微電子工藝設(shè)計講解

1、微電子工藝設(shè)計講義 南通大學電子信息學院電子科學與技術(shù)教研室 王強目錄1 引言2 器件結(jié)構(gòu)構(gòu)建3 工藝過程4 二極管制造設(shè)計5 雙極性晶體管設(shè)計6 mos設(shè)計第一章 引言 當今，仿真（simulation）這一術(shù)語已不僅廣泛出現(xiàn)在各種科技書書刊上，甚至已頻繁出現(xiàn)于各種新聞媒體上。不同的書刊和字典對仿真這一術(shù)語的定義性簡釋大同小異，以下3種最有代表性，仿真是一個系統(tǒng)或過程的功能用另一系統(tǒng)或過程的功能的仿真表示；用能適用于計算機的數(shù)學模型表示實際物理過程或系統(tǒng)；不同實驗對問題的檢驗。仿真（也即模擬）的可信度和精度很大程度上基于建模（modeling）的可信度和精度。建模和仿真（modeling a

2、nd simulation）是研究自然科學、工程科學、人文科學和社會科學的重要方法，是開發(fā)產(chǎn)品、制定決策的重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，有關(guān)建模和仿真方面的研究論文已占各類國際、國內(nèi)專業(yè)學術(shù)會議總數(shù)的10%以上，占了很可觀的份額。集成電路仿真通過集成電路仿真器（simulator）執(zhí)行。集成電路仿真器由計算機主機及輸入、輸出等外圍設(shè)備（硬件）和有關(guān)仿真程序（軟件）組成。按仿真內(nèi)容不同，集成電路仿真一般可分為：系統(tǒng)功能仿真、邏輯仿真、電路仿真、器件仿真及工藝仿真等不同層次（level）的仿真。其中工藝和器件的仿真，國際上也常稱作“集成電路工藝和器件的計算機輔助設(shè)計”（technology cad

3、 of ic），簡稱“ic tcad”。1.1 silvaco概述silvaco研發(fā)的technology computer aided design (tcad) simulation software處于業(yè)界領(lǐng)導地位。公司研發(fā)和銷售的tcad套件被遍布全球的半導體廠家用于半導體器件和集成電路的研究和開發(fā)、測試和生產(chǎn)過程中。silvaco還是spice parameter extraction software (utmost)和analog circuit simulation software (smart spice)的主要提供商。獨特的位置使得silvaco與世界上先進的高科技廠商和

4、大學合作，將最新的設(shè)計技術(shù)和工藝市場化。silvaco提供了tcad driven cad environment，這一套完整的工具使得物理半導體工藝可以給所有階段的ic設(shè)計方法提供強大的動力：制程仿真和器件工藝；spice model的生成和開發(fā)；interconnect parasitics的極其精確的描述；physically-based可靠性建模以及傳統(tǒng)的cad。所有這些功能整合在統(tǒng)一的框架，提供了工程師在完整的設(shè)計中任何階段中所做更改導致的性能、可靠性等效果直接的反饋。1.2 工藝仿真athena1.2.1 工藝仿真概述ic工藝仿真由運行ic工藝仿真器來實現(xiàn)。ic工藝仿真器由ic工藝

5、仿真軟件及能運行該軟件的具有一定容量和速度的計算機主機及輸入輸出設(shè)備等硬件組成。ic工藝仿真軟件大致可分為三類：第一類，用來仿真離子注入、擴散、氧化等以仿真參雜分布為主的所謂狹義的ic工藝仿真軟件；第二類用來仿真刻蝕、淀積等工藝的ic形貌仿真軟件以及第三類，用來仿真固有的和外來的襯底材料參數(shù)及/或制造工藝條件可用于仿真制造ic的全工序，也可用來仿真單類工藝或單項工藝。ic工藝仿真有優(yōu)化設(shè)計ic制造工藝及快速分析工藝條件對工藝結(jié)果影響等功能，也是仿真制造ic的重要組成部分。ic工藝仿真器及其輸入、輸出的示意圖由圖2.1給出。在工藝條件參數(shù)中，以離子注入、擴散和氧化工藝為例，一般包括：離子注入的能

6、量、劑量和雜質(zhì)種類等；預(yù)淀積或再分布擴散的溫度、時間、雜質(zhì)種類及需要給出的濃度、氣氛或攜帶氣體的種類和分壓等；氧化的溫度、時間、攜帶的氧化劑類別(o2，h2o)和分壓等。襯底材料參數(shù)一般包括襯底材料的晶向、摻雜類型和濃度等。網(wǎng)格參數(shù)為上列三類工藝仿真軟件給出；其中方塊電阻、閾值電壓等電學參數(shù)由得出的雜質(zhì)分布、氧化層厚度及已知的襯底材料參數(shù)按有關(guān)解析計算公式計算得出。圖 1.1 ic工藝仿真器及其輸入、輸出的示意圖研制工藝仿真軟件首先必須建立能仿真制造ic的各種工藝的模型，這種模型是物理及/或化學模型。為了用計算機對這種模型進行仿真計算，必須將這些模型用數(shù)學公式來表示。數(shù)學化的模型一般有解析模型

7、（基于理論推導，有一個精確的或近似的理論表達式），經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ɑ诖罅繉嶒灁?shù)據(jù)，但機理不清楚，用一個經(jīng)驗公式）及半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ú煌耆诶碚撏茖?，也不完全基于實驗?shù)據(jù)，理論表達式中某些參數(shù)的系數(shù)、次方用經(jīng)驗值表示）等3種。此外還有表格化模型（實驗數(shù)據(jù)較少，應(yīng)變量和自變量的關(guān)系用列表表示）和內(nèi)插、外推模型（以較少實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用內(nèi)插和外推法補充已知實驗數(shù)據(jù)點之間的數(shù)據(jù)，外推已知實驗數(shù)據(jù)區(qū)外的數(shù)據(jù)）等。為精確求解上列數(shù)學化模型，一般用解析技術(shù)或數(shù)值技術(shù)，得到的解相應(yīng)地稱作解析解及數(shù)值解。解析解物理含義清晰，仿真耗時短，效率高，但只適用于只需用簡單物理模型描述的工藝情況。對于擬仿真的工藝，它的因變量隨

