第4章工藝及器件仿真工具ISE-TCAD.

1、求是創(chuàng)靳2014-7-22浙人微電f4.102工藝及器件仿真工ISE-TCADzn ISE-TCAD是一種建立在物理基礎(chǔ)上的數(shù)值仿真工 具，它既可以進行工藝流程仿真和器件描述，也可 以進行器件仿真.電路性能仿真以及電缺陷仿真等, 其產(chǎn)品包括完整的工藝及器件模擬工具o求是創(chuàng)靳UMwwtifyISE-TCAD 特點具有友好的圖形交互界面，容易上手；可以準確快捷地仿真?zhèn)鹘y(tǒng)半導(dǎo)體工藝流程和 相應(yīng)器件；對于各種新興及特殊器件（如深亞微米器件、 絕緣硅SOk SiGe器件.應(yīng)力硅器件、異質(zhì) 結(jié)、光電子器件、量子器件及納米器件等） 也可以進行精確有效的仿真模擬。2014-7-22浙大徹電于5/102求是創(chuàng)靳

2、平臺整合工具- GENESISe, OptimlSE, LIGAMENTA工藝仿真工具-DIOS, FIOOPS-ISE”器件創(chuàng)建與網(wǎng)格優(yōu)化工具-MDRAW, MESH, DEVISE, DIPA器件模擬工具- DESSIS, Compact Models數(shù)據(jù)輸出與顯示工具-INSPECT, Tecplot-ISE電磁模擬工具-EMLAB, TED2014-7-23浙大微電f6/102求是創(chuàng)靳工藝及器件仿真流程典型器件設(shè)計流程（GENESISe工具流程平臺）：利用工藝仿真（DIOS）創(chuàng)建器件結(jié)構(gòu)步使用M DRAW等軟件進行器件網(wǎng)格和摻雜的定義與細化產(chǎn)使用器件仿真軟件（DESSIS ）進行器件特

3、性仿真 沖使用Tecplot-ISE軟件觀察仿真輸出結(jié)果，二維、三維 繪圖及參數(shù)提取使用INSPECT軟件顯示電學(xué)參數(shù)曲線繪制與分析 注：不使用工藝仿真，直接利用MDRAW等工具創(chuàng)建器件結(jié) 構(gòu)（摻雜和網(wǎng)格）也是可以的。2014-7-22浙大微電于7/102禽K求是創(chuàng)浙UiUwwtity典型工藝與器件仿真流程圖DIOSitl1 J)K5 UKoutputompn .dwsg本章內(nèi)容 ISETCAD簡介工具流程平臺GENESISe工藝仿真以及網(wǎng)格優(yōu)化工具-2D工藝仿真工具DIOS一 2D網(wǎng)格優(yōu)化工具MDRAW器件仿真工具一 2D&3D器件仿真工具DESISS20147-22浙大微電子9/102求是

4、創(chuàng)靳工具平臺GENESISe簡介 GENESISe是ISE-TCAD模擬工具的用戶圖形界 面，為設(shè)計、組織和運行ISE-TCAD工具模擬項 目提供一個良好的模擬環(huán)境通過GENESISe可以將眾多工具良好銜接起來， 然后自動執(zhí)行參數(shù)化的模擬項目，從而免除了用 戶進行命令行輸入等繁瑣步驟.運行啟動：用自己的帳號登錄到10.13.83.131 134136 137 運行命令：source /opt/demo/tcad.env 運行命令：GENESISe &2014-7-22浙大鍛電f10/102求是創(chuàng)靳UiUvwtity本章內(nèi)容 ISETCAD簡介工具流程平臺GENESISe工藝仿真以及網(wǎng)格優(yōu)化工具

5、-2D工藝仿真工具DIOS一 2D網(wǎng)格優(yōu)化工具MDRAW器件仿真工具一 2D&3D器件仿真工具DESISSDIOS簡介 DIOS能使用各種工藝模型仿真完整的制造工藝步驟，包括 刻蝕、淀積.離子注入、擴散和氧化，既有一維的，也有二 維的.它的有些模塊功能還支持三維。 DIOS軟件的輸入既可以在命令窗口鍵入命令，也可以寫在 一個命令描述文件中.另外一個特殊的輸入還包括PROLYT 版層次的文件.其中包括詳細的不同版層的幾何信息.提供一些可以選擇的控制命令，比如物理模型、參數(shù)、網(wǎng)格 布局和圖形輸出參數(shù)選擇.注：DIOS命令文件的輸入語言不區(qū)分字母的大小寫，不過， 文件絡(luò)和電極接觸點名是區(qū)分大小寫的2

