件SSuprem4二维硅工艺仿真器MC蒙托卡诺注入仿真器硅化物模块的功能淀积和刻蚀仿真器蒙托卡诺沉积刻蚀仿真器先进的闪存材料工艺仿真器光电印刷仿真器DeckBuild集成环境所有关键制造步骤的快速精确的模拟，包括CMOS，bipolar，SiGe，SOI，III-V，光电子学以及功率器件技术精确预测器件结构中的几何结构，掺杂剂量分配，和应力有助于IDMs，芯片生产厂商以及设计公司优化半导体工艺，达到速度、产量、击穿、泄漏电流和可靠性的最佳结合分析和优化标准的和最新的隔离流程，包括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离在器件制造的不同阶段分析先进的离子注入方法——超浅结注入，高角度注入和为深阱构成的高能量注入支持多层次杂质扩散，以精确预测衬底与邻近材料表面的杂质行为•考虑多重扩散影响，包括瞬态增强的扩散，氧化/硅化加强的扩散，瞬态激活作用，点缺陷和簇群构造以及材料界面的再结合，杂质分离，和传输•精确地对几何刻蚀和共形淀积，以及个别结构和网格处理技术建模，用以允许进行多器件几何结构的模拟和分析。通过MaskViews的掩模构造说明，工程师可以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件结构上的掩模版图变动的影响。与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀仿真器集成，可以在物理生产流程中进行实际的分析。与ATLAS器件模拟软件无缝集成可仿真的工艺•Bake•CMP•Deposition•Development•Diffusion•Epitaxy•Etch•Exposure•Imaging•Implantation•Oxidation•SilicidationATHENA的输入和输出工艺步骤GDS版图掩膜层一维和二维结构E-test数据(Vt)分析电阻和CV分析涂层和刻蚀外形输出结构到ATLAS材料厚度，结深CD外形，开口槽ATHENA工艺模拟软件工艺仿真流程1、建立仿真网格2、仿真初始化3、工艺步骤4、抽取特性5、结构操作6、Tonyplot显示ATHENA的语句和参数本章介绍ATHENA工艺仿真器所用到的语句和参数。重点学习语句包括：网格定义：line初始化语句：initialize离子注入：implant扩散：diffusion刻蚀：etch、rate.etch氧化：oxide淀积：deposit外延：expitaxy语句#0Goathena语句介绍调用athena工艺仿真器。语句#1Line语句功能：Line定义网格信息。类似于atlas仿真器中的mesh.语法规则：LINEX|YLOCATION=n[SPACING=n][TAG=c]语句解析：此语句定义了网格线的位置和间隔。所有的line语句应在Region（区域定义）和Boundary（边界条件定义）语句之前使用，按照顺序，在Line之后应使用initialize（初始化）语句。•参数解析：参数#1X、YX和Y参数语句指定了line网格语句是在水平方向或垂直方向进行。参数#2LocationLocation定义了给定网格线的位置。X坐标从左至右增加。Y坐标从上至下增加。参数#3SpacingSpacing定义了局部网格间隔（单位为微米）参数#4Tag为之后的boundary和region语句做标记。它可以是任何单词。定义网格•网格定义对仿真至关重要•定义方式:网格间距会根据loc和Spac自动调整linexlocation=x1spacing=s1linexlocation=x2spacing=s2lineylocation=y1spacing=s3lineylocation=y2spacing=s4Xy0x1x2s1s2y1y2s3s4网格定义的例子Linexloc=0.0spac=0.1Linexloc=1.0spac=0.1Lineyloc=0.0spac=0.2Lineyloc=2.0spac=0.2Linexloc=0.0spac=0.02Linexloc=1.0spac=0.10Lineyloc=0.0spac=0.02Lineyloc=2.0spac=0.20非均匀网格的例子：均匀网格的例子：语句实例：•在下面的定义中，定义了3条x网格线和两条y网格线。X方向的中间网格线比较稠密而两端比较稀疏。Y方向的上方网格线比较稠密而下方网格线比较稀疏。并在左侧右侧表面底部做了标记。LINEXLOC=0SPA=1TAG=LEFTLINEXLOC=1SPA=0.1LINEXLOC=2SPA=1TAG=RIGHTLINEYLOC=0SPA=0.02TAG=SURFLINEYLOC=3SPA=0.5TAG=BACK默认参数初始化的例子goathenaLinexloc=0.0spac=0.02Linexloc=1.0spac=0.10Lineyloc=0.0spac=0.02Lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dtonyplotquit网格定义需要注意的地方•1，疏密适当在物理量变化很快的地方适当密一些•2，不能超过上限（20000）•3，仿真中很多问题其实是网格设置的问题，要注意查看报错的信息•和网格定义相关的命令和参数还有：命令，Relax；淀积和外延时的dy,ydy等参数语句#2Initialize•语句功能：Initialize(初始化)语句定义了初始化的材料和材料掺杂信息。•语法结构：Initialize【材料参数】【掺杂参数】【维度参数】•语句解析：此命令从矩形定义或之前的结构文件中建立了初始化的网格信息。此语句也在所有区域初始化了背景掺杂浓度。参数解析：材料参数包括：（1）材料类型参数材料类型可以是：SILICON,OXIDE,OXYNITRIDE,NITRIDE,POLYSILICON,ALUMINUM,TUNGSTEN,TITANIUM,PLATINUM,WSIX,TISIX,PTSIX,PHOTORESIST,ALGAAS,INGAAS,SIGE,INP中的任意一种。