8、時間和空間兩個自變量變化的或其數(shù)學表示式是一個偏微分方程（例如：用連續(xù)性方程及擴散方程仿真摻雜原子濃度的分布）則需用數(shù)值技術(shù)而不是解析技術(shù)?；跀?shù)值技術(shù)的數(shù)值解，計算時間和空間耦合的變化，可得出更精確的仿真結(jié)果，能適用于更多的工藝情況。誠然，數(shù)值解較為復雜，精度的提高是以增加仿真的復雜程度為代價的。用數(shù)值技術(shù)求解，第一步是空間和時間及偏微分方程的離散化，進行這一步，首先需將擬仿真的定義域分割成小的子區(qū)域，每個小的子區(qū)域常稱作網(wǎng)格，這種分割即所謂網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格應(yīng)足夠密，即每個網(wǎng)格點的間距應(yīng)足夠小，仿真的時間也分成小的時間增量間隔t，t 也必須足夠短，以便每個t內(nèi)，各種雜質(zhì)濃度、擴散率以及其他物理

9、參數(shù)在每個網(wǎng)格內(nèi)分別為常數(shù)，最終能保證在整個工藝時間結(jié)束時在仿真的定義域內(nèi)，解得的所要仿真的因變物理參數(shù)的分布有足夠的精度。但空間和時間間隔的選取也不要過分小和短，否則將會無為地浪費用計算機進行仿真時的消耗（包括存儲空間和計算時間）。為了用數(shù)字計算機解偏微分方程（例如雜質(zhì)原子的連續(xù)性性方程），需要轉(zhuǎn)換偏微分方程成為差分（代數(shù)）方程，這個轉(zhuǎn)換過程也稱之為離散化，差分有向前、向后、及中心差分三種，用中心差分其精確度和數(shù)值穩(wěn)定性較優(yōu)，空間和時間及偏微分方程離散化處理后，接下來第二步就是選用迭代法解經(jīng)離散化的非線性代數(shù)方程，目前最常用的迭代發(fā)是收斂性和計算效率均較好的newton-raphson法，除

10、建模及數(shù)值解方法的研發(fā)或選用外，程序?qū)崿F(xiàn)和驗證是工藝仿真軟件研制的最重要環(huán)節(jié)。程序?qū)崿F(xiàn)包括編程和調(diào)試，程序驗證包括程序可靠性、精確性和實用性的驗證。編程中程序語言的選擇，早期大多選用fortran，目前大多選用c和c+?？煽啃缘尿炞C包括收斂性的測試及檢查程序中是否有弄虛作假之處。精確性的驗證，可以同實驗數(shù)據(jù)比，同其他仿真結(jié)果比或同外推得出的有關(guān)結(jié)果比。實用性同可靠性和精確性密切相關(guān)，顯然不可靠和精度達不到要求就談不上實用；實用性也同程序具備的功能密切相關(guān)；此外，軟件運行時有關(guān)信息的輸入是否方便于用戶，輸出信息是否完整和對用戶有用也是驗證使用性時用戶所關(guān)注的。1.2.2 athena工藝仿真系統(tǒng)

11、athena是一套通用的、具有標準組件以及可拓展性的一維和二維制程仿真器，可用于si或其它材料的工藝開發(fā)。athena由四套主要的工具組成：ssuprem4用于仿真si工藝的注入、擴散、氧化和硅外延；flash用于仿真先進材料工藝的離子注入，有源區(qū)和雜質(zhì)擴散；optolith用于光刻仿真；elite用于形貌仿真。athena還提供了硅化物建模和離子注入、刻蝕和沉積的monte carlo建模方法。圖 1.2 athena系統(tǒng)結(jié)構(gòu)athena工藝仿真系統(tǒng)使得工藝和集成工程師能夠靠法和優(yōu)化半導體制造工藝流程。athena提供一個易于使用、模塊化的、可擴展的平臺（如圖1.2、1.3）。可用于半導體材

12、料的仿真離子注入、擴散、刻蝕、淀積、光刻、氧化及硅化。athena通過仿真取代了耗費成本的硅片實驗，從而縮短了開發(fā)周期并且提高了成品率。圖 1.3 ahtena輸入/輸出l 可迅速和精確地仿真應(yīng)用在cmos、雙極、sige/sigec、sic、soi、iii-v、光電子和功率器件技術(shù)的所有關(guān)鍵加工步驟；l 精確地預(yù)測器件結(jié)構(gòu)中的幾何參數(shù)、摻雜分布和應(yīng)力；l 簡單易用的軟件集成繪圖性能，自動網(wǎng)格生成，工藝步驟的圖形化輸入，以及簡便導入既有的tma工藝deck文件；l 博士級物理學家組成的tcad中心支持團隊，為先進的半導體技術(shù)不斷開發(fā)模型；l 幫助idm、芯片生產(chǎn)廠商以及設(shè)計公司優(yōu)化半導體工藝，

13、使其達到速度、產(chǎn)量、擊穿、泄漏電流和可靠性的最佳結(jié)合；l 加速工藝開發(fā)的投產(chǎn)和設(shè)備升級。ssuprem4是一個先進的2d工藝仿真器，廣泛地應(yīng)用于半導體工業(yè)中si、sige以及化合物半導體技術(shù)的設(shè)計、分析和優(yōu)化。ssuprem4運用廣泛的先進無力模型，精確仿真擴散、注入、氧化、硅化和外延生長等的主要工藝步驟。mc implant是一個基于物理的3d離子注入仿真器，用于多晶體和非晶體材料的阻止本領(lǐng)和射程的建模。它精確地為所有主要的離子/目標化合物預(yù)測注入分布圖和其損傷。elite是一個先進的2d移動框拓撲仿真器，用于仿真物理刻蝕、淀積、回流和化學機械拋光（cmp）工藝。mc eech/depo是一

