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1、微电子工艺设计讲义 南通大学电子信息学院电子科学与技术教研室 王强目录1 引言2 器件结构构建3 工艺过程4 二极管制造设计5 双极性晶体管设计6 MOS设计第一章 引言 当今，仿真（simulation）这一术语已不仅广泛出现在各种科技书书刊上，甚至已频繁出现于各种新闻媒体上。不同的书刊和字典对仿真这一术语的定义性简释大同小异，以下3种最有代表性，仿真是一个系统或过程的功能用另一系统或过程的功能的仿真表示；用能适用于计算机的数学模型表示实际物理过程或系统；不同实验对问题的检验。仿真（也即模拟）的可信度和精度很大程度上基于建模（modeling）的可信度和精度。建模和仿真（modeling a
2、nd simulation）是研究自然科学、工程科学、人文科学和社会科学的重要方法，是开发产品、制定决策的重要手段。据不完全统计，目前，有关建模和仿真方面的研究论文已占各类国际、国内专业学术会议总数的10%以上，占了很可观的份额。集成电路仿真通过集成电路仿真器（simulator）执行。集成电路仿真器由计算机主机及输入、输出等外围设备（硬件）和有关仿真程序（软件）组成。按仿真内容不同，集成电路仿真一般可分为：系统功能仿真、逻辑仿真、电路仿真、器件仿真及工艺仿真等不同层次（level）的仿真。其中工艺和器件的仿真，国际上也常称作“集成电路工艺和器件的计算机辅助设计”（Technology CAD
3、 of IC），简称“IC TCAD”。1.1 SILVACO概述SILVACO研发的Technology Computer Aided Design (TCAD) Simulation Software处于业界领导地位。公司研发和销售的TCAD套件被遍布全球的半导体厂家用于半导体器件和集成电路的研究和开发、测试和生产过程中。SILVACO还是Spice Parameter Extraction Software (UTMOST)和Analog Circuit Simulation Software (Smart Spice)的主要提供商。独特的位置使得SILVACO与世界上先进的高科技厂商和
4、大学合作，将最新的设计技术和工艺市场化。Silvaco提供了TCAD Driven CAD Environment，这一套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的IC设计方法提供强大的动力：制程仿真和器件工艺；SPICE Model的生成和开发；Interconnect Parasitics的极其精确的描述；Physically-based可靠性建模以及传统的CAD。所有这些功能整合在统一的框架，提供了工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改导致的性能、可靠性等效果直接的反馈。1.2 工艺仿真ATHENA1.2.1 工艺仿真概述IC工艺仿真由运行IC工艺仿真器来实现。IC工艺仿真器由IC工艺
5、仿真软件及能运行该软件的具有一定容量和速度的计算机主机及输入输出设备等硬件组成。IC工艺仿真软件大致可分为三类：第一类，用来仿真离子注入、扩散、氧化等以仿真参杂分布为主的所谓狭义的IC工艺仿真软件；第二类用来仿真刻蚀、淀积等工艺的IC形貌仿真软件以及第三类，用来仿真固有的和外来的衬底材料参数及/或制造工艺条件可用于仿真制造IC的全工序，也可用来仿真单类工艺或单项工艺。IC工艺仿真有优化设计IC制造工艺及快速分析工艺条件对工艺结果影响等功能，也是仿真制造IC的重要组成部分。IC工艺仿真器及其输入、输出的示意图由图2.1给出。在工艺条件参数中，以离子注入、扩散和氧化工艺为例，一般包括：离子注入的能