（2）材料晶向参数:Orientation材料晶向参数orentation定义了衬底的晶向。至有100，110，111可被识别。（3）材料成分百分比参数：C.Frac材料成分百分比参数C.Frac定义了化合物半导体的组成如SiGe,AlGaAs等掺杂参数包括：（1）掺杂类型参数：掺杂类型参数包括AntimonyArsenic,Boron,Phosphorus等。定义了作为背景掺杂所引入的杂质类型。只能用其中之一。如果使用了此参数则必须同时定义浓度或电阻率参数。（2）掺杂浓度参数：Concentrat定义了背景浓度，单位为每立方厘米。（3）电阻率参数：电阻率参数定义了初始化衬底材料的电阻率，单位是ohms.cm（4）掺杂浓度参数C.Antimony,C.Arsenic,C.Boron,C.Phosphor,C.silicon…等参数也可以用来定义衬底材料的初始掺杂浓度，与Concentrat不同的是，它可以多个参数同时使用并以此来定义初始化的补偿掺杂。（5）无杂质语句No.ImpurityNo.Impurity语句定义了初始化材料中无杂质。此语句用于加快氧化、刻蚀的分析。(6)维度参数包括：1）ONE.D定义1维仿真2）TWO.D定义2维仿真一旦选择2维仿真，所有计算都将在2维模式下进行。3）Auto是默认模式。如果不定义任何维度参数或使用auto模式，那么系统将默认在1维模式下进行计算，直至发现有任何需要进行2维计算的语句出现为止。初始化的几个例子Initinfile=test.strInitgaasc.selenium=1e15orientation=100Initphosphorresistivity=10Initalgaasc.fraction=0.2工艺仿真从结构test.str中开始：GaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向[100]：硅衬底，磷掺杂，电阻率为10Ω.cmAlGaAs衬底，Al的组分为0.2Inittwo.d采用默认参数，二维初始化仿真：语句实例：下面语句定义氧化物为衬底，初始化了网格信息并建立了1e15的初始掺杂浓度，掺杂材料为硼。INITIALIZEOXIDEC.BORON=1E15离子注入语句#3Implant语句功能：implant(离子注入)语句定义了离子注入的工艺过程。语法结构：Implant【杂质参数】【模型选择参数】【注入条件参数】语句解析：选择解析模型、蒙特卡洛模型等不同的离子注入模型，来对离子注入工艺过程进行仿真。可以定义注入的杂质类型、并可对离子计量、能量等条件进行设置。离子注入•命令implant，参数及说明如下：离子注入的参数及说明离子注入的几何说明：注入面：α表面：∑仿真面：βTiltangle：θRotationangle：φ离子注入参数解析：杂质类型参数杂质类型可以是：ALUMINUM,ANTIMONY,ARSENIC,BERYLLIUM,BF2,BORON,CHROMIUM,GALLIUM,CARBON,GERMANIUM,INDIUM,MAGNESIUM,PHOSPHORUS,SELENIUM,SILICON,和ZINC中的任意一种。模型选择参数：（1）解析分布模型参数Gauss：这里φ是每平方厘米所使用的离子剂量，它可通过dose参数语句来定义。Rp是设定的范围.∆Rp范围的标准误差。离子注入（2）解析分布模型参数Pearson：由于实际的分布情况往往不是对称的，高斯分布有其局限性。对于非对称离子注入分布的计算，最为简单并且被广泛使用的是Pearson分布。特别是PearsonIV函数。Athena使用这个函数来获得纵向离子注入分布。（3）解析分布模型参数Full.Lat：此模型是Pearson模型的拓展模型。（4）Monte/BCA模型参数Monte或BCA模型激活了蒙特卡洛离子注入模块，这是基于BinaryCollisionApproximation的模型。（5）Crystal和Amorphous参数指定了离子注入仿真过程中是否考虑硅的晶体结构。此二参数不能同时选定。默认条件下是Crystal模式。某些特定材料中要明确使用Amorphous模式以避免得到错误的仿真结果。离子注入注入条件参数（1）Dose定义了单位面积内所使用的杂质剂量。单位是每平方厘米。（2）Full.Dose调整了用来补偿倾斜角的剂量。这种定义通常用于高倾斜角度的离子注入。调整后的剂量=剂量/cos(tilt),其中cos(tilt)是倾斜角的余弦值。（3）Energy定义了离子的能量，单位是KeV.tilt离子注入注入条件参数（4）Tilt定义了对应于垂直离子注入的倾斜角度，单位是度。默认为7度。（5）Rotation定义了相对于仿真平面的旋转角度。离子注入离子注入实例（1）下面的离子定义了具有100keV能量的剂量为1e14的磷，偏角是15度。IMPLANTPEARSONPHOSPHDOSE=1E14ENERGY=100TILT=15离子注入（2）两种解析模型的仿真结果对比IMPLANTPEARSONPHOSPHDOSE=1E14ENERGY=100TILT=15IMPLANTGaussPHOSPHDOSE=1E14ENERGY=100TILT=15离子注入（3）改变偏转角度对注入后分布的影响IMPLANTPEARSONPHOSPHDOSE=1E14ENERGY=100TILT=15………………IMPLANTGaussPHOSPHDOSE=1E14ENERGY=100TILT=75离子注入（4）改变偏转角度对注入后分布的影响IMPLANTPEARSONPHOSPHDOSE=1E12ENERGY=100TILT=15………………IMPLANTGaussPHOSPHDOSE=1E16ENERGY=100TILT=15离子注入的例子goa