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1、Silvaco TCAD 工艺仿真（一）Tang shaohua, SCU*1Silvaco学习E-Mail: ATHENA工艺仿真软件ATHENA 能帮助工艺开发工程师开发和优化半导体制造工艺。ATHENA提供一个易于使用，模块化的，可扩展的平台。可用于模拟离子注入，离子注入，扩扩散，刻散，刻蚀蚀，淀，淀积积，以，以及半及半导导体材体材质质的氧化的氧化。它通过模拟取代了耗费成本的硅片实验，可缩短开发周期和提高成品率。*2Silvaco学习工艺仿真模块ATHENA工艺仿真软件SSuprem4二维硅工艺仿真器MC蒙托卡诺注入仿真器硅化物模块的功能精英淀积和刻蚀仿真器蒙托卡诺沉积刻蚀仿真器先进
2、的闪存材料工艺仿真器光电印刷仿真器DeckBuild集成环境*3Silvaco学习ATHENA工艺仿真软件所有关键制造步骤的快速精确的模拟，包括CMOS，bipolar，SiGe，SOI，III-V，光电子学以及功率器件技术精确预测器件结构中的几何结构，掺杂剂量分配，和应力有助于IDMs，芯片生产厂商以及设计公司优化半导体工艺，达到速度、产量、击穿、泄漏电流和可靠性的最佳结合*4Silvaco学习ATHENA工艺仿真软件分析和优化标准的和最新的隔离流程，包括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离在器件制造的不同阶段分析先进的离子注入方法超浅结注入，高角度注入和为深阱构成的高能量注入支持多层次
3、杂质扩散，以精确预测衬底与邻近材料表面的杂质行为*5Silvaco学习ATHENA工艺仿真软件考虑多重扩散影响，包括瞬态增强的扩散，氧化/硅化加强的扩散，瞬态激活作用，点缺陷和簇群构造以及材料界面的再结合，杂质分离，和传输精确地对几何刻蚀和共形淀积，以及个别结构和网格处理技术建模，用以允许进行多器件几何结构的模拟和分析。*6Silvaco学习ATHENA工艺仿真软件通过MaskViews 的掩模构造说明，工程师可以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件结构上的掩模版图变动的影响。与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀仿真器集成，可以在物理生产流程中进行实际的分析。与ATLAS 器件模拟软件无缝集成*
4、7Silvaco学习可仿真的工艺（Features and Capabilities）BakeCMPDepositionDevelopmentDiffusionEpitaxyEtchExposureImagingImplantationOxidationSilicidation具体描述请参见手册中 Table1.1 Features and Capabilities*8Silvaco学习ATHENA 的输入和输出工艺步骤GDS版图掩膜层一维和二维结构E-test数据(Vt)分析电阻和CV分析涂层和刻蚀外形输出结构到ATLAS材料厚度，结深CD外形，开口槽ATHENA工艺模拟软件*9Silvac
5、o学习工艺仿真流程1、建立仿真网格2、仿真初始化3、工艺步骤4、抽取特性5、结构操作6、Tonyplot显示*10Silvaco学习定义网格网格定义对仿真至关重要定义方式:网格间距会根据loc和Spac自动调整Xy0x1x2s1s2y1y2s3s4*11Silvaco学习line x location=x1 spacing=s1line x location=x2 spacing=s2line y location=y1 spacing=s3line y location=y2 spacing=s4网格定义的例子Line x loc=0.0 spac=0.1Line x loc=1.0 spa
6、c=0.1Line y loc=0.0 spac=0.2Line y loc=2.0 spac=0.2Line x loc=0.0 spac=0.02Line x loc=1.0 spac=0.10Line y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20*12Silvaco学习非均匀网格的例子：均匀网格的例子：网格定义需要注意的地方1，疏密适当在物理量变化很快的地方适当密一些2，不能超过上限（20000）3，仿真中很多问题其实是网格设置的问题，要注意查看报错的信息和网格定义相关的命令和参数还有：命令，Relax；淀积和外延时的dy,ydy等参数*13Si
7、lvaco学习仿真初始化工艺仿真中的初始化（initialize）可定义衬底，也可以初始化仿真定义衬底:material,orientation,c.impurities,resitivity 初始化仿真：导入已有的结构，infile仿真维度，one.d,two.d 网格和结构，space.mult,scale,flip.y *14Silvaco学习初始化的几个例子*Silvaco学习15Init infile=test.strInit gaas c.selenium=1e15 orientation=100Init phosphor resistivity=10 Init algaas c.