14、個先進的拓撲仿真器。它包括了幾個基于蒙特卡羅的模型，用來仿真多樣的使用了原子微粒流的刻蝕和淀積工藝。optolith是一個非平面的2d光刻仿真器，用于亞微細粒光刻的各個方面的建模，如成像、曝光、光阻烘焙和光阻顯影。optolith完全接口于所有的遵守gdsii和cif格式的商用ic版圖工具。ssuprem3是一個快速的1d硅化工藝仿真器，用于預(yù)測摻雜分布圖和層厚度。spdb是一個數(shù)據(jù)庫管理器，富含試驗和仿真的摻雜分布圖和工藝配方。收集超過6000個世界一流的實驗分布圖，spdb是當今最大的商用半導體工藝數(shù)據(jù)庫。用戶自己的分布圖也可添加和保留在spdb中。1.2.3工藝模型1. 擴散模型在ath

15、ena中的擴散模型描述了由于濃度梯度和內(nèi)部電場在熱處理過程中摻雜/缺陷的注入剖面（在接下來的部分，雜質(zhì)和摻雜物可以相互交換的使用，盡管雜質(zhì)不一定會成為摻雜物。除非在文中有另外的說明，缺陷也就是點缺陷）是怎么進行再分配的。在仿真實際的擴散方程時，需要考慮例如雜質(zhì)聚類和激活引起的額外影響，以及如何處理界面。在ssuprem4中一些列舉的模型可以描述摻雜物和點缺陷的擴散。三個最基本的模型：費米模型、二維擴散模型、全耦合擴散模型。在某種意義上說，費米模型是包括在二維模型里，而二維模型是包括在完全耦合模型里的。它們之間兩個顯著的差異是點缺陷的表示和處理整個仿真的方式，以及具體摻雜擴散是如何制訂的。選擇使

16、用哪種模型取決于在擴散過程中點缺陷的存在和生成和硅的摻雜濃度。三種模型都依賴于對擴散的概念，一個摻雜原子不能靠自己擴散它需要在附近點缺陷的存在（硅片本身的間隙或者晶格空位）作為一個擴散載體。如果在兩者之間有非零的束縛能，它們可以移動作為一個主體（一對）在最終分化之前通過一系列的跳躍和反轉(zhuǎn)周期。在說到在這些模型的范圍里的擴散，一個事實上意味著作為整體的一對擴散。雖然點缺陷既不可以自由的擴散也不能象摻雜-缺陷對里的一個參與者，但是自由的點缺陷的擴散事實上與點缺陷對是有區(qū)別的。所有擴散模型在athena中是使用了化學反應(yīng)和有源區(qū)濃度值的概念。化學反應(yīng)的濃度是摻雜的實際注入值，但是當摻雜濃度較高時，聚

17、類或電氣失活可能發(fā)生，使得有源區(qū)濃度可能會小于響應(yīng)的化學反應(yīng)濃度。athena創(chuàng)造了有多種材料和界面的結(jié)構(gòu)，例如在mosfet中的多晶硅氧硅界面。在athenah中的每個界面為了模型的雜質(zhì)隔離都有邊界或者界面條件。氣體/固體界面（如果硅表面暴露）和固體/固體表面已經(jīng)在athena中模型化了。仿真這些影響，例如從暴露表面引起的摻雜損失和在表面的摻雜堆積。1).數(shù)學描述擴散模型的數(shù)學定義包括了對每一種的擴散種類出現(xiàn)在下面的規(guī)范：l 連續(xù)性方程（通常被稱作擴散方程）；l 一個或多個流量項；l 一組邊界和區(qū)間界面條件。在半導體中的雜質(zhì)擴散的情況下，我們需要一組方程來描述每個摻雜量以及如果在模型中明確的

18、表示點缺陷的話每種類型的點缺陷。由于摻雜只能象摻雜-缺陷對中的參與者一樣擴散，摻雜的連續(xù)性方程事實上就是缺陷-摻雜對的連續(xù)性方程。連續(xù)性方程的制定有一系列的假設(shè)：l 電子工藝發(fā)生在同一時間尺度，這比所有其他過程小得多（絕熱近似）；l 假設(shè)摻雜和缺陷之間的對反應(yīng)始終處于平衡；l 可移動的摻雜是活躍的，反之則亦然。2).通用的擴散方程熱加工時硅體內(nèi)雜質(zhì)的遷移是擴散雜質(zhì)在硅內(nèi)的擴散運動，一般用所謂擴散方程來描述：它是一個二階偏微分方程ct=2cy2，公式中c為雜質(zhì)體濃度，單位為雜質(zhì)原子/厘米3，c=c(y，t)，y是雜質(zhì)擴散的方向，垂直硅表面指向片內(nèi)的方向為y向。d是擴散系數(shù)單位為厘米3/秒，這個方

19、程也稱fick第二定律的數(shù)學表示式，根據(jù)不同的邊界條件和初始條件，可從此方程推導出c(y，t)，我們熟知的兩種情況是：(a) 恒定表面濃度擴散邊界條件y=0，t0情況下有c(0，t)=cs即硅片表面(y=0)處的濃度在任何時刻t都一樣，保持恒定。初始條件y=0，t0情況下有c(0，t)=cs即硅片表面(y=0)處的濃度在任何時刻t都一樣，保持恒定。初始條件y0，t=0情況下有c(y，0)=0即t=0，除硅片表面(y=0)處外，硅片內(nèi)部各點沒有擴散的雜質(zhì)濃度。解出的分布 (1.1)即所謂余誤差函數(shù)分布。(b) 限定源擴散邊界條件y=0，t0情況下有cy|y=0=0任何時刻在硅表面都沒有外來雜質(zhì)補