6、0147-22浙大微電于13/102求是創(chuàng)新DIOS仿真命令初始化命令工藝仿真命令文件保存與輸出命令END2014-7-22浙大微電f14/102僉出滬求是創(chuàng)靳uiuvwtity初始化命令Title()命令Title命令是總是出現(xiàn)在DIOS輸入文件的最開始的地方， 用來對仿真進行初始化.必須！Title(Msimple nmos,v, MAXV , NewDiff, SiDiff)這條 命令對仿真進行了初始化，并把圖形窗口命名為“simple nmosH其中MAXV定義仿真中網(wǎng)格點最大數(shù)，一般不定義NewDiff=1/on (default)表示所有層次都定義網(wǎng)格和摻雜SiDiff=1/on

7、(default)表示僅在硅中進行擴散，多晶硅摻雜是均的, 以節(jié)約仿真時間.如果涉及鈍化過程中有偏析效應(yīng)，則應(yīng)選SiDiff=0/off.20147-22浙大徹電于15/102求是創(chuàng)靳UiUwwtity Grid ()定義器件的結(jié)構(gòu)初始化網(wǎng)格GRID (X (0.0, 0.4), Y (-10.0, 0.0), Nx=2)定義網(wǎng)格點和區(qū)域，參數(shù)Nx=2定義了所包含三角形為2個2014-7-22浙人憑電r16/102盒冋求是創(chuàng)靳茲夕 UMwwtity Replace ()對定義的網(wǎng)格進行調(diào)整，指定網(wǎng)格的調(diào)整標準Replace (ControI (MaxTrl=6, RefineBoundary=

8、-6, RefineGradient=-5, RefineMaximum=O, RefineJunction=-3).MaxTrl= :表示三角形最大的優(yōu)化級別，默認值：4 RefineBoundary=：表示邊界網(wǎng)格最大的優(yōu)化級別 RefineGradient=：表示最大的摻雜梯度優(yōu)化級別 RefineMaximum=:表示摻雜濃度最大處的優(yōu)化級別 RefineJunction=：表示PN結(jié)處網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化級別以上四個參數(shù)中vn：值為負表示以MaxTrl參數(shù)的值為參 照標準，vn值為正表示不受MaxTrl參數(shù)的限制. Substrate()定義硅襯底的晶向和揍雜Substrate(ELEM=B,

9、 CONC=5.0e15, ORIEN=100, YS=0.0) 該命令定義了硅襯底的摻雜劑ELEMent為B (default);摻雜濃度CONCentration為5.0E15 atoms/cm3;如用襯底的電阻率數(shù)據(jù)可用參數(shù)RHO (單位：Q cm) Y軸方向襯底表面YSubs的坐標00 (default);襯底表面晶向ORIENtation是(100) (default)2014-7-22浙大微電f28/102工藝仿真命令Mask()仿真中所要用到的掩膜板進行仿真，以及完成掩膜 板形成圖案的沉積。Mask (Material=Resisty Thickness=800nm, XLeft

10、=0.1 ,XRight= 0.3) Mask(Material=Po, Element=P, Concentration=3e19,Thickness=180nm, X(0.2,0.4)Mask定義的另外一種方式是通過mask文件Mask(Material=Resist9Thickness=1.0um,File=ggnmos.pl19mask=STI)Ggnnos pl 12014-722浙大微電f19/102禽K求是創(chuàng)斯UiUwwtity lmplant(.)對離子注入進行仿真 在命令中注入的雜質(zhì)類型.注入能量和注入劑量必須 用相關(guān)參量詳細指定lmplant(ElemeAs,Dose=1.

11、0e14,Energy=300kev,Tilt=0 , Rotation=-90 ,Function=CrystalTrim)默認Tilt=7 ,Rotation=-90-Function參數(shù)定義注入后垂直方向的分布函數(shù)。允許用戶選擇使用“分析注入”還是“Monte Carlo注入” 分析注入：Function=Guass I Pearson I P4 I JHG I GK | Monte Carlo注入：Function=CrystalTrim I NewCrystalTrim I Poin tResponse2014-7-22浙人微電f20/102求是創(chuàng)靳uiUvwtity Diffusi

12、on(.)用來對器件制做工藝中所有高溫步驟進行仿真的命令包括：熱退火氧化.外延層的生長和硅化物的生長.DIFFusion(ModDiff=)其中：ModDiff是選擇擴散模型，可以選擇的有：一 Conventionak一 Equilibrium、一 LooselyCoupled、一 SemiCoupled、一 PairDiffusion等.對于退火工藝的話，在Diffusion命令中的參數(shù)還應(yīng)包括:擴散時間(Time),擴散溫度(Temperature);2014-7-22浙大微電子21/102禽MI求是創(chuàng)靳UlUvwtity對于氧化工藝步驟的話，在Diffusion命令中的參數(shù)還應(yīng) 包括:通

13、入的氣體種類(Atom),溫度,時間，速率等可調(diào)節(jié)的參數(shù).Diffusion(Atmosphere=Epitaxy, Time=1.0,Temperature=1050*C, GrowthRate=1000 nm Is,Element=Ge, Concentration=1.0e20) Deposit()該命令是用來沉積物質(zhì)層的.用于各向同性或 異性沉積、表面平整化、選擇性沉積以及化學(xué)機械拋光.Deposit(Material=Po, Thickness=0.2um, Element二P,Conc=3.0e19) (default LPCVD isotropic 600*C) Deposit

14、(MateriakOX, DType=Fill, YFill=2.0um )該命令用以仿真化學(xué)機械拋光“Fill表示平整化，Deposit(Material=Si,Selection=0 nlySiPo,THick=5 Onm, ELEM=P, CONC=1E14)2014-7-22浙大微電于23/102求是創(chuàng)斯U(Unity該命令用以仿真選擇性沉積Selection=AllSiPo Deposit crystalline Si on crystalline Si; Polysilicon on all other materials.Selection=OnlySiPo Deposit cr

15、ystalline Si on Si, Po on Po, and no deposition on all other materials. Selection=AIIDepoMat (default)2014-7-22浙大微電了24/102求是創(chuàng)靳uiUvwtity Etching()用來仿真刻蝕Etching (Material二vn，Time=,Remove=,Rate(lso/Aniso=), over=,stop=)Etching(Material=OX, Remove=0.08, Over=0)-涅法刻蝕SiO2 0.08um-過刻蝕率為0 (defaults)%)Etching

16、(Material=Po, stop=oxgas9 rate(aniso=100)-各向異性刻蝕Poly-刻蝕停止在SiO2界面處-刻蝕速率為100nm/min,嚴格地垂直向下刻蝕2014-7-22浙大微電于25/102爲K求是創(chuàng)靳弋smty文件保存與輸出 Save ()保存器件的最終結(jié)構(gòu) save(file=fprocess3 type=MDRAW, synonyms(po=metal, al=metal) contacts(contactl (name=pwell91,0.5) contact2(name=source,25, 0.5) contact3(name=gate,3.3, 0.

17、2) contact4(name=anode,4.15 0.2) contact5(name=sub5 location=bottom)species(netactive, btotal, astotal, ptotal),MinElementWidth=0.001, MaxElementWidth=010, MinElementHeight=0.001, MaxElementHeight=0.10, ) 1D(.)保存仿真后的DIOS變量的一維分布. APPend=on (default)保存并替換已經(jīng)存在的文件. FACTor=-1000 (default)座標縮放的比例因子.反向縮 放尺

18、寸，從um到nm。2014-7-22浙大微電子27/102求是創(chuàng)靳弋UMvMtlty File 輸出的文件名(default extension plx). RS=off (default)計算方塊電阻；使用這個參數(shù)摻雜剖面 就不會保存在文件中. Species選擇寫入文件的變量名. XSection垂直的一維橫截面所在的X軸座標位置. YSection水平的一維橫截面所在的丫軸座標位置.2014-7-22浙大微電f28/102求是創(chuàng)靳unity文件輸出和交互圖形界面當單獨運行dios之后，Tog文件會自動產(chǎn)生。當dios運行 的命令文件為.cmd,輸出文件的名稱就為 og 當DIOS軟件是在

19、GENESISe平臺中運行，則不會產(chǎn)生log 文件，而產(chǎn)生另外一個文件為vroot_filename_dio.outA在DIOS程序運行中及運行完成后，都可以通過查看_dio.out這一文件來確認DIOS的運行狀況。2014-7-22浙大徹電f29/102求是創(chuàng)靳例子：2D NM0S仿真給出了一個0.18um的NMOS器件工藝流程的例子，從中介 紹基本的工藝和控制命令.這個器件進行二維仿真，同時不考 慮隔離。給出最簡單的描述文件（默認模型和網(wǎng)格），然后進 行仿真。參數(shù)缺省的單位：長度厚度單位為um;時間單位為min; 溫度單位為C;濃度單位為atoms/cm3;劑量單位/ cm2 ;生長 速率