8、fraction=0.2工艺仿真从结构test.str中开始：GaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向100：硅衬底，磷掺杂，电阻率为10.cmAlGaAs衬底，Al的组分为0.2Init two.d采用默认参数，二维初始化仿真：默认参数初始化的例子*Silvaco学习16go athenaLine x loc=0.0 spac=0.02Line x loc=1.0 spac=0.10Line y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20init two.dtonyplot quit工艺步骤对具体的工艺进行仿真这些工艺包括：Bake，CMP，De
9、position，Development，Diffusion，Epitaxy，Etch，Exposure，Imaging，Implantation，Oxidation，Silicidation先粗略介绍氧化（Oxidation）工艺，其他工艺留待下节课讲解*17Silvaco学习氧化工艺得到氧化层的办法可以是扩散（diffuse）和淀积（deposit）,这节课稍微介绍哈diffuseDiffuse做氧化主要参数有：扩散步骤的参数，time,temperature,t.final,t.rate扩散氛围的参数，dryo2|weto2|nitrogen|inert, hcl.pc, pressur
10、e,f.o2|f.h2|f.h2o|f.n2|f.hcl,c.impurity模型参数，b.mod|p.mod|as.mod,ic.mod|vi.mod混杂参数，no.diff,reflow*Silvaco学习18Diffuse做氧化的例子*Silvaco学习19Diffuse time=30 temp=1000 f.o2=10Diffuse time=30 temp=1200 dryo2氧化时间30分钟，1200度，干氧。氧化时间30分钟，1000度，氧气流速10sccm。go athenaLine x loc=0.0 spac=0.02Line x loc=1.0 spac=0.10Lin
11、e y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20init two.dDiffuse time=30 temp=1200 dryo2tonyplot quit干氧氧化的完整语法：结果：抽取特性Deckbuild有内建的抽取功能，在ATHENA中某一步工艺之后抽取：材料厚度，结深，表面浓度，浓度分布，方块电阻等特性由QUICKMOS和QUICKBIP可以得到一维时的器件特性，如阈值电压、一维结电容等等。*20Silvaco学习自动得到抽取语句*Silvaco学习21抽取氧化层厚度*Silvaco学习22go athenaLine x loc=0.0 spa
12、c=0.02Line x loc=1.0 spac=0.10Line y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20init two.dDiffuse time=30 temp=1200 dryo2extract name=“Tox” thickness oxide mat.occno=1 x.val=0tonyplot 在菜单栏中自动生成抽取命令时得到的语句：EXTRACT init infile=AIa02224EXTRACT extract name=Tox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0WARNING: s
13、pecified cutline may give inaccurate values resulting from proximity to structure edge, (min=0, max=1)Tox=1378.95 angstroms (0.137895 um) X.val=0EXTRACT quit输出窗口显示的结果：注意警告信息结构操作命令structure可以保存和导入结构，对结构做镜像或翻转参数：infile,outfile,flip.y,mirror left|right|top|bottom在仿真到一定步骤时可适当保存结构*23Silvaco学习go athenaLin
14、e x loc=0.0 spac=0.02Line x loc=1.0 spac=0.10Line y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20init two.dDiffuse time=30 temp=1200 dryo2structure outfile=oxide.strextract name=Tox thickness oxide mat.occno=1tonyplot Tonyplot显示Tonyplot可以显示仿真得到的结构和数据工具多（cutline,ruler,probe,movie）使用灵活（set,方便的Display（2D M
15、esh）可以导出数据*24Silvaco学习怎样组织工艺仿真？1、建立仿真网格2、仿真初始化3、工艺步骤4、抽取特性5、结构操作6、Tonyplot显示思考1：到现在是否加深了理解？思考2：这是唯一的模式吗？工艺仿真流程：*25Silvaco学习工艺优化寻找合适的工艺参数工艺优化工艺优化工具Optimizer启动方式：CommandOptimizer可以对多个参数同时优化优化不限于工艺*26Silvaco学习优化设置*27Silvaco学习优化设置界面，误差范围，寻找次数待优化的参数选择*28Silvaco学习go athenