三维的半导体器件课件

1、2022/7/201/83主要内容TCAD简介TCAD仿真软件简介 PIC工艺仿真 器件仿真器件模型2022/7/202/83TCAD概念集成电路工艺和器件的计算机模拟（Technology CAD， 简称TCAD），是利用组件与制程方面的计算机辅助设 计与仿真软件进行集成电路工艺和器件的“虚拟制造”。显然它的运用可以大大缩减集成电路的研发周期和费 用，从而大大提高集成电路的上市竞争力，已成为半导 体工艺研发过程中不可或缺的工具。2022/7/203/83PIC中的TCAD对于功率集成电路而言，由于涉及的器件种类繁多， 而且器件参数相差很大，这就决定不能采用标准的 CMOS或Bipolar工艺

2、制程进行制造，而研发一条全 新的特殊工艺工程量是浩大的，因而这就更离不开 TCAD软件来协助进行设计。2022/7/204/83TCAD简介 TCAD作为EDA软件的一个分支，主要分为两部分：对制造工艺进行模拟，称为工艺TCAD；对器件特性进行模拟，称为器件TCAD。2022/7/205/83TCAD工艺模拟 功能：制造IC的全工序模拟模拟单类工艺或单项工艺 目的：达到优化设计IC制造工艺快速分析工艺条件对工艺结果影响2022/7/206/83TCAD工艺模拟软件分类 根据功能不同，主要可分为三类：一是用于模拟离子注入、氧化、扩散等以掺杂为主的狭 义的工艺模拟软件；二是用于模拟刻蚀、淀积等工艺

3、的IC形貌模拟软件；三是用于模拟固有的和外来的衬底材料参数或工艺条件 参数的扰动对工艺结果影响的统计模拟软件。2022/7/207/83TCAD工艺模拟流程2022/7/208/83TCAD器件模拟 功能：根据器件结构和尺寸的各种参数，模拟得到半 导体器件特性 目的：电学特性寄生参数 2022/7/209/83TCAD器件模拟软件分类 分类（根据器件机理不同）：PN结型器件模拟器（最常用和最成熟 ）MOS型器件模拟器（最常用和最成熟 ）异质结器件模拟器TFT薄膜器件模拟器 2022/7/2010/83TCAD器件模拟流程2022/7/2011/83 TCAD工艺、器件和电路仿真结合 2022/

4、7/2012/83TCAD发展历程（1）TCAD作为计算机模拟软件最早可追溯至20世纪50年 代；1964年，Herman Cummcl和Bell Lab.发表了第一篇 TCAD方面的论文“Solving the Basic Semi-conductor Equations on the Computer in One Dimention” ；20世纪60年代中期，商品化的CAD设备开始进入发展 和应用阶段；2022/7/2013/83TCAD发展历程（2）20世纪60年代，著名教授Walter Engle所领导的团队已开始进行二维仿真(two dimensional simulation)；

5、1978年，斯坦福大学IC实验室的IC工艺模拟软件SUPREM-2成功开发并投入实用；1979年相继开发了半导体器件分析软件SEDAN-1，标志TCAD开始进入实用阶段；2022/7/2014/83TCAD发展历程（3）在接下去二十多年内，斯坦福大学依次推出了 SUPREM-1、SUPREM-2、SUPREM-3和SUPREM-4 IC工艺模拟软件；在器件模拟方面，相继出现了MEDICI、DESSIS、 ATLAS、FLOOPS等软件。2022/7/2015/83SUPREM系列SUPREM-1是SUPREM系列的第一个版本，但由于数值不稳定和模型精度不够，未能达到实用化阶段；SUPREM-2

