半导体器件模拟仿真ppt课件

1、半导体器件模型与仿真 Semiconductor Device Models and Simulation,平时：30% 上机+考试：70,内容大纲 一、 半导体仿真概述 2学时 二、 半导体器件仿真软件使用 2学时+2学时上机 三、 Diode器件仿真 2学时+2学时上机 四、BJT器件仿真 4学时+4学时上机 五、半导体工艺仿真软件使用 4学时+4学时上机 六、MOS工艺及器件仿真 4学时+4学时上机 七、总结与复习 2学时+4学时上机,1）什么是仿真？ 仿真和另外一个词汇建模（modeling）是密不可分的。 所谓建模就是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律。 仿真是在这个一般规

2、律的基础上，对某事物在特定条件下的行动进行推演和预测。 因此可以说建模是仿真的基础，仿真是随着建模的发展而发展的。 建模和仿真的关系可以比作程序设计中算法和语言的关系,一、概论：半导体仿真概述 Introduction of Semiconductor Simulation,1. 这门课是研究什么的,2）什么是半导体器件仿真？ 那么像电子IT行业里面的仿真软件按用途分是多种多样的。仅仅是集成电路这个行业来讲，就分电路仿真、器件仿真、工艺仿真等。再深入下去研究，研究固体物理学，半导体物理学也都有相关的仿真软件可以进行原子、分子级别的仿真。 包括工艺仿真和器件电学特性仿真两个部分。 研究单个元器件

3、从生产工艺到性能特性的,3） 什么是半导体器件仿真器？ 前面提及的理论基础不仅仅是同学们学习这门功课所需要的前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最需要的理论基础。为什么呢？ 因为仿真实质上是通过仿真器来完成的。 一般仿真器实质上等于（输入接口+模型库+算法+输出接口） 核心部分是模型库的建立，精度，处理速度需要通过算法来调节。 一个半导体仿真器弄能是否强劲，就是看模型库是否强大。所以它是随着对半导体理论的探索和对实验数据的累计的发展而发展的,2. 在整个学科中所处的位置是什么？ 从纵向来讲，和其他CAD类或仿真类课程一样，它是基础理论知识和实际生产的链接点,从横向来讲， 电路模拟、工艺模拟、器

4、件模拟之间的关系可以用下面的结构图来表示,工艺描述,几何结构及掺杂,工艺仿真 (Process Simulation,电学特性,器件仿真 (Device Simulation,电路模拟用器件模型参数,IC电路仿真 (IC Circuit Simulation,IC电路特性,本门课程 重点学习部分,器件模拟参数提取 (Device parameter extraction tools,3. 有什么用？ 一方面，充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用。加强理论教学的效果。 仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩短了开发周期和提高

5、成品率。也就是说，仿真可以虚拟生产并指导实际生产,如前图所表，这个器件仿真在逻辑上是基础于电路仿真的。 工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟。 可以用于设计新工艺，改良旧工艺。 器件仿真可以实现电学特性仿真，电学参数提取。 可以用于设计新型器件，旧器件改良，验证器件的电学特性。 如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等等。提取器件参数，或建立简约模型以用于电路仿真,4.学习这门功课需要哪些准备？ 半导体物理学 半导体器件物理学、MOS、BJT、Diode、功率器件等 集成电路工艺技术 简单的电路基础,5. 学到什么程度？具体学什么？ 掌握模拟仿真软件的使用，对半导体器件的特

6、性进行模拟和分析。 具体为： 复习现有以硅为主的超大规模集成电路工艺技术。学习工艺仿真软件的使用方法 （氧化、扩散、离子注入、淀积、刻蚀、光刻等） 2. 熟悉并学会使用器件仿真软件 （1）学习如何用仿真语句编写器件的结构特征信息 （2）学习如何使用atlas器件仿真器进行电学特性仿真 3. 对半导体工艺仿真及器件仿真中所用到的模型加以了解 4*. 利用工艺器件仿真软件，培养和锻炼工艺流程设计和新器件开发设计等方面的技能,6. 半导体器件仿真的历史发展 1949年： 半导体器件模拟的概念起源于此年肖克莱（Shockley）发表的论文，这篇文章奠定了结型二级管和晶体管的基础。但这是一种局部分析方法

