第5章 工艺仿真工具（DIOS）的优化使用

第5章

工艺仿真工具（DIOS）

的优化使用

本章内容网格定义工艺流程模拟（虚拟制造）结构操作及保存输出2/382023/4/30浙大微电子本章内容网格定义工艺流程模拟（虚拟制造）结构操作及保存输出3/382023/4/30浙大微电子整体准则在离子注入区域、PN结区域、表面区域等电流相对集中的区域或材料边界区域定义细致的网格以提高精度，在器件底部（有背部工艺例外）等较为无关紧要的区域定义粗糙的网格，以减少网格结点数，节省仿真时间。网格定义初始网格的建立仿真过程中网格的优化4/382023/4/30浙大微电子初始网格如果建立不好，可能会在后续仿真中逐渐变差，最后得到的结构和实际相去甚远。针对N+改进型横向SCR的一个初始网格设置，语句描述为：

Grid（X（0,15.2），Y（-4.0,-1.3,0），NX=15，NY=（4,20））

当器件结构在同一Y坐标下，X方向上任意一点所包含的信息完全相同时，DIOS默认用一维仿真，如图所示。5/382023/4/30初始网格建立不好浙大微电子6/382023/4/30初始网格建立不好浙大微电子

在STI工艺步骤之后，同一Y坐标下，X方向上任意一点所包含的信息已经不完全相同，DIOS转向二维仿真。产生很多杂乱的三角形网格，如图所示。7/382023/4/30浙大微电子8/382023/4/30最后得到的仿真结果如图所示，与实际相去甚远，N+注入区、P+注入区、N阱PN结边界都产生了很多尖角，而且N+注入区和P+注入区的结深都已经超过STI的深度，显然不对，而且这种边界如果导入器件模拟软件中进行仿真，很容易产生不收敛问题。浙大微电子

要解决上述问题，只要在网格定义之前添加一句关闭一维仿真，对齐网格的语句：

Replace(Control(1D=off,ProtectAxisAligned=1))

如此定义之后，STI工艺完成后的网格如图所示，不再有前面图中杂乱的三角形网格。9/382023/4/30浙大微电子10/382023/4/30浙大微电子

采用如下比较粗糙的初始网格设置仿真器件结构N+_MLSCR：Grid(X(0,15.2),Y(-4.0,0),nx=2)

仿真结果如图所示，N阱的结深约为1.6μm。11/38网格定义得过疏所导致的错误2023/4/30浙大微电子

相同工艺条件下，采用如下比较细致的初始网格设置：

Replace(control(1D=off,ProtectAxisAligned=1))Grid((X(0,7.3,7.9,15.2),Y(-4.0,-1.3,-0.3,0,1.5),NX(10,6,10),NY(4,10,10,3)))仿真结果如图所示，N阱的结深为1.1μm。12/382023/4/30浙大微电子

这种现象比较隐蔽，通常会被忽视，所以在网格定义初始就要有这种意识，从而避免这一种错误。为保险起见，最好在拿到一个新工艺之后，首先用一个足够密的网格跑完整个程序，确定各个关键参数值。之后的器件结构仿真如果出现差别较大的结深，则需要加密网格。13/382023/4/30浙大微电子本章内容网格定义工艺流程模拟（虚拟制造）结构操作及保存输出14/382023/4/30浙大微电子工艺流程模拟主要包括淀积刻蚀离子注入氧化扩散这一部分是整个工艺仿真的核心。15/382023/4/30工艺流程模拟浙大微电子淀积

在DIOS中，主要有三种淀积模型：

各向同性淀积各向异性淀积填充式淀积各向同性淀积是使用最多的一种，其在任何一个X坐标下淀积的厚度都是一样的，如图所示；16/382023/4/30浙大微电子17/382023/4/30浙大微电子18/38各向异性淀积2023/4/30浙大微电子19/38填充式淀积2023/4/30浙大微电子刻蚀