6、在SUPREM-1基础上进行了模型、算法等改进，成为第一个能实用的IC工艺模拟软件；SUPREM-3和SUPREM-4的模拟功能得到进一步加强；基于SUPREM-4并经商用化改进和包装，SYNOPSYS公司推出了功能更强的、精度更高、更方便用户的TSUPREM4，SILVACO公司也推出相应的商用化软件SSUPREM4。 2022/7/2016/83器件仿真系列SEDAN-1可以很好与SUPREM-2进行对接和联用，但只能处 理半导体器件的一维分析，应用受到很大限制；随着计算机硬件性能的增强和应用软件开发技术的不断成熟， 相继出现了几种比较优秀和实用的二维模拟软件，如MINIMOS-2、MED

7、ICI等；MINIMOS-2是由奥地利维也纳工业大学开发的平面MOSFET 静态特性二维模拟程序；MEDICI则是近年来运用最广泛的半导体器件二维模拟软件， 最早的版本出现于1992年。2022/7/2017/83目前形成的商用TCAD软件TSUPREM/MEDICI软件AVANTI公司 （已被SYNOPSYS收购）ATHENA/ATLAS软件 SILVACO公司ISE-TCAD软件系列 ISE公司（也已被 SYNOPSYS收购）SENTAURUS软件包 SYNOPSYS公司2022/7/2018/83TSUPREM4/MEDICI软件 TSUPREM4/MEDICI/DAVINCI软件是AV

8、ANTI公司（已被SYNOPSYS收购）开发的用于二维工艺和器件模拟的集成软件包：TSUPREM4用于工艺仿真；MEDICI用于二维器件仿真；DAVINCI支持三维器件仿真。2022/7/2019/83TSUPREM4用来模拟硅集成电路和离散器件制造工艺步骤的程序；模拟二维的扩散、离子注入、氧化、外延生长、刻蚀和 淀积等工艺步骤，从而得到二维半导体器件纵剖面的杂 质掺入和再分布情况；提供结构中各材料层的边界、每层的杂质分布以及氧化 /热循环/薄膜淀积产生的应力等等。 2022/7/2020/83TSUPREM4仿真图形2022/7/2021/83MEDICI 用于MOS、bipolar或其他各

9、种类型晶体管的行为级仿真 的工具，它可以模拟一个器件内部的电势和载流子二维 分布，从而预测任意偏置下的器件电特性；主要通过解Poisson和电子/空穴连续性以及其他半导体方 程，分析各种晶体管载流子效应（如载流子加热、闩锁、 速度过冲等），从而分析这些效应对器件特性的影响；为了更好与电路结合，MEDICI还可以研究器件的瞬态 特性。 2022/7/2022/83 MEDICI 输入三种方式 ：来自本身的解析函数；来自TSUPREM4的输出；包含掺杂分布信息的文本文件。 2022/7/2023/83 MEDICI仿真图形NMOS2022/7/2024/83DAVINCI 是一个MOS、Bipol

10、ar或其他各种类型的晶体 管的 行为级仿真工具，不同之处在于它是三维分析工具；可以模拟一个器件内部的电势和载流子三维分布， 可以预测任意偏置下的器件电特性；还可以分析瞬态工作状态下的器件特性。 2022/7/2025/83ISE-TCAD软件工艺和器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE ( Integrated Systems Engineering ) 公司开发的DFM（Design For Manufacturing）软 件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，其产品包括完整 的工艺及器件模拟工具。它可以仿真传统半导体工艺流程和相应器件，而且对于各种新兴 及特殊器件（如深亚微米器件、绝

11、缘硅SOI、SiGe、功率器件、 高压器件、异质结、光电器件、量子器件及纳米器件等）也可以 进行仿真模拟。2022/7/2026/83ISE-TCAD软件平台平台工具GENESISe工艺仿真工具DIOS 器件结构生成工具MDRAW（2D）和DEVISE（3D）器件模拟工具DESSIS电磁分析工具EMLAB曲线显示和分析工具INSPECT等等2022/7/2027/83GENESISe ISE-TCAD模拟工具的用户图形主界面，为设计、组织和运行TCAD模拟项目提供一个良好的平台；通过GENESISe可以将众多工具良好衔接起来，然后自动执行参数化的模拟项目，从而免除了用户进行命 令行输入等繁琐步