7、，不能分析大注入情况以及集电结的扩展。 1964年： 古默尔（H.K.Gummel）首先用数值方法代替解析方法模拟了一维双极晶体管，从而使半导体器件模拟向计算机化迈进。 1969年： DPKennedy和R.R.OBrien第一个用二维数值方法研究了JFET。 JWSlotboom用二维数值方法研究了晶体管的DC特性。 从此以后，大量文章报导了二维数值分析在不同情况和不同器件中的应用。相应地也有各种成熟的模拟软件，如CADDET和MINIMOS等,Avanti: Tsuprem4/ Medici Tsuprem4/Medici是Avanti公司 的二维工艺、器件仿真集成软 件包。Tsuprem

8、4是对应的工艺 仿真软件，Medici是器件仿真 软件,7. 可选择的工艺及器件仿真工具简介,ISE-TCAD 工艺及器件仿真工具ISE-TCAD 是瑞士 ISE ( Integrated Systems Engineering ) 公司 开发的生产制造用设计（DFM： Design For Manufacturing） 软件，是一种建立在物理基础 上的数值仿真工具，它既可以 进行工艺流程的仿真、器件的 描述，也可以进行器件仿真、 电路性能仿真以及电缺陷仿 真等。基本上是成为行业标准， 功能强大，已被收购，升级版 为Sentaurus TCAD,Sentaurus TCAD Sentaurus

9、 Process 整合了： Avanti 公司的Tsuprem系列工艺级仿真工具（Tsuprem，Tsuprem，Tsuprem 只能进行一维仿真，到了第四代的商业版Tsuprem4能够完成二维模拟）以及Taurus Process 系列工艺级仿真工具； (2)ISE Integrated Systems Engineering公司的ISE TCAD 工艺级仿真工具Dios（二维） FLOOPS-ISE（三维）以及 Ligament（工艺流程编辑） 系列工具，将一维、二维和 三维仿真集成于同一平台。 Sentaurus Device 整合了 (1)Avanti 的Medici和 Taurus

10、Device (2)ISE 的DESSIS 器件 物理特性仿真工具, 充实并 修正了诸多器件物理模型, 推出新的器件物理特性分析 工具Sentaurus Device,Silvaco TCAD 用来模拟半导体器件电学性能，进行半导体工艺流程仿真，还可以与其它EDA工具组合起来使用(比如spice)，进行系统级电学模拟。 SivacoTCAD为图形用户 界面，直接从界面选择 输入程序语句，非常易 于操作。 其例子教程直接调用装 载并运行，是例子库最 丰富的TCAD软件之一。 Silvaco TCAD平台 包括： 工艺仿真(ATHENA) 器件仿真(ATLAS) 快速器件仿真(Mercury,材料

11、定义、 结构定义指令,等价,.str 结构文件,atlas 器件仿真器,.log文件 包含器件在指定 工作条件下的工 作特性,.str文件 指定工作条件下的 结构文件。包含器 件的载流子分布、 电势分布、电场分 布等信息,输入端,仿真系统,输出端,输出端/输入端,athena 工艺仿真器,图形界面操作-简易方便,命令方式输入-复杂费力,Silvaco 软件介绍,外部指令 如偏压等,工艺指令 如扩散等,输出端,仿真系统,输入端,输入端,输入端,指令的输入通过deckbuild 软件窗口传送至仿真器 *.log *.str等输出文件通过tonyplot软件窗口来查看,athena工艺仿真部分,At

12、las器件仿真部分,Athena概述 用途：开发和优化半导体制造工艺流程。 功能：模块大致分3类 （1） 用来模拟 离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主 的模块。 （2） 用来模拟 刻蚀、淀积等以形貌为主的模块 （3）用来模拟固有和外来衬底材料参数及/或制造工艺条件参数的扰动对工艺结果影响的所谓IC工艺统计模拟 可迅速和精确地模拟应用在CMOS、双极、SiGe / SiGeC 、 SiC、SOI 、III-V、光电子和功率器件技术的所有关键加工步骤,athena 工艺仿真器,如图所示为一个半导体工艺仿真的结果示意图,掺杂浓度,几何结构,deckbuild 的使用 （1）deckbuild的

13、调用 在终端下使用如下命令： deckbuild-an RIGHT; ABOVE; BELOW P1.X P2.X, P1.Y P2.Y 提供一个迅捷的刻蚀方式，具有一个梯形的横断面。刻蚀区域将在指定的面进行。（左/右/上/下）P1.X 和 P1.Y P2.X P2.Y 用来定义刻蚀位置的坐标。如果只定义P1.X 或 P1.Y，那么系统默认为垂直刻蚀。对于非垂直刻蚀情况需要定义 P2.X P2.Y 。 （7）Start, Continue和 Done 用来定义一个需要刻蚀工艺的杂乱无章的复杂区域。可以组多条线来定义多个点。用 X，Y来定义在 start/continue和done模式下的点,参

14、数解析： （8）Top.Layer 定义了至有顶部层被刻蚀掉。 （9）NOEXPOSE 定义新的表面不被暴露于刻蚀工艺后面的氧化或淀积工艺当中。 此参数应被用来从底部或侧面移除一部分结构,语句实例： （1）简单的几何刻蚀例子： 下面的例子刻蚀掉了坐标x=0.5左侧所有的氧化物。 ETCH OXIDE LEFT P1.X=0.5,刻蚀前,刻蚀后,下面的例子进行了梯形刻蚀 ETCH OXIDE LEFT P1.X=1.0 P1.Y=-0.15 P2.X=0.5 P2.Y=0.0,刻蚀前,刻蚀后,2）复杂的几何刻蚀例子： 下面的例子刻蚀掉了以(0.8,0)(0.8,-0.15)(1.2,-0.15)

15、(1.2,0)为坐标顶点的矩形氧化物区域. ETCH OXIDE START X=0.8 Y=0.0 ETCH CONTINUE X=0.8 Y=-0.15 ETCH CONTINUE X=1.2 Y=-0.15 ETCH DONE X=1.2 Y=0.0,刻蚀前,刻蚀后,语句#6 Etch、Rate.Etch和 ELITE模块中的物理刻蚀 语句功能： Rate. Etch语句用来设置刻蚀速率参数。这些参数在后面的Etch语句中被使用。 一般参数简介： （1）Machine 是用来为Rate.Etch语句定义刻蚀机“machine”的名称。 在之后的Etch语句中可以调用定义好的machine

16、。 （2）Wet.etch, Rie, Plasma和 MC.Plasma 用来为“刻蚀机”定义某种特定的模型。 （3）材料定义参数 用来定义刻蚀速率参数所设置的材料类型。 可以是Silicon, oxide, nitride, polisilicon, photoresist, aluminum, gaas等材料,Wet.etch和Rie模型专用参数介绍： （1）A.H，A.M, A.S U.H, U.M, U.S, 和N.M 用来定义刻蚀速率分别以埃/小时， 埃/分钟， 埃/秒， 微米/小时， 微米/分钟，微米/秒， 和纳米/分钟为单位。 （2）directional 用来定义RIE模型中

17、用到的刻蚀速率的方向组成分量。离子化刻蚀速率是离子对化学刻蚀机制的离子贡献。离子被假定具有一个非等方性的角度分布。 （3）Isotropic 用来定义RIE和Wet.etch模型中用到的等方向性刻蚀速率。等方向性刻蚀速率是等离子体中出来的热原子，radicals和分子的贡献。 （4）chemical, divergence 当divergence被竟以为非零时，Chemical是RIE模型中垂直于离子束的刻蚀速率,用于Plasma 等离子体刻蚀模型的参数 （1）Pressure 定义等离子体刻蚀原子炉的压强。 （2）TGAS 定义等离子刻蚀原子炉的气体温度。 （3）TION 用来定义等离子刻蚀

18、原子炉的离子温度。 （4）VPDC 用来定义plasma sheath中的直流偏压。 （5）VPAC 用来定义sheath-buld界面处的交流电压,Rate.Etch语句和Etch语句要配合使用，当用Rate.etch语句设置好刻蚀机的条件后，要用Etch语句来调用。可用参数如下： （1）Machine=name 用来调用定义好的刻蚀机。Name为rath.etch语句中定义好了的刻蚀机名称。 （2）Time 模块运行时间。 （3）Hours, Minutes, Seconds 用来定义时间单位,实例详解： （1）RIE物理刻蚀例子： 下面的例子定义了一个以Plasma1为名称的刻蚀机器，执

19、行了活性离子刻蚀。被用来对当前结构进行10分钟的刻蚀。 RATE.ETCH MACHINE=PLASMA1 SILICON U.M RIE ISOTROPIC=0.1 DIRECT=0.9 ETCH MACHINE=PLASMA1 TIME=10 MINUTES,2）Wet Etch 实例： 下面例子定义了具有湿刻蚀特性和刻蚀速率为0.1微米/分钟的轰击硅表面的刻蚀机。 RATE.ETCH MACHINE=TEST SILICON WET.ETCH ISOTROPIC=.1 U.M,3）Monte Carlo Plasma Etch 例子 下面语句定义了蒙特卡洛等离子体刻蚀机的参数以及与之相关

20、的 硅刻蚀特性： RATE.ETCH MACHINE=MCETCH SILICON MC.PLASMA ION.TYPES=1 MC.PARTS1=20000 MC.NORM.T1=14.0 MC.LAT.T1=2.0 MC.ION.CU1=15 MC.ETCH1=1e-05 MC.ALB1=0.2 MC.PLM.ALB=0.5 MC.POLYMPT=5000 MC.RFLCTDIF=0.5,语句#7 Deposit 语句功能： Deposit（淀积）语句用来淀积一层某种特定的材料。 语法结构： deposit 【材料参数】【坐标参数】 语句解析： Name.resist用来定义光刻胶的类型。

21、 Thickness用来定义淀积层的厚度，单位是微米。 Temperature定义stress.hist模型中所使用的淀积温度。在ELITE淀积中也被用以表面扩散仿真,参数解析： 格点控制参数 (1) Divisions 定义了垂直格点间隔。氧化物生长速率参数,语句#8 oxide 语句功能： oxide(氧化)语句用来定义氧化工艺步骤中的各种系数。 语法结构： oxide 【条件参数】【环境类型参数】 语句解析： 所有与氧化相关的参数都在这里有所介绍。 氧化模型是在method语句中定义的。 对于氧化模型参数的设定，需要知道氧化的类型和衬底晶向,六、MOSFET工艺仿真,1） 调用ATHEN

22、A仿真器并生成网格信息 go athena line x loc=0.0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006 line x loc=0.4 spac=0.006 line x loc=0.6 spac=0.01 line y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005 line y loc=0.5 spac=0.05 line y loc=0.8 spac=0.15,2）对网格进行初始化，并设定衬底材料参数 init orientation=100 c.phos=1e14 space.mul=1 two.d 程序运

23、行结果如下,生成了均匀分布 的杂质，浓度为 1e14每立方厘米,3）在1000度和1个大气压条件下下进行30分钟的干氧扩散， 其中氯酸气体含量设定为3% diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3,运行结果为在硅片 表面生成一层氧化 物薄膜,4）刻蚀掉厚度为0.02微米的氧化物薄膜 etch oxide thick=0.02,刻蚀前,刻蚀后,5）对表面进行B离子注入，离子剂量为8e12,能量为100keV （选择pearson解析离子注入模型） implant boron dose=8e12 energy=100 pears,6）对表面进行湿

24、氧处理，温度设定在950度，时间为100分钟 diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3,7）再次进行干氧处理，温度在50分钟内从1000度升高至1200度 diffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3,8） 在温度1200度下的氮气中进行220分钟的扩散后退火 这样会得到相对均匀分布的B离子 diffus time=220 temp=1200 nitro press=1 diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1,9） 将上面

25、步骤生成的氧化物完全蚀刻掉 etch oxide all,10）生成一层“清洁用”氧化层，用以去除上述步骤中损伤的 硅表面。 diffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3,11）再将用于清洁硅表面而生成的氧化物刻蚀掉 etch oxide all,12）在干氧环境下生成用作栅极的氧化层薄膜 diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3,13）如果需要调整阈值电压需要再次进行一次B离子注入 implant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson,在较低能量下，B离子会聚集在

26、硅片表面处从而改变阈值电压,14） 为了生成栅极要在氧化物上方淀积一层厚度为200nm的多晶硅， 用division参数来设置其垂直方向上的网格数量 depo poly thick=0.2 divi=10,15）利用刻蚀语句刻蚀掉左侧不需要的多晶硅 etch poly left p1.x=0.35,16）对表面再次进行湿氧扩散处理，以生成氧化物薄膜 method语句用以分别调用fermi扩散模型和compress氧化模型 method fermi compress diffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0,其结果在多晶硅四周生成了起保护作用的氧化物薄膜,17）对表面进行磷注入 implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 pearson,其结果生成了n-MOSFET结构中需要的源/漏极的n+区域,18）在表面淀积厚度为120nm的氧化物薄膜， 设置垂直方向网格数量为8 depo oxide thick=0.120 divisions=8,19）再在表面用干蚀法刻蚀掉厚度为120nm的氧化物薄膜， 此二步骤的结果生成了用于隔离多晶硅和未来源/漏接触的阻挡 氧化层。 etch oxide dry thick=0.120,20）进行As离子注入，以生成 n+ 多晶硅栅极 implant