20、充。初始條件y 0，t=0情況下有 (1.2)q表示擴散前存在余硅片表面無限薄層內(nèi)，單位表面積的雜質(zhì)總量，擴散過程中q為常量。解出的分布 (1.3)即所謂的高斯函數(shù)分布。2. 氧化模型集成電路的微電子結(jié)構(gòu)和器件的制造非常依賴于熱氧化過程中形成的柵介質(zhì)、器件隔離區(qū)、間隔區(qū)和離子注入掩膜區(qū)域。特別是，對硅氧化層厚度的精確控制因為器件幾何構(gòu)型朝著大規(guī)模亞微米尺寸縮小。通過擴散語句中的dryo2，weto2，f.o2或者h2o等參數(shù)仿真硅的熱氧化。當硅（或者多晶硅）和二氧化硅氧化的界面或者硅（多晶硅）的表面暴露在空氣中，那么氧化就會發(fā)生。ssuprem4在一個非常類似的環(huán)境中仿真多晶硅氧化（幾乎所有的

21、關(guān)于多晶硅的氧化參數(shù)是和硅一樣的）。ssuprem4也允許氧化層完全通過硅（多晶硅）。在工藝過程中這是非常重要的（例如，硅的局部氧化工藝）在多晶硅區(qū)域氧化時是完全消耗的。因為暴露的硅片通常有一薄層自然氧化層，ssuprem4對所有暴露的硅片（多晶硅）表面在氧化步驟開始時自動的沉積了一層薄的自然氧化層。氧化的初始化參數(shù)決定了氧化層的厚度，它的預(yù)設(shè)值為20。在ssuprem4中二維的氧化模型是基于著名的線性拋物線理論。通過考慮以下三個過程仿真硅氧化：l 氧化劑（例如水或氧氣）從環(huán)境氣體輸送到在氣體或者二氧化硅表面的二氧化硅層。l 氧化劑穿過二氧化硅層到達硅/二氧化硅界面。l 氧化劑在到達硅/二氧化

22、硅界面與硅反應(yīng)形成一層新的二氧化硅。由周圍氣體進入二氧化硅中的氧化劑流量由下式給出： (1.4)式中h是氣相質(zhì)量傳遞系數(shù)，c0是表面處sio2中氧化劑的濃度，c*=hpox，其中h是sio2中氧化劑的henry定律系數(shù)，pox是周圍氣氛中氧化劑的分壓，ns是垂直于sio2表面指向sio2的單位矢量。 sio2中氧化劑的流量也可由下式給出： (1.5)式中d是sio2中氧化劑的擴散率，c是氧化劑的局部濃度，是梯度算符，f還可用氧化界面處氧化劑消耗量給出： (1.6)這里ks是表面反應(yīng)速率，c是界面氧化劑的濃度，ni是垂直于界面背離sio2的單位矢量。在穩(wěn)態(tài)，流量的散度為零， (1.7) sio2

23、生長速度由下式給出： (1.8)式中dydt表示相對于sio2的界面速度，n1是形成每立方厘米sio2所需的氧化劑分子數(shù)，thin是薄層氧化速率常數(shù)，用于描寫氧化初始階段sio2的快速生長，thin 的計算可用解析描寫或數(shù)值模型。h.z.massoud曾給出以下thin 表示式： (1.9)式中3個薄層氧化參數(shù)top1、top2、top3的值同氧化劑的種類以及si的晶向，有關(guān)，多晶硅和單晶硅也不同。y是沒有掩模處氧化層厚度。3. 離子注入模型ssuprem-4中雜質(zhì)離子注入到硅靶的模型有兩種。它們是解析離子注入模型和monte carlo離子注入模型。解析模型用基于包含在ssuprem-4中的

24、離子注入數(shù)據(jù)文件內(nèi)的分布矩(distribution moment)的gaussian或pearson函數(shù)仿真雜質(zhì)和點缺陷分布。monte carlo基于物理模型，計算注入離子通過二維耙結(jié)構(gòu)的彈道(trajectories)。1) 解析離子注入模型這種模型首先計算沿著通過二維仿真結(jié)構(gòu)的每個垂直條(設(shè)為y向)的注入雜質(zhì)離子的一維分布i(y)，其表達式為 (1.10)式中dose是由離子注入器提供的每平方厘米總的雜質(zhì)離子數(shù)，f(y)是一個歸一化的gaussian或pearson分布函數(shù)，y=0取在垂直條頂部材料的表面。接著，將每個沿垂直條的一維分布乘上一個正交于垂直條方向(取為x向)的gaussi

25、an分布，使擴展到二維分布i(x，y)，其表達式為： (1.11)式中x是離沿y向的垂直條的垂直距離，x是橫向標準偏差，x的值可從ssuprem-4的離子注入數(shù)據(jù)文件中找到，最后，再累加i(x，y)得出完全的離子注入二維分布。為精確仿真離子注入分布，ssuprem-4解析離子注入模型中還包含以下模型：(i) 同注入劑量有關(guān)的注入分布模型，用雙pearson分布描述，其公式為 (1.12)式中是無定型材料情況下雜質(zhì)離子剖面分布的劑量和總劑量之比，iamorphous(y)、ichanneled及icomposite(y)分布是歸一化的無定型部分的、晶體部分的及兩者合成的pearson分布。(ii

26、) 襯底圓片的傾斜和轉(zhuǎn)動(tilt and rotation)對注入分布影響的模型。(iii) 處理多層注入分布的有效射程模型和劑量匹配模型。(iv) 與橫向注入相關(guān)的橫向標準偏差模型。(v) 注入模型(vi) 解析注入損失模型2) monte carlo離子注入模型ssuprem-4中包含一個基于物理模型的計算雜質(zhì)離子注入分布的綜合的monte carlo離子注入模型。該模型可計算雜質(zhì)離子注入在晶體硅、無定型硅及其他材料的分布。該模型還可仿真注入時晶體硅向無定型硅的轉(zhuǎn)變，反射離子對最終注入分布的影響、注入時產(chǎn)生的空位和間隙類損傷對離子注入分布的影響以及硅襯底損傷的自退火等。應(yīng)用monte c

27、arlo離子注入模型的技術(shù)可檢驗一系列參數(shù)對最終分布結(jié)果的依賴關(guān)系，如傾斜和轉(zhuǎn)動角、高注入劑量、注入溫度及低能量離子注入等因素對最終注入分布的影響。1.3 器件仿真atlas1.3.1 器件仿真概述ic器件仿真由運行ic器件仿真器來實現(xiàn)。ic器件仿真器由ic器件仿真軟件及能運行該軟件的具有一定容量和速度的計算機主機及輸入輸出設(shè)備等硬件組成。隨著ic的發(fā)展需要pn結(jié)二極管、雙極型晶體管等pn結(jié)型半導體仿真器，mos電容、mosfet等mos型半導體器件仿真器，ms二極管、mesfet等ms接觸型半導體器件仿真器，si/sige、algaas/gaas等異質(zhì)結(jié)半導體器件仿真器，互速寄生元件仿真器，

28、薄膜晶體管（tft）等半導體薄膜器件仿真器等多種器件仿真器。目前在ic仿真中最常用和最成熟的器件仿真器是pn結(jié)型半導體器件仿真器和mos型半導體器件仿真器。ic器件仿真器及其輸入、輸出的示意圖由圖2.4給出。其中雜質(zhì)分布的輸入可用對應(yīng)的工藝仿真軟件的輸出或用一個描述摻雜分布的解析表達式，幾何參數(shù)例如為mos型器件包括溝道長度、溝道寬度、柵氧化層厚度等。器件仿真軟件的研制同工藝仿真類似，需要進行建模，空間、時間及偏微分方程離散化，經(jīng)離散化得出的非線性代數(shù)方程的迭代解，以及程序?qū)崿F(xiàn)和驗證等工作，進行上述工作所采用的方法也基本相同。ic器件仿真同工藝仿真的差別和關(guān)聯(lián)主要如下述。ic工藝和器件仿真的核

29、圖 1.4. ic器件仿真器及其輸入、輸出的示意圖心問題都是找出作為時間函數(shù)的可移動的、帶電及/或中性的質(zhì)點的空間分布?？梢苿拥馁|(zhì)點的分布由質(zhì)點連續(xù)性方程支配，帶電質(zhì)點由poisson方程支配，可移動的帶電質(zhì)點將由這兩個方程耦合支配。器件仿真中的質(zhì)點主要是載流子電子和空穴，工藝仿真中主要是原子中性的和離化的參雜原子。求解得出了隨時間變化的質(zhì)點的空間分布，為工藝仿真就直接給出工藝仿真的主要結(jié)果摻雜分布，而器件仿真還需知道靜電勢分布，以得出端電壓和端電流關(guān)系及有關(guān)器件參數(shù)。器件仿真得出的例如雙極型器件的端電壓和端電流關(guān)系及放大倍數(shù)、mos型器件的電容和電壓關(guān)系及閾值電壓等器件參數(shù)的驗證，比工藝仿真

30、得出的摻雜分布的驗證容易實現(xiàn)。工藝仿真中雜質(zhì)原子在不同材料的體內(nèi)和界面輸運規(guī)律的建模，也即在不同材料的體內(nèi)的擴散和界面的分凝現(xiàn)象的建模，同器件仿真中對載流子遷移、復合等現(xiàn)象的建模，也即載流子遷移率或擴散率以及載流子的產(chǎn)生率和復合率的建模相比，前者困難大于后者。由于器件特性強烈地依賴于器件中有源區(qū)摻雜分布，而精確的摻雜分布目前主要依靠工藝仿真獲得。例如發(fā)射區(qū)磷摻雜的雙極型晶體管特性的精確仿真同工藝仿真對發(fā)射區(qū)磷摻雜的扭曲狀分布及高濃度磷發(fā)射區(qū)引起的基區(qū)推出效應(yīng)的精確仿真緊密相關(guān)；mosfet閾值電壓調(diào)整和優(yōu)化的精確仿真基于用于閾值電壓調(diào)整的離子注入分布及其再分布對mosfet溝道區(qū)參雜分布的精確

31、仿真。所以，器件仿真和工藝仿真緊密結(jié)合，兩種仿真器的聯(lián)用是ic tcad發(fā)展的必然要求。ic器件仿真器常與ic工藝仿真器聯(lián)用，也可與ic電路仿真器聯(lián)用，若成功聯(lián)用，則已知制造ic工藝條件參數(shù)就可得出電路特性。實現(xiàn)了基于制造工藝的ic計算機輔助設(shè)計及快速ic特性分析，也即實現(xiàn)了ic的虛擬制造。ic工藝、器件、電路3種仿真器聯(lián)用的示意圖由圖1.5所示。在聯(lián)用時由于ic器件仿真器輸出的器件參數(shù)同ic電路仿真器輸入要求的器件參數(shù)在名稱、含義和數(shù)據(jù)文件格式方面有所不同，一般，在ic 器件和ic 電路仿真器間還需要一個器件參數(shù)的轉(zhuǎn)換軟件將器件仿真器的輸出器件參數(shù)轉(zhuǎn)換成滿足ic電路仿真器輸入要求的器件參數(shù)，

32、這一器件參數(shù)轉(zhuǎn)換軟件一般稱之為參數(shù)提取軟件。圖 1.5. ic工藝、器件、電路3種仿真器聯(lián)用示意圖2.3.2 atlas器件仿真系統(tǒng)atlas器件仿真系統(tǒng)使得器件技術(shù)工程師可以仿真半導體器件的電氣、光學和熱力的行為(如圖1.6、1.7)。atlas提供一個基于物理，使用簡便的模塊化的可擴展的平臺，用以分析所有2d和3d模式下半導體技術(shù)的直流，交流和時域響應(yīng)。圖 1.6 atlas系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l 無需昂貴的分批作業(yè)試驗，即可精確地特性表征基于物理的器件的電氣、光學和熱力性能；l 解決成品率和工藝制作過程變異的問題，使其達到速度、功率、密度、擊穿、泄露電流、發(fā)光度和可靠性的最佳結(jié)合；l 最多選擇的硅模

33、型，iii-v、ii-vi、iv-iv或聚合/有機科技，包括cmos、雙極、高壓功率器件、vcsel、tft、光電子、激光、led、ccd、傳感器、熔絲、nvm、鐵電材料、soi、fin-fet、hemt和hbt；l 分支機構(gòu)遍布世界各地，有專門的物理博士提供tcad支持；l 與專精穩(wěn)定和有遠見的行業(yè)領(lǐng)導者合作，在新技術(shù)強化上有活躍的發(fā)展計劃；l 直接把atlas結(jié)果輸入到utmost進行spice參數(shù)提取，將tcad技術(shù)應(yīng)用到整個流片（tapeout）過程。s-pisces/device3d是一個2d/3d的器件仿真器，用于結(jié)合了漂流擴散和能量平衡方程的硅化技術(shù)。其擁有廣泛的物理模型庫可供直

34、流、交流和時域仿真使用。典型的應(yīng)用包括mos，雙極和bicmos技術(shù)。tft2d/3d是一個高級的器件技術(shù)仿真器，其物理模型和專用數(shù)字技術(shù)是仿真非晶體或包括薄膜晶體管在內(nèi)的多晶硅器件所必需的。特殊應(yīng)用包括大面積電子顯示和太陽能電池。ferro經(jīng)開發(fā)可結(jié)合fet的電荷層模型和描述鐵電薄膜的麥克斯韋第一方程。此模塊可以精確的預(yù)測那些器件的靜態(tài)i-v行為和瞬態(tài)與小信號模式中的動態(tài)響應(yīng)。blaze/blaze3d可仿真運用高級材料制作的器件。它有一個化合物半導體的庫，包括了三元和四元材料。blaze/blaze3d具有內(nèi)置的模型，用于登記和斷裂的異質(zhì)結(jié)，并且仿真如mesfets、hemt和hbt的結(jié)構(gòu)

35、。laser是世界上第一個用于半導體激光二極管的商用仿真器，配合atlas系統(tǒng)中的blaze使用為邊緣發(fā)射fabry-perot型的激光二極管的電氣行為（直流和瞬態(tài)響應(yīng)）和光學行為提供數(shù)學解決方案。圖 1.7 atlas輸入/輸出vcsel和atlas系統(tǒng)一起使用，為垂直共振腔面射型激光（vcsel）生成就物理的仿真。vcsel將成熟的器件仿真和先進的光學模式結(jié)合起來以獲得vcsel的電氣、熱力和光學行為。led具有仿真光射器件的性能。lde 與blaze和atlas系統(tǒng)聯(lián)用，從而預(yù)測直流和瞬態(tài)響應(yīng)、光能密度、峰值發(fā)射、波長、光譜輸出、效率、輸出耦合和角度輸出光分布。led應(yīng)用精確的kp帶結(jié)構(gòu)

36、模型來仿真大批和量子阱器件。luminous2d/3d是一個先進的器件仿真器，特別設(shè)計用于在非平面半導體器件中的光吸收和圖像生成的建模。使用幾何射線描跡而得到用于一般光源的精確解決方案。luminous2d/3d或blaze配合使用來仿真任意光電探測器件。mixedmode2d/3d與s-pisces或blaze配合使用，仿真包括基于物理的器件以及簡化分析模型的電路。當沒有精確的簡化模型或者器件的地位很重要而必須用很高的精度來仿真時，會運用基于物理的器件。quantum提供一套強大的模型用來仿真半導體器件中多樣的載流子量子束縛效應(yīng)。schrodinger-poisson解算器允許用靜電勢來自恰

37、計算束縛態(tài)能量和波方程。兩字瞬態(tài)模型允許仿真載流子運輸之上的量子束縛效應(yīng)。noise與s-pisces或blaze配合使用允許分析半導體器件中產(chǎn)生的小信號噪聲。noise可以精確的特性表征所有小信號噪聲源和足夠用來優(yōu)化電路設(shè)計的額外的靈敏度。1.3.2 基本的半導體方程式atlas是一個用于模擬半導體器件的功能非常強大的軟件程序。它在器件中建立了一個電勢與載流子分布的二維模型，通過計算可以得出任意偏壓下的電學特性。atlas在世界范圍內(nèi)被廣泛的使用，應(yīng)用于模擬各種半導體器件，例如mos，bjt，iii-v族器件，tft，光電器件等4，并且經(jīng)過了實驗的驗證，可以說它是一個十分準確和通用的半導體器

38、件模擬器。本文主要是利用atlas編程求解。atlas使用了在后面會分別詳細描述的五個偏微分方程來描述半導體器件的體特性，他們分別是：泊松方程：描述靜電勢，參見后面的公式(1.13)電子和空穴流密度的連續(xù)性方程(電子和空穴各一個)：描述載流子的濃度，參見后面的公式(1.14)和(1.15)；電子和空穴的載流子能量平衡方程(電子和空穴各一個)：描述載流子的溫度，參見后面的公式(1.16) 和(1.17)；由它們所得到的代數(shù)方程組是相互耦合、非線性的。對于給定的器件和工作范圍，沒有一種求解方法對于所有的情況都是最優(yōu)的。有幾種可能性如下：(1) 在零偏壓情況下，僅僅求解泊松方程便足夠；(2) 在雙極

39、型器件和mosfet的電學特性仿真中，兩種載流子都是需要的；(3) 對于小尺寸器件的熱載流子效應(yīng)仿真(此處電場變化很快)，應(yīng)當加入載流子能量平衡方程；atlas提供了兩種算法來求解微分方程：耦合算法(newtonss method)和非耦合算法(gummels method)。每一種方法都要求解幾個巨大的線性方程系統(tǒng)。在每一個系統(tǒng)中方程總量為網(wǎng)格點數(shù)量的1.4倍左右，收斂速度取決于要求解的器件方程的個數(shù)。使用雅可比的高斯消元法的牛頓求解過程，是非常穩(wěn)定的求解方法。這一算法可使用于以下場合：器件開啟后，單極載流子傳輸問題；兩種載流子的仿真問題，但是，在對兩種載流子進行仿真時，要花費很大的內(nèi)存和機

40、時，這是它的限制。耦合算法在目前來說是最可靠的算法，尤其是在方程的非線性程度較大的時候。我們的仿真選用第一種算法，即newtons method。執(zhí)行的方程包括：泊松方程和連續(xù)性方程，電子和空穴的連續(xù)性方程，電子和空穴的電流密度方程，電子和空穴的能量平衡方程等組成的流體動力學方程組。 (1.13) 在這里為電容率，定義為本征費米勢，表示半導體材料的介電常數(shù)，s是空間電荷密度(特別注意這里它是所有可動電荷和固定電荷的總和，包括電子、空穴以及離化雜質(zhì)等)。 (1.14) (1.15)這里un和up分別為電子和空穴的凈復合率。jn和jp分別為電子和空穴的電流密度。若電子和空穴的電流密度。若電子和空穴

41、的電流密度用標準的漂移-擴散方程，且用愛因斯坦關(guān)系將載流子遷移率替代載流子擴散系數(shù)以及考慮了載流子加熱引起的溫度隨空間的變化，則有： (1.16) (1.17)這里un和up分別為電子和空穴的熱電壓ktnq和ktpq。1.3.4 物理模型1. 遷移率模型由于載流子遷移率(以下簡稱遷移率)的所有誤差，通過相乘的關(guān)系產(chǎn)生一個正比的電流誤差，所以遷移率是二維mosfet模擬的一個重要參數(shù)，同時，遷移率又是一個著名的復雜的兩，至今人們對已有的遷移率模型還不是非常滿意。假定：遷移率是溫度(t)，平行于電流方向的電場分量(ep)，垂直于si-sio2界面的距離(y)，雜質(zhì)濃度(c)及可動載流子密度(n，p

42、)的函數(shù)。執(zhí)行的遷移率公式為： (1.18) (1.19) (1.20) (1.21) (1.18)-(1.21)式中，n和p分別為標記電子和空穴。n為c和n、p的函數(shù)。l(t)為只考慮晶格散射時的遷移率，它由一個簡單的溫度冪定律描述。l(n，t)是考慮了晶格散射和離化雜質(zhì)及電子、空穴散射后的遷移率，它是溫度、雜質(zhì)濃度、電子及空穴密度的函數(shù)。在高注入低摻雜區(qū)，電子、空穴散射極為重要。lis(y，ep，es，n，t)是進一步考慮了表面粗糙和同電場有關(guān)的表面散射后的遷移率，它是y，ep，es，n，t的函數(shù)，tot是總的遷移率，它除考慮由晶格、雜質(zhì)及載流子、表面散射等引起的遷移率lis 外，還考慮了

43、平行于電流方向的高電場分量引起漂移速度飽和對遷移率的影響，即引起了(vsep)一項，vs 有弱的溫度關(guān)系，用mathiessen法則將該同lis 相結(jié)合，最終可求得總的遷移率tot 。2. 產(chǎn)生和復合模型若要模擬雪崩效應(yīng)，計算雪崩產(chǎn)生率、電子/空穴的離化率或襯底電流，我們必須在連續(xù)性方程的右邊加上產(chǎn)生及或復合項，即不能假設(shè)g-r=0，所用的產(chǎn)生/復合模型公式，見式(2.22)-式(2.24)： (1.22)式中(g - r)tot為凈產(chǎn)生率總量，(g - r)th 為凈俄歇產(chǎn)生率(即凈俄歇復合率的負值)，g a為碰撞電離產(chǎn)生率。式中各(g-r)的單位都是1/厘米3-秒。式(2.22)也表示不考

44、慮各種不同機理引起的(gr)項之間的相互作用。 (1.23) (2.23)式中，(g - r)th 表示式即為人們熟知的shockley-read-hall公式，式中載流子壽命n和p同摻雜濃度有關(guān)。 (1.24) (2.24)式中sn和sp分別為電子和空穴的表面復合率。(y)為dirac-delta函數(shù)，y=0標記界面。 (1.25) (1.26) (1.23)-(1.26)式中所用常數(shù)n、p、sn、sp、cn、cp、an、ap、bn、bp等，通過輸入?yún)?shù)文件，選用其他更合適的值。第二章 器件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建利用silvaco軟件進行工藝和期間的仿真，首先要建立相關(guān)的器件結(jié)構(gòu)模型。本章將主要介紹打開

45、silvaco軟件的方法和軟件的基本操作語句及材料中網(wǎng)格的建立。21 軟件的打開方法利用silvaco軟件設(shè)計工藝流程和仿真，主要在silvaco的deckbuild中進行。點擊s. eda tools圖標，將打開一個快捷方式文件夾(圖2.1)。在其中選擇deckbuild快捷方式，將打開如圖2.2的窗口。該窗體分為上下兩個窗口，其中上窗口主要用來輸入相關(guān)的工藝程序，下窗口將顯示程序運行的過程和結(jié)果。在deckbuild窗口中可以加載和運行一些工藝和器件仿真實例，從實例來體會silvaco的使用方法將更有效果。加載實例的方法為從deckbuild窗口上找到examples，點擊后將打開如下的下

46、拉菜單，選擇其中的athena examples。將出現(xiàn)如example loader 的對話框，從下拉條中選擇某一個工藝步驟的仿真程序，如圖所示所選的為氧化工藝仿真程序，選擇其中的anoxex01.in點擊ok打開此程序。 這樣將在deckbuild中出現(xiàn)如下的程序點擊run按鈕，silvaco將逐行的運行圖中所示的程序，同時在deckbuild窗體的下窗口顯示運行的結(jié)果。程序運行完畢后，將出現(xiàn)下圖所示的運行結(jié)果。這個結(jié)果顯示了場氧化的各個步驟。2.2 工藝仿真程序的建立2.2.1 go 命令開始一個仿真程序在deckbuild內(nèi)運行工藝仿真程序athena，使用命令go athena,其中

47、go 在silvaco中表示開始某一個仿真器，每個silvaco的仿真程序的開始必須由go 這個命令開始。使用go命令還可以調(diào)用特定的silvaco版本和模型文件。其格式如下例：調(diào)用特定版本go athena simflags=”-v 4.3.0.r”調(diào)用特定模型文件go athena simflags=”-modfile 97a”2.2.2 athena 的程序編寫格式和參數(shù)類型在athena程序中每一行代表了一個工藝步驟的聲明（statement）。athena的聲明結(jié)構(gòu)通常由以下格式構(gòu)成： =，其中表示命令名，表示參數(shù)名，表示參數(shù)值。athena中參數(shù)值有4種格式，如下表所示參數(shù)類型類型

48、描述數(shù)值需要實例character 字母、字符串是outfile=mos.strinteger整數(shù)是divisions=10boolean布爾運算值否oxide or oxide=freal實數(shù)是c.boron=1.5e14除布爾運算值外，其他任何運算值都必須由param=val這樣的格式來給參數(shù)賦值，布爾運算值必須與其他參數(shù)或命令間隔一個空格。下面將以淀積的例子來說明athena程序的編寫格式和數(shù)值的應(yīng)用：deposit nitride thick=0.35 這句中nitrid參數(shù)有一個布爾值，在本例中其值為“true”，thick 的參數(shù)值為0.35微米。2.2.2 構(gòu)建材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為了能

49、更好的模擬工藝過程中材料的變化和雜質(zhì)在材料中的運動情況，需要對半導體材料中的區(qū)域進行網(wǎng)格的劃分。在silvaco中對材料的網(wǎng)格的建立使用的語句是line.line語句的格式和參數(shù)如下：line x|y location= spacing= tag= tri.left|tri.right其中，x,y表示網(wǎng)線是沿水平還是垂直方向建立；location=表示沿著所選的坐標軸所定的位置，對于x方向從左向右遞增，對于y方向從上向下遞增；spacing=表示網(wǎng)線與網(wǎng)線間的距離；tag=定義一個將在后續(xù)的boundry 和 region語句中被引用的參數(shù)名；tri.left|tri.right表示在y方向控

50、制所建立的三角形網(wǎng)格的取向。以下為line命令的應(yīng)用實例line x loc=0.00 spac=0.10line x loc=10.00 spac=0.10line y loc=0.00 spac=0.03line y loc=0.30 spac=0.02line y loc=0.60 spac=0.04line y loc=1.00 spac=0.05應(yīng)用該程序所形成的圖形如下圖所示，在以上的程序中定義x方向上的長度為10微米，網(wǎng)線間距為0.1微米，y方向長度為1微米，在0-0.3微米的范圍內(nèi)網(wǎng)線間距為0.03微米平滑的變化到0.02微米，在0.3-0.6微米的范圍內(nèi)網(wǎng)線間距為0.02微米

51、平滑的變化到0.04微米，在0.6-1微米的范圍內(nèi)網(wǎng)線間距為0.04微米平滑變化到0.05微米。僅僅使用以上的line語句是無法讓athena建立材料模型的，此時必須使用到initialize語句。其語法和參數(shù)如下：initialize material orientation= rot.sub= c.fraction=c.impurities=|resistivity=c.interst=c.vacancy=boron|phosphorus|arsenic|antimony no.impurityone.d|two.d|auto x.locat= cylindricalinfile= str

52、ucture|intensityspace.mult= interval.r= line.data scale= flip.ydepth.str= width.str=其中，material表示所選用的初始材料，即使用何種材料為襯底材料。在silvaco中提供了大量的標準材料，同時也為用戶提供了自定義材料的方法。在下節(jié)中將有所介紹。orientation=表示襯底材料的晶格取向，如硅材料有（111）、（110）、（100）等不同的晶格取向。rot.sub=定義了主要的晶面，以角度為參數(shù)，僅使用在bca 離子注入模型中。通常默認為rot.sub=-45。c.fraction=定義化合物半導體中各

53、成分的比例c.impurities=定義襯底中雜質(zhì)的種類和濃度，所定義濃度均勻分布在襯底中。resistivity=定義材料的初始襯底的電阻率，當定義電阻率以后材料的雜質(zhì)濃度的定義將被忽略。當使用resistivity參數(shù)后，可以使用boron|phosphorus|arsenic|antimony來定義材料的摻雜類型。no.impurity表示在仿真過程中不計算雜質(zhì)。one.d|two.d|auto表示采用一維、二維，當默認的時候采用auto設(shè)置。space.mult=表示對line語句中的space參數(shù)進行加倍運算。下例為line語句實例下增加上initialize語句：go athenaline x loc=0.00 spac=0.10line x loc=10.00 spac=0.10line y loc=0.00 spac=0.03line y loc=0.30 spac=0.02line y loc=0.60 spac=0.04line y loc=1.00 spac=0.05init silicon c.phosphor=1.0e14 orientation