12、骤。 2022/7/2028/83 GENESISe2022/7/2029/83DIOS 半导体工艺仿真工具；能仿真完整的一维和二维的制造工艺过程，如刻蚀、 淀积、离子注入、扩散和氧化，DIOS部分功能还支持 三维仿真；主要包括一维和二维蒙特卡罗Crystal-Trim仿真器和 三维蒙特卡罗MCimpl仿真器界面，机械效应如压力、 流动和热扩张等也可被包含在仿真过程中。2022/7/2030/83 DIOS仿真图形2022/7/2031/83MDRAW 器件结构生成工具；提供灵活的二维器件边界编辑、掺杂、细化定义；它采用DF-ISE数据格式和其他ISE-TCAD工具通信。 二维网格生成器被集成

13、在MDRAW工具中，因而不需 要输入文件和输出文件；MDRAW还提供一个Tcl语法的脚本语言，用户不通过 图形交互界面也可以生成器件结构。 2022/7/2032/83MDRAW2022/7/2033/83DEVISE器件结构生成工具；DEVISE既是二维和三维器件编辑器，也是三 维工艺模拟器，其中二维和三维器件编辑器的 模式包括几何模型生成、扩散、细化定义以及 网格生成；2022/7/2034/83DEVISE2022/7/2035/83DESSIS 多维、电热、混合器件和电路的仿真器，它支 持一维、二维、三维的半导体器件；能模拟从深亚微米硅MOSFET到大功率Bipolar 管的绝大多数类

14、型半导体器件；还支持SiC和III-V化合物以及异质结结构的器 件。2022/7/2036/83DESSIS2022/7/2037/83DESSIS2022/7/2038/83ATHENA/ATLAS软件 ATHENA/ATLAS软件是SILVACO公司提供的一套完备模拟半导体工艺、器件和自动化设计流程软件，可用于CMOS、BiCMOS、SiGe和化合物半导体材料等的工艺和器件仿真。2022/7/2039/83ATHENA 一套具有标准组件以及可拓展性的一维和二维制程模拟器，可用于硅或其它材料的工艺开发。 ATHENA由四套主要的工具组成，包括SSUPREM4、FLASH、OPTOLITH和E

15、LITE工具。2022/7/2040/83ATHENA功能SSUPREM4用于模拟硅工艺的注入、扩散、氧化和硅化物；FLASH用于模拟先进材料工艺的注入、激活和扩散；OPTOLITH用于光刻模拟；ELITE用于topography模拟。2022/7/2041/83ATLAS ATLAS是一套通用的、具有标准组件以及可拓展性的一维和二维器件模拟器。ATLAS适用所有的半导体工艺器件模拟。 它主要包括S-Pisces和BLAZE两个模拟器。 ATLAS 结果输入到UTMOST 可以进行SPICE 参数提取。2022/7/2042/83ATLAS功能S-Pisces用于硅器件模拟；BLAZE模拟先进

16、材料（III-V、II-VI 和混合技术）构成的器件和复杂的构造。2022/7/2043/83PIC工艺模拟工艺模型工艺模拟和举例 2022/7/2044/83工艺模拟主要完成IC工艺涉及到的扩散、离子注入、氧 化等工艺步骤的模拟，因而所采用的模型基本 集中在这些区域；采用的模型主要有杂质扩散模型、离子注入模 型、氧化模型以及其他一些工艺模型。 2022/7/2045/83扩散模型 受扩散系数、杂质电场、点缺陷和载流子密度影响，扩散表达式是非线性性的。在扩散计算时，将扩散时间分割成一系列很短的时间t之和，然后分别对t时间进行求解。 n是结构所有节点数Cij是节点（i,j）浓度，Cij是Cij的

