作者：韩雁,丁扣宝
出版社：电子工业出版社
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半导体器件TCAD设计与应用试读：
前言
随着微电子技术的发展，半导体工艺水平和器件性能不断提升，这其中半导体工艺和器件仿真软件TCAD（Technology Computer Aided Design）的作用功不可没。TCAD是建立在半导体物理基础之上的数值仿真工具，它可以对不同工艺条件进行仿真，取代或部分取代昂贵、费时的工艺实验；也可以对不同器件结构进行优化，获得理想的特性；还可以对电路性能及电缺陷等进行模拟。
技术进步伴随着设计复杂性的增加，导致了TCAD软件功能及其使用越来越复杂。作者结合多年的微电子器件设计和工艺设计的经验，尤其是在功率器件和集成电路片上ESD（静电放电）防护器件设计方面所做的课题研究，编写了本书，以满足研究和设计工作所需。
本书内容主要分两部分：第一部分是主流TCAD软件及其使用介绍，第二部分是TCAD技术的相关模型分析、优化使用方法及在集成电路片上ESD防护器件设计和功率半导体器件设计中的应用。
通过学习本书，你可以：
● 利用数值模拟技术进行半导体工艺及器件性能仿真
● 熟悉工艺仿真工具的优化使用
● 设计集成电路片上ESD防护器件
● 设计功率半导体器件
● 在较短时间内以很小的代价设计出合乎要求的各种半导体器件
本书侧重于TCAD技术的应用，选取了主流TCAD软件，每部分的主体设计流程均经过了流片和测试验证，并已用于实际科研工作中，具有较强的代表性和实用性。
本书不仅能帮助高等学校微电子学、电子科学与技术或其他相关专业的研究生、高年级本科生和企业设计人员掌握TCAD技术，而且也可以作为从事功率器件和集成电路片上ESD防护设计领域的科技工作者的重要参考资料。
教学中，可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减和组合，也可以进行适当扩展。为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书配套多媒体电子课件及相应的网络教学资源，请登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）注册下载。
本书由浙江大学韩雁教授统筹及定稿，并负责其中第1、2、3、4、7、9和10章的编写，丁扣宝副教授负责第5、6、8章的编写。该书在编写过程中还得到了浙江大学微电子与光电子研究所多名师生的帮助，他们是：黄大海、张世峰、张斌、崔强、王洁、洪慧、胡佳贤、韩成功、彭洋洋、马飞和郑剑锋等。作者在编写的过程中也参考了其他有关文献资料，在此一并表示真诚的感谢。
由于作者学识和水平有限，加之TCAD的版本在不断更新发展，错漏之处敬请读者批评指正。
韩雁、丁扣宝
2013年1月 于浙大求是园第1章 半导体工艺及器件仿真工具Sentaurus TCAD
Sentaurus TCAD是由Synopsys公司开发的最新DFM（面向制造的设计）软件。Sentaurus TCAD全面继承了TSUPREM-4、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。Sentaurus TCAD提供了全面的产品套件，其中包括Sentaurus Workbench、LIGAMENT、Sentaurus Process、Sentaurus Structure Editor、MESH、NOFFSET3D、Sentaurus Device、Tecplot SV、INSPECT、Advanced Calibration等。
Sentaurus Process和Sentaurus Device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。此外，Sentaurus TCAD还提供互连建模和参数提取工具，为优化芯片性能提供了关键的寄生参数信息。
本章介绍Sentaurus TCAD的主要分支：Sentaurus Process、Sentaurus Structure Editor、Sentaurus Device和Sentaurus Workbench。1.1 集成工艺仿真系统 Sentaurus Process1.1.1 Sentaurus Process工艺仿真工具简介
Sentaurus Process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在同一平台中，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。Sentaurus Process在保留传统工艺仿真软件运行模式的基础上，还做了一些重要的改进：（1）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；（2）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（Tecplot SV）；（3）增加了小尺寸模型，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。这些小尺寸模型主要有高精度刻蚀模型、基于蒙特卡罗的离子扩散模型、注入损伤模型和离子注入校准模型等。1.1.2 Sentaurus Process基本命令介绍