6、量、剂量和杂质种类等；预淀积或再分布扩散的温度、时间、杂质种类及需要给出的浓度、气氛或携带气体的种类和分压等；氧化的温度、时间、携带的氧化剂类别(O2，H2O)和分压等。衬底材料参数一般包括衬底材料的晶向、掺杂类型和浓度等。网格参数为上列三类工艺仿真软件给出；其中方块电阻、阈值电压等电学参数由得出的杂质分布、氧化层厚度及已知的衬底材料参数按有关解析计算公式计算得出。图 1.1 IC工艺仿真器及其输入、输出的示意图研制工艺仿真软件首先必须建立能仿真制造IC的各种工艺的模型，这种模型是物理及/或化学模型。为了用计算机对这种模型进行仿真计算，必须将这些模型用数学公式来表示。数学化的模型一般有解析模型
7、（基于理论推导，有一个精确的或近似的理论表达式），经验模型（基于大量实验数据，但机理不清楚，用一个经验公式）及半经验模型（不完全基于理论推导，也不完全基于实验数据，理论表达式中某些参数的系数、次方用经验值表示）等3种。此外还有表格化模型（实验数据较少，应变量和自变量的关系用列表表示）和内插、外推模型（以较少实验数据为基础，用内插和外推法补充已知实验数据点之间的数据，外推已知实验数据区外的数据）等。为精确求解上列数学化模型，一般用解析技术或数值技术，得到的解相应地称作解析解及数值解。解析解物理含义清晰，仿真耗时短，效率高，但只适用于只需用简单物理模型描述的工艺情况。对于拟仿真的工艺，它的因变量随
8、时间和空间两个自变量变化的或其数学表示式是一个偏微分方程（例如：用连续性方程及扩散方程仿真掺杂原子浓度的分布）则需用数值技术而不是解析技术。基于数值技术的数值解，计算时间和空间耦合的变化，可得出更精确的仿真结果，能适用于更多的工艺情况。诚然，数值解较为复杂，精度的提高是以增加仿真的复杂程度为代价的。用数值技术求解，第一步是空间和时间及偏微分方程的离散化，进行这一步，首先需将拟仿真的定义域分割成小的子区域，每个小的子区域常称作网格，这种分割即所谓网格划分。网格应足够密，即每个网格点的间距应足够小，仿真的时间也分成小的时间增量间隔t，t 也必须足够短，以便每个t内，各种杂质浓度、扩散率以及其他物理
9、参数在每个网格内分别为常数，最终能保证在整个工艺时间结束时在仿真的定义域内，解得的所要仿真的因变物理参数的分布有足够的精度。但空间和时间间隔的选取也不要过分小和短，否则将会无为地浪费用计算机进行仿真时的消耗（包括存储空间和计算时间）。为了用数字计算机解偏微分方程（例如杂质原子的连续性性方程），需要转换偏微分方程成为差分（代数）方程，这个转换过程也称之为离散化，差分有向前、向后、及中心差分三种，用中心差分其精确度和数值稳定性较优，空间和时间及偏微分方程离散化处理后，接下来第二步就是选用迭代法解经离散化的非线性代数方程，目前最常用的迭代发是收敛性和计算效率均较好的Newton-Raphson法，除
10、建模及数值解方法的研发或选用外，程序实现和验证是工艺仿真软件研制的最重要环节。程序实现包括编程和调试，程序验证包括程序可靠性、精确性和实用性的验证。编程中程序语言的选择，早期大多选用FORTRAN，目前大多选用C和C+。可靠性的验证包括收敛性的测试及检查程序中是否有弄虚作假之处。精确性的验证，可以同实验数据比，同其他仿真结果比或同外推得出的有关结果比。实用性同可靠性和精确性密切相关，显然不可靠和精度达不到要求就谈不上实用；实用性也同程序具备的功能密切相关；此外，软件运行时有关信息的输入是否方便于用户，输出信息是否完整和对用户有用也是验证使用性时用户所关注的。1.2.2 ATHENA工艺仿真系统