17、估计误差 2022/7/2046/83扩散相关其他模型为了更精确的模拟扩散分布，在扩散过程中还采用一系列模型，如扩散率模型、点缺陷（空位和间隙）模型、点缺陷的注入和再复合模型、空隙聚集模型 等等。 2022/7/2047/83离子注入模型 杂质离子注入的模型有两种：解析离子注入模型蒙特卡罗离子注入模型 2022/7/2048/83解析离子注入模型 利用离子注入数据文件中的分布矩的Gaussian 或Pearson函数模拟杂质和缺陷分布。 2022/7/2049/83解析离子注入其他相关模型在实际过程中，为了精确离子注入分布，解析离 子注入模型还包含有同注入剂量有关的注入分布 模型、双Pears

18、on分布、晶圆片的倾斜和转动对注 入分布影响、多次注入的有效射程模型和剂量匹 配、与纵深相关的横向分布模型、BF2注入模型、 解析注入损伤模型。2022/7/2050/83蒙特卡罗离子注入模型 TSUPREM4处理离子注入的另一个复杂模型，它包含 计算晶体硅的模型以及针对硅和材料的无定性模型。 该模型能模拟注入时晶体硅向无定形硅的转变。该模 型还包括反射离子对注入分布影响、注入时所产生的 损伤（空位和间隙类）和硅衬底的损伤自退火等。 2022/7/2051/83蒙特卡罗离子注入模型 蒙特卡罗离子注入模型对于检测一系列的依赖关系， 而这却是经验模型所缺乏的。它能检测倾斜和转动角度、剂量影响、注入

19、温度以及 低能量注入等因素对最终离子注入分布的影响。它可以模拟反射离子对注入分布影响的模型。2022/7/2052/83氧化模型氧化一般发生在暴露的硅或多晶硅区域表面。在 TSUPREM4中，氧化一共采用5种氧化模型，这 些模型都是基于一维Deal和Grove理论发展而来的， 存在的区别主要它们将一维Deal和Grove理论发展 到二维空间。 2022/7/2053/83氧化模型解析氧化模型数字氧化模型 2022/7/2054/83解析氧化模型解析氧化模型有ERFC和ERFG两种，两者的区别在于生长速度 依赖离光刻版边的x坐标距离。ERFC模型适用于精确的一维模拟，支持平面或近似平面结构 的局

20、部氧化。它是最快的氧化模型，但不适用于多晶硅的氧化；ERFG模型适用于氮化物光刻的复杂解析氧化模型，它包含有 ERF1和ERF2两个模型。ERFG模型能提供一个平面结构的快速 解析氧化模拟。ERFG模型具有ERFC模型的所有限制和缺点。 在使用之前，它需要在初始结构上添加很多约束条件和参数，因 而也很少运用于实际中。2022/7/2055/83数值氧化模型 通过解方程从而得到氧化层/硅界面任意点的生长速度，可以精确模拟任意结构的氧化过程。数值氧化模型的不同主要在于计算氧化剂流动方程的方法不同。目前有：VERTICALCOMPRESSVISCOUSVISCOELA数值氧化模型2022/7/205

21、6/83VERTICAL最简单且运行速度最快的数值氧化模型；适用于具有任意初始氧化层厚的均匀氧化以及初始结 构接近平面的局部氧化；不适用于全隐蔽、沟槽和其他非平面结构，也不能适 用于多晶硅氧化。 2022/7/2057/83COMPRESS能仿真氧化时的粘滞流动，用线性有限元（3节点）计 算二维氧化的粘滞流动，适用于平面结构、小量氧化 化层生长且确切氧化层形状细节不很关心的情况下；不能用于计算应力的精确值以及应力对氧化的影响；它比VERTICAL模型要慢，而且需要大容量存储器。 2022/7/2058/83VISCOUS能模拟氧化时的粘滞流动，采用7节点有限元计算，其 中应力值也可计算；相比V