用户可以通过输入命令来指导Sentaurus Process的执行。这些命令可以通过命令文件或用户终端直接输入。
1.文件说明及控制语句
下面的语句用于控制Sentaurus Process的执行。
exit：用于终止Sentaurus Process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。
tclsel：选择预处理中的绘图变量。
2.器件结构说明语句
下面的语句用于描述器件结构。
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。
transform：执行转换步骤。
3.工艺步骤说明语句
下面的语句用于模拟工艺步骤。
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。
4.模型和参数说明语句
下面的语句用于指定仿真模型和相关参数。
arrhenius：用于描述常规的指数分布模型。
beam：给出用于离子束刻蚀的模型参数。
equation：完成一个模型的测试和一个方程的求解。
gas_flow：设置扩散步骤中的气体氛围。
kmc：设定蒙特卡罗模型。
math：设置数字和矩阵参数。
mechdata：定义应力计算中的本征应力材料。
pdbDelayDouble：用于检索扩散过程中的双参数表达式。
pdbDopantLike：用于创建新的掺杂杂质。
pdbGet：用于提取数据库参数。
pdbNewMaterial：用于引入新的材料。
pdbSet：用于完成数据库参数的修改。
pdbUnSetString和pdbUnSetDouble：用于删除由pdbSetDouble 和pdbSetString创建的参数。
SetDFISEList：设置以DF-ISE格式保存的文件中的求解列表。
SetDiosEquilibriumModelMode和SetDiosPairModelMode：将默认扩散模型设置为Dios平衡模型和Dios电子空穴对模型。
SetFastMode：忽略扩散和蒙特卡罗注入模型，加快仿真速度。
SetTDRList：设置文件中以TDR格式保存的求解列表。
SetTemp：设置温度。
SetTS4MechanicsMode：设置与TSUPREM-4相匹配的机械应力参数和氧化参数。
solution：求解或设置求解参数。
strain_profile：定义由掺杂引入的张力变化。
temp_ramp：定义扩散过程中的温度变化。
term：定义方程中使用的新表达式。
update_substrate：设置衬底中的杂质属性、张力和晶格常量等信息。
reaction：定义反应材料。
5.输出说明语句
下面的语句用于打印和绘制仿真结果。
alias：用于设置和打印用户指定的命令缩写。
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Sentaurus Process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Sentaurus Process-Tecplot SV所输出的一维、二维和三维图形。
plot.xy：配置二维剖面绘图。
point.xy：在现有曲线中再添加一段曲线。
print.data：以x、y、z坐标的格式打印数据。
setPlxList：设置WritePlx中要保存的求解列表。
writePlx：设置输出一维掺杂数据文件。
select：确定后续工艺流程中需要输出的变量。
slice：基于二维、三维结构提取一维杂质分布数据。
struct：设置网格结构及求解信息。
sheetResistance：用于计算表面薄层电阻和PN结结深。1.1.3 Sentaurus Process中的小尺寸模型
1.离子注入模型
在Sentaurus Process中，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。解析注入模型使用经典的高斯分布、泊松分布及近代的双泊松分布建模，来模拟离子注入掺杂的行为和过程。使用解析模型模拟注入后形成的损伤是根据Hobler模型进行估算的。蒙特卡罗注入模型使用统计方法来计算体内的注入离子的分布，注入损伤通过计算点缺陷浓度进行分析。
为满足现代集成工艺技术发展的需求，Sentaurus Process添加了很多小尺寸模型，如掺杂剂量控制模型（Beam Dose Control）、杂质剖面改造模型（Profile Reshaping）、有效沟道抑制模型（Effective Channelling Suppression）和无定型靶预注入模型（Preamorphization Implants，PAI）等。