11、ATHENA是一套通用的、具有标准组件以及可拓展性的一维和二维制程仿真器，可用于Si或其它材料的工艺开发。ATHENA由四套主要的工具组成：SSuprem4用于仿真Si工艺的注入、扩散、氧化和硅外延；Flash用于仿真先进材料工艺的离子注入，有源区和杂质扩散；Optolith用于光刻仿真；Elite用于形貌仿真。Athena还提供了硅化物建模和离子注入、刻蚀和沉积的Monte Carlo建模方法。图 1.2 ATHENA系统结构ATHENA工艺仿真系统使得工艺和集成工程师能够靠法和优化半导体制造工艺流程。ATHENA提供一个易于使用、模块化的、可扩展的平台（如图1.2、1.3）。可用于半导体材
12、料的仿真离子注入、扩散、刻蚀、淀积、光刻、氧化及硅化。ATHENA通过仿真取代了耗费成本的硅片实验，从而缩短了开发周期并且提高了成品率。图 1.3 AHTENA输入/输出l 可迅速和精确地仿真应用在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；l 精确地预测器件结构中的几何参数、掺杂分布和应力；l 简单易用的软件集成绘图性能，自动网格生成，工艺步骤的图形化输入，以及简便导入既有的TMA工艺deck文件；l 博士级物理学家组成的TCAD中心支持团队，为先进的半导体技术不断开发模型；l 帮助IDM、芯片生产厂商以及设计公司优化半导体工艺，
13、使其达到速度、产量、击穿、泄漏电流和可靠性的最佳结合；l 加速工艺开发的投产和设备升级。SSuprem4是一个先进的2D工艺仿真器，广泛地应用于半导体工业中Si、SiGe以及化合物半导体技术的设计、分析和优化。SSuprem4运用广泛的先进无力模型，精确仿真扩散、注入、氧化、硅化和外延生长等的主要工艺步骤。MC Implant是一个基于物理的3D离子注入仿真器，用于多晶体和非晶体材料的阻止本领和射程的建模。它精确地为所有主要的离子/目标化合物预测注入分布图和其损伤。Elite是一个先进的2D移动框拓扑仿真器，用于仿真物理刻蚀、淀积、回流和化学机械抛光（CMP）工艺。MC Eech/Depo是一
14、个先进的拓扑仿真器。它包括了几个基于蒙特卡罗的模型，用来仿真多样的使用了原子微粒流的刻蚀和淀积工艺。Optolith是一个非平面的2D光刻仿真器，用于亚微细粒光刻的各个方面的建模，如成像、曝光、光阻烘焙和光阻显影。Optolith完全接口于所有的遵守GDSII和CIF格式的商用IC版图工具。SSuprem3是一个快速的1D硅化工艺仿真器，用于预测掺杂分布图和层厚度。SPDB是一个数据库管理器，富含试验和仿真的掺杂分布图和工艺配方。收集超过6000个世界一流的实验分布图，SPDB是当今最大的商用半导体工艺数据库。用户自己的分布图也可添加和保留在SPDB中。1.2.3工艺模型1. 扩散模型在ATH
15、ENA中的扩散模型描述了由于浓度梯度和内部电场在热处理过程中掺杂/缺陷的注入剖面（在接下来的部分，杂质和掺杂物可以相互交换的使用，尽管杂质不一定会成为掺杂物。除非在文中有另外的说明，缺陷也就是点缺陷）是怎么进行再分配的。在仿真实际的扩散方程时，需要考虑例如杂质聚类和激活引起的额外影响，以及如何处理界面。在SSUPREM4中一些列举的模型可以描述掺杂物和点缺陷的扩散。三个最基本的模型：费米模型、二维扩散模型、全耦合扩散模型。在某种意义上说，费米模型是包括在二维模型里，而二维模型是包括在完全耦合模型里的。它们之间两个显著的差异是点缺陷的表示和处理整个仿真的方式，以及具体掺杂扩散是如何制订的。选择使用哪种模型取决于在扩散过程中点缺陷的存在和生成和硅的掺杂浓度。三种模型都依赖于对扩散的概念，一个掺杂原子不能靠自己扩散它需要在附近点缺陷的存在（硅片本身的间隙或者晶格空位）作为一个扩散载体。如果在两者之间有非零的束缚能，它们可以移动作为一个主体（一对）在最终分化之前通过一系列的跳跃和反转周期。在说到在这些模型的范围里的扩散，一个事实上意味着作为整体的一对扩散。虽然点缺陷既不可以自由的扩散也不能象掺杂-缺陷对里的一个参与者，但是自由的点缺陷的扩散事实上与点缺陷对是有区别的。所有扩散模型在ATHENA中是使用了化学反应和有源区浓度值的概念