22、ISCOELA模型，VISCOUS模型比较陈旧；当粘滞度远远小于Young模数时，VISCOUS模型比 VISCOELA模型精确，而且一旦计算应力运行速度将 会大大减慢。 2022/7/2059/83VISCOELA模拟氧化时的粘滞弹性流动，采用3节点有限元计算。 它适用于仿真氧化层形状细节很重要且应力值必须的 情况下；它的速度比COMPRESS模型慢，在不考虑应力情况 下，VISCOELA模型也并没有更多的精度；它比VISCOUS模型要快，特别在考虑应力情况下，适 合于在很短仿真时间内得到近似的氧化形状。2022/7/2060/83工艺仿真和所有的软件一样，使用工艺仿真软件之前，我们 首先来

23、了解一下它的功能以及所采用的各种工艺模 型，掌握硅工艺模拟所需要的衬底材料参数、工艺 条件参数以及工艺步骤。根据使用手册写好一个满足需求的源文件。只有这 样，采用顺利地得到所需要的模拟结果。2022/7/2061/83工艺仿真文件 一般包括5部分：标题及说明创建一个仿真用的好的网格进行等型淀积和几何刻蚀进行氧化，离子注入和退火存储和载入结构信息2022/7/2062/83工艺仿真举例2022/7/2063/83工艺仿真举例2022/7/2064/83器件仿真器件模拟理论器件模拟和举例 2022/7/2065/83计算方法Poisson方程电子和空穴的连续性方程电子和空穴的输运方程电子和空穴的能

24、量平衡方程 2022/7/2066/83Poisson方程为本征费米势为电容率 ND+和NA分别是离化的施主和受主浓度S是表面电荷密度 半导体器件的电行为被Poisson方程所控制: 2022/7/2067/83电子和空穴的连续性方程Un和Up分别为电子和空穴的净复合率Jn和Jp分别是电子和空穴的电流密度 2022/7/2068/83电子和空穴的输运方程n和p分别为电子和空穴的迁移率 Dn和Dp为电子和空穴的扩散率2022/7/2069/83物理模型 为了精确模拟器件特性，在进行方程求解过程中，采用了很多较为精确的物理模型，包括:载流子复合模型载流子寿命模型禁带模型迁移率模型以及其他一些模型2

25、022/7/2070/83复合和寿命模型SRH (陷阱引起的复合)Auger和直接复合模型表面复合模型寿命同杂质浓度/点阵温度的相关性模型复合和寿命同电场的相关性模型等 2022/7/2071/83载流子复合率 电子和空穴连续性方程中的载流子净复合率： U=Un=Up=USRH+UAuger+Udir2022/7/2072/83迁移率模型在迁移率模型方面，载流子迁移率n和p在输运过程中会受 到各种物理机理影响，同样需要多种迁移率模型供用户选择。这些模型的名称、定义以及具体内容在Manual里面有很详细 的描述，它涵盖了迁移率随温度、掺杂浓度、载流子散射、横 向电场、平行电场、强电场、速度饱和和

26、应力等因素所带来的 变化，适用于绝大多数半导体材料和器件。为了更好的分辨这 些迁移率模型，按照对电场的依赖关系，可分为低电场、横向 电场和平行电场这三类。2022/7/2073/83迁移率模型及其应用范围模型低电场横向电场平行电场注释CCSMOB载流子载流子散射模型CONMOB载流子迁移率随杂质浓度变化的列表模型ANALYTIC载流子迁移率随杂质浓度和温度变化的表达式模型PHUMOB载流子载流子散射，不同施主和受主散射，适用于双极性器件的少子迁移率2022/7/2074/83迁移率模型及其应用范围模型低电场横向电场平行电场注释LSMMOSLombarbi迁移率模型，结合半导体绝缘体界面和体硅迁

27、移率表达式模型GMCMOBGeneralized Mobility Curve迁移率模型SRFMOB基于有效电场的表面迁移率模型，计算半导体绝缘体表面处的载流子迁移率SRFMOB2增强的表面迁移率模型，增加声子散射、表面粗糙度散射和带电杂质散射UNIMOB用于MOSFET反型层的Universal Mobility模型2022/7/2075/83迁移率模型及其应用范围模型低电场横向电场平行电场注释PRPMOB垂直电场迁移率模型，考虑垂直电场对迁移率的影响TFLDMOB横向电场迁移率模型，基于University of Texas迁移率模型FLDMOB考虑平行电场分量的迁移率模型，计入载流子加热

28、和速度饱和效应HPMOB同时考虑平行和垂直电场影响的载流子模型2022/7/2076/83模型选择注意点每类模型中只能选一种 跨类模型不能和其他模型交叠2022/7/2077/83PIC器件模拟时采用模型 在功率集成电路中，由于涉及到高压、大电流以及热等诸多问题，在器件仿真时需要慎重选择合适的物理模型，如：仿真器件的IV特性时可采用CONSRH模型仿真器件的击穿电压特性则需要增加如AUGER、 IMPACT.I等模型2022/7/2078/83器件仿真举例2022/7/2079/83器件仿真举例2022/7/2080/83器件仿真举例器件结构2022/7/2081/83器件仿真举例击穿特性曲线

29、2022/7/2082/83器件仿真举例等势线分布2022/7/2083/83工艺仿真举例一Silvaco ATHENA器件仿真例子2022/7/2084/83器件模型 作为IC设计与IC产品功能和性能联系起来的纽带，器件模型的精度要求也越来越高。 如何建立一个高精度的器件模型已经成为当今CAD软件的首要任务，这也是现今国际上研究的重点和热点。对于功率集成电路而言，高精度的功率器件模型也是PIC设计成功与否的关键。 2022/7/2085/83功率器件模型简介 器件模型是连接IC工艺生产和IC设计之间的桥梁，是电路设计能否成功的最基础环节。 随着时代发展和计算机更新，出现了一系列不同的器件模型

30、，其中比较有代表性的有MOS器件的MOS1MOS3模型、BSIM1BSIM4模型和PSP模型等，BJT器件的Gummel-Poon、VBIC和MEXTRAM 503模型等。这些模型基本集中在低压器件领域，针对功率和高压器件的模型寥寥无几。2022/7/2086/83功率器件模型 目前功率器件模型的建立主要通过两种方式：一种通过反应器件物理特性方程的物理方法或根据器件的输入输出特性的黑箱方法来建立另一种方法是以仿真软件中现有的器件模型为基础来构造新器件模型2022/7/2087/83功率器件模型 对于功率器件而言，现在国内外普遍采用的功率器件建模方法是宏模型（Macro Model）的方法。 用

31、SPICE中已定义的基本物理模型来组合描述复杂器件或新型电子器件的等效电路，并将等效电路作为新型电子器件的SPICE仿真模型。2022/7/2088/83IC-CAP IC-CAP（集成电路特性和分析程序）是一种器件建模软件，主要为半导体建模提供强大的表征和分析能力。 IC-CAP软件为器件设计师提供满足各种建模需要的现代建模工具，包括仪器控制、数据采集、参数提取、图形分析、仿真、优化和统计分析。所有这些能力都组合在一个灵活、自动和直观的软件环境中，以用于有源器件和电路模型参数的有效和精确提取。2022/7/2089/83IC-CAP平台2022/7/2090/83IC-CAP 用户界面202

32、2/7/2091/83模型参数提取流程 （1）选择合适（MOSFET、BJT 等）的模型 根据元器件结构和特性不同，选取标准模型、改进模型或是自己开发模型等。（2）DC、CV 和RF测量（或者DC、CV 和RF仿真） 器件的电学特性可以从两种途径得到，一种是直接对元器件进行测量，另一种就是利用半导体器件仿真进行电学特性仿真。2022/7/2092/83元器件参数测量 对于一个元器件而言，大信号特性、小信号特性以及高频/射频特性都是完全不一样的，所以在建立元器件模型过程中，测试参数也基本必须包括DC、IV（直流电流电压）以及RF高频S参数。利用IC-CAP平台就可以测出元器件的各种不同状态的曲线和数据。 为了建立足够准确的元器件模型，实际过程中应当测量足够多的量以满足提取参数的需要。2022/7/2093/83 IC-CAP 界面下设定测量条件