20、 nm/min.例子語句及仿真結(jié)果Title(vsimple nmos example9)Title命令是DIOS輸入文件的第一個命令Grid(x=(O.O, 0.4) y=(-10.0, 0.0), nx=2)建立網(wǎng)格點和區(qū)域，nx=2在X方向上包括三角形的個數(shù)Substrate (orientation=100, element=B, conc=5.0e14, ysubs=O.O)定義襯底晶向100,摻雜為硼，濃度5.0E14,襯底頂點坐 標為0.02014-7-22浙大徹電于31/102求是創(chuàng)靳UiUvwtity! start the graphical output, set to u

21、pdate every 10 time steps:Replace(Control(ngra=10)圖形模式下，ngra=10表示每十步仿真工藝步驟刷新圖形Graphic(triangle=on, plot)開始顯示和控制DIOS圖形輸出，triangle=on表示顯示網(wǎng)格2014-7-22浙大徹電f32/102求是創(chuàng)靳uiUvwtityumty2014-7-22I . | m | Mino |ai nur |resFJ仿真開始時輸出顯示網(wǎng)格圖浙大顯電于33/102ZnJ30 umty求是創(chuàng)靳Commenp-well, anti-punchthrough & Vt adjustment imp

22、lants9)Comment語句中的內(nèi)容會在輸出圖形的上方顯示 lmplant(element=B, dose=2.0e13, energy=300keV, tilt=O) 注入，摻雜為硼，注入劑量為2.0E13/cm2,能量為300keV, 傾斜角0度lmplant(element=B, dose=1.0e13, energy=80keV, tilt=7) 注入，摻雜為硼，注入劑量為1.0E13/cm2,能量為80keV, 傾斜角7度lmplant(element=BF2, dose=2.0e12, energy=25keV, tilt=7) 注入，摻雜為BF2,注入劑量為2.0E12/cm

23、2,能量為25keV, 傾斜角7度三次溝道注入之后硼分布圖2014-7-22浙大徹電于35/102禽K求是創(chuàng)新uiUwwtitybraoe 1*”1 zooa out | reseat |Break中斷仿真Diffusion(time=1 Osec, temperature=1050)快速熱退火(RTA),時間為10秒，溫度為1050-C1d(file=channel, xsection(O.O), species(btotal), fac=-1, append=on)Diffusion(time=10, temperature=900, atmosphere=O2) 退火氧化，時間為10mi

24、n,溫度為90(TC,氣體為022014-7-22浙人微電f36/102求是創(chuàng)靳Deposit(material=po9 thickness=180nm)LPCVD (default)淀積，材料為多晶硅，厚度為180nmMask(material=resist9 thickness=80Onm, xleft=O, xright=0.09)光刻掩模，材料為光刻膠，厚度為800nm,左邊坐標為0, 右邊坐標為0.09um2014-7-22浙大徹電于37/102求是創(chuàng)靳uiUvwtity匸”!I”rji I: I r .I 5*|二0掩模層之后器件結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格分布2014-7-22浙大徹電f39/10

25、2UiUvwtityEtching(material=po, stop=oxgas, rate(anisotropic=100) 刻蝕，材料為多晶硅，截止面為二氧化硅，刻蝕各向異性， 刻蝕速率為100nm/minEtching(material=ox, Time=0.5, Rate(Aniso=100)刻蝕，材料為二氧化硅，時間為0.5min,刻蝕各向異性，刻 蝕速率為100nm/minEtching(material=resist)刻蝕掩模層diffusion(time=20, temperature=900, atmosphere=O2, po2=0.5)退火氧化，時間為20分鐘，溫度為9

26、00V,氣體為02,氧分 壓為 0.5atm.39/1022014-7-22UiUvwtityH at t rm12-1厶-2.bx =2，:| !- | 丄u, cc I , 2S1(!L| Stg!29Lh|,fpgv4tn dUtL49Qi多晶硅氧化之后柵氧化層的變化2014-7-22浙大徹電f40/102求是創(chuàng)靳ZnJi0 uiUvwtityimplant(element=As, dose=4.0E14, energy=10keV, tilt=0)NLDD注入，摻雜為碑，注入劑量4.0E14, 能量10keV,傾斜角0度.lmpl(element=B,dose=0.25e13,e nergy=20keV, rotati on二 90,tilt=30)角度為90度.注入，摻雜為硼，注入劑量0.25E13,能量20keV, lmpl(element=B,dose=0.25e13,energy=20keVj rotati on=180,tilt=30)角度為180度.注入，摻雜為硼，注入劑量0.25E13,能量20keV, lmpl(eleme nt二 B,dose=0.25e13,energy=20keV, rotati on 二270