DIOS中的刻蚀模式主要有以下几种：等厚度刻蚀法接触终止法刻蚀法刻蚀速率控制法多边形刻蚀法20/382023/4/30浙大微电子离子注入影响器件结构最终的掺杂分布的因素有：离子注入，之后的退火工艺步骤。离子注入主要影响杂质的初始分布，退火步骤会引起杂质的再分布。而影响离子注入的主要因素有：注入离子的成分（Element）、注入的剂量（Dose）、注入的能量（Energy）、离子注入时硅圆片的倾角（Tilt）、离子注入时硅圆片绕中心轴的旋转角度（Rotation）。21/382023/4/30浙大微电子

下图为离子注入时的示意图，图中XY平面为硅圆片所在平面，Z方向为硅圆片中心轴方向。离子沿与水平面垂直的方向注入，当硅圆片与水平面成一定的倾角Tilt的时候，单次注入的离子在硅圆片上会分布不均，此时通常要分多次注入，每次注入将硅圆片绕中心轴旋转相等的角度Rotation，从而保证离子在硅圆片各个方向上分布均匀。22/382023/4/30浙大微电子23/382023/4/30浙大微电子

DIOS仿真器中这种类型的注入必须采用多次注入模式，通过定义NumSplits参量的数值来设置旋转次数，每次旋转角度等于360°/NumSplits，每次注入的剂量为总剂量的1/NumSplits，每次注入的能量、硅圆片倾角、注入的离子，成分保持不变。24/382023/4/30浙大微电子25/38大倾角情况下不用多次注入模式的仿真结果2023/4/30浙大微电子

DIOS用于描述离子注入之后，退火之前的掺杂分布，共有8种初始分布函数：Pearson、P4、P4K、P4S、Gauss、GK、JHG、JHGK。

下表为8种不同分布函数调用参量的情况以及对各参量的要求，表中x表示实数，x0表示非负数，>0表示正数，∅表示该函数不调用该参量。26/382023/4/30浙大微电子27/382023/4/30下图展示了相同注入条件下8种初始分布函数形成的剖面掺杂情况。浙大微电子DIOS中有三种氧化模型：Massoud模型Massoud2D模型GealGrove模型

DIOS中默认使用Massoud2D模型，但是该模型在开始氧化步骤之前淀积1.5nm的初始氧化层（为方程提供边界条件），该厚度在较小线宽的工艺下28/382023/4/30氧化浙大微电子可能已经超过了栅氧本身的厚度，这时要使用GealGrove模型。GealGrove模型在开始氧化步骤之前淀积的初始氧化层厚度根据之后的氧化温度来确定，温度越高，淀积的初始氧化层越薄，以确保初始氧化层厚度对总厚度的影响较小。然而，如果本身氧化层厚度要比1.5nm大很多，生长栅氧的时候还是推荐使用Massoud2D模型。29/382023/4/30浙大微电子在每一步高温热处理工艺步骤中，由于杂质原子和点缺陷的扩散，会引起杂质再分布。DIOS中描述扩散的工艺步骤用Diffuse语句，描述扩散的模型共有5种：ConventionalEquilibriumLooselycoupledSemicoupledPairdiffusion30/38

2023/4/30扩散浙大微电子

下图展示了相同工艺条件下，用5种扩散模型形成的掺杂剖面，从图中可以看出Equilibrium模型和Conventional模型形成的剖面非常接近，而Looselycoupled模型、Semicoupled模型、Pairdiffusion模型形成的剖面非常接近，而且形成的剖面掺杂比前两个模型更均匀。31/382023/4/30浙大微电子32/38五种扩散模型的仿真结果对比图2023/4/30浙大微电子本章内容网格定义工艺流程模拟（虚拟制造）结构操作及保存输出33/382023/4/30浙大微电子结构操作主要包括当前结构的左右对称操作以及上下翻转操作，前者主要是在仿真左右严格对称的结构时只仿真其中的一半，之后再进行左右对称操作，形成完整的结构，如后面两张图片所示。后者主要是在一些特定工艺下需要背部的工艺操作，这时候需要将整个结