在掺杂剂量控制模型中，最后的注入剂量会随注入倾角和旋转角的改变而改变。有效沟道抑制模型和杂质剖面改造模型描述了短沟道效应和在器件特征尺寸缩小过程中所产生的次级效应。无定型靶预注入模型可以用来修正注入损伤所造成的沟道尾部效应。
2.扩散模型
在集成电路制造工艺过程中，将杂质掺入到半导体材料中的方法有很多，如离子注入和高温扩散等方式。Sentaurus Process仿真高温扩散的主要模型和依据有杂质激活模型、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。
Sentaurus Process给出的杂质选择性扩散模型和杂质激活模型，可以用来模拟杂质的扩散和迁移行为。杂质选择性扩散模型基于蒙特卡罗数值分析，适于模拟特征尺寸小于100 nm的扩散工艺。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。杂质激活模型主要是考虑了在掺杂过程中的缺陷、氧化空位及硅化物界面态所引发的杂质激活效应。杂质激活模型可以对由杂质激活效应引起的理论分布的偏差进行补偿或修改。此外，Sentaurus Process通过点缺陷平衡浓度修正模型，可对应力引发的点缺陷浓度变化规律进行分析，从而更加精确地计算杂质迁移过程中点缺陷的影响，满足纳米器件对点缺陷激活杂质迁移的仿真要求。
3.基于原子动力学的蒙特卡罗扩散模型
对于大尺寸器件而言，用连续性的扩散方程来描述杂质的传输及体内杂质剂量的守恒是有意义的。然而，对于特征尺寸小于100 nm的器件而言，则很难保持高的仿真精度。
基于扩散仿真的蒙特卡罗（MC）的数值算法提供了一个有价值的连续方法。蒙特卡罗仿真所需要的计算机资源随器件尺寸的减小而减少，因为它们与器件中的杂质和缺陷是成比例的。另一方面，连续仿真所需要的资源在增加，因为需要更多的、更复杂的、不平衡的现象来建模。因此，就所需要的计算机资源而言，这种趋势使基于原子动力学理论的蒙特卡罗扩散方法（KMC）在与现在最详细的连续扩散方法竞争时占有优势。
4.对局部微机械应力变化计算的建模
器件结构内部机械应力的变化在器件制造工艺制程中起着非常重要的作用，它决定着器件结构在加工过程中是否能保持完整性、热加工工艺过程的效益、热加工过程引发的载流子迁移率及扩散率的变化等。随着器件尺寸的进一步缩小，器件内部机械应力的变化还会使材料的禁带宽度发生变化，使得杂质扩散速率和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。
在现代工艺制程中，精确计算器件内部机械应力的变化是十分重要的。现在的一个趋势是在器件设计过程当中都会对器件结构施加一定的机械应力，这是因为合适的微机械应力可以有效地改善器件的性能。
Sentaurus Process对机械应力计算的仿真基于以下4个步骤：①定义微机械力学平衡方程；②定义微机械力学平衡方程的边界条件；③定义微结构的材料特性；④定义驱动微机械应力变化的机制。
Sentaurus Process包含了很多引起微机械应力变化的机制，包括热失配、晶格失配以及由材料淀积、刻蚀所引起的应力变化等。1.1.4 Sentaurus Process仿真实例
本节将结合功率器件VDMOS的工艺制程仿真来介绍Sentaurus Process的基本应用，主要包括命令文件的编写规则和常用工艺仿真语句。
1.定义二维初始网格
二维初始网格定义语句如下：
line命令定义了网格线的位置和间距。对于二维仿真，网格线的方向一般是沿x轴和y轴的。网格间距由关键字location和spacing来定义。location确定了某一网格点的起始位置，而spacing则定义了两条网格线之间的距离。其中位置和间距的默认单位为μm。
通常，在仿真的初始阶段，不需要将网格定义太多的网格节点，否则会影响整体的仿真速度。
2.开启二维输出结果调阅工具Tecplot SV界面
开启Tecplot SV界面语句如下：
Sentaurus Process工艺仿真生成的结构信息及二维或三维数据信息都可以通过Tecplot SV来调阅。
3.激活校准模型
激活校准模型的语句如下：
这个命令包括了点缺陷的扩散、硼扩散、硼质聚类过程（激活和失活的硼）和表面捕获等模型的校准。
4.开启自适应网格
开启自适应网格的语句如下：
在仿真过程中，自适应网格会自动添加网格点到器件结构中。
5.定义仿真区域并对仿真区域进行初始化
对于二维仿真而言，初始仿真区域是通过指向x和y方向的标记符来定义的。这些标记符由前面的line命令语句定义。在本例中，定义衬底为砷掺杂，电阻率为14Ω·cm。硅片的晶向为<100>。
6.定义网格细化规则
网格细化规则的定义语句如下：
第一行结尾处的“\”表示续行符。工艺制程中的氧化、淀积或刻蚀等步骤会改变原有的结构网格。在设置了网格辅助调整功能的前提下，系统将依据需要对网格进行重新设置。在Sentaurus Process中用mgoals命令在初始网格的基础上来重新定义网格。网格的调整只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。max.lateral.size定义了边界处网格的最大横向间距，accuracy为误差精度。
7.在重要区域进一步优化网格
完成局部区域网格优化的语句如下：
min参数和 max参数用来定义网格优化的窗口。xrefine参数和yrefine参数用来定义网格的间距。
8.生长薄氧层
在离子注入之前，需要先生长一层薄氧，用来缓冲随后进行的离子注入，可有效避免注入损伤。
gas_flow命令用来定义气体的混合成分。其中，周围气压定义为一个大气压，而O和HCl的流量分别定义为4.0l/minute和0.03l/minute。2diffuse命令用来定义热氧化步骤的时间、温度等参数。
9.JFET注入
该工艺步骤可以有效减小器件的导通电阻，增加器件的驱动能力。该工艺步骤定义语句如下：
mask命令用来定义掩膜版信息，在本例中，选用正性光刻胶（若用负性光刻胶，则用negative参数表示），0～6.75μm之间的光刻胶在曝光后会被留下作为掩膜版。implant命令用来完成磷的注入，12-2其中注入剂量为1.5×10cm，注入能量为100 keV。diffuse命令用来执行热退火过程，clear将掩膜版去除。
10.保存一维掺杂文件
保存一维掺杂文件的语句如下：
在SetPlxList命令中，将砷和磷的掺杂分布做了保存。在WritePlx命令中，指定保存y=7（m处的掺杂分布曲线。最终保存的一维掺杂分布曲线如图1.1所示。图1.1 砷和磷的一维掺杂分布曲线
11.生长栅氧化层
在生长栅氧化层之前，需要将之前使用的薄氧层去除，etch命令用来完成这一工艺步骤。其中关键字thickness定义的厚度需要大于之前薄氧层生长的厚度，这样才能完全去除。而gas_flow和diffuse命令则定义了生长栅氧化层的工艺条件。生长栅氧化层的语句如下：
12.制备多晶硅栅极
制备多晶硅栅极的语句如下：
首先，使用deposit命令淀积一层多晶硅，厚度为0.6（m。然后，使用mask命令定义刻蚀多晶硅栅的光刻版，即0～2.75（m之间的多晶硅会被刻蚀掉。接着，使用etch命令完成刻蚀步骤，其中刻蚀类型定义为各向异性，即只在垂直方向进行刻蚀，最终将光刻版去除。
13.形成P-Body区域
形成P-Body区域的语句如下：
P-Body区的注入是通过穿透栅氧层实现的。先注入剂量为2.8×13-210cm的硼，然后在1150℃的高温条件下，进行120分钟的退火实现。
14.形成P+接触区域
形成P+接触区域的语句如下：
为了在源区域形成良好的欧姆接触，P+注入剂量需要很高，一15-2般为1×10cm。
15.形成源区域
形成源区域的语句如下：
16.制备侧墙区
制备侧墙区的语句如下：
17.制备铝电极
制备铝电极的语句如下：
18.定义电极
定义电极的语句如下：
在上述语句中分别定义了栅电极、源电极和漏电极。其中，漏电极在器件结构的背面形成。
19.保存完整的器件结构
保存完整器件结构的语句如下：
使用struct命令来保存完整的器件结构信息。使用smesh命令后，则已经完成了器件结构保存格式的转换，在已经定义电极的情况下，可以将smesh保存的文件直接导入Sentaurus Device，进行器件物理特性的仿真。最终的器件结构图如图1.2所示。图1.2 最终形成的VDMOS器件结构图1.2 器件结构编辑工具Sentaurus Structure Editor1.2.1 Sentaurus Structure Editor（SDE）器件结构编辑工具简介
Sentaurus Structure Editor（也称Sentaurus Device Editor，简称SDE）是基于二维和三维器件结构编辑的集成环境，可生成或编辑二维和三维器件结构，用于与Process工艺仿真系统的结合。如果单独使用Sentaurus Structure Editor，仅可实现三维器件的工艺级仿真。在Sentaurus Structure Editor中，用户可以通过图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）来生成或编辑器件结构。同时，用户还可以根据需要定义器件的掺杂分布和网格优化策略。Sentaurus Structure Editor 可以产生网格引擎所需要的输入文件（DF-ISE格式的边界文件或TDR格式的边界文件），并使用网格引擎产生TDR格式的器件网格及掺杂数据文件或DF-ISE格式的器件网格及掺杂数据文件.gdr和.dat文件。（1）Sentaurus Structure Editor提供以下工具模块。
① 二维器件编辑模块；
② 三维器件编辑模块；
③ Procem三维工艺仿真制程模块。（2）Sentaurus Structure Editor具有以下特点。
① 具有优秀的几何建模内核，为创建可视化模型提供了保障；
② 拥有高质量的绘图引擎和图形用户界面；
③ 具有基于Scheme脚本语言的工具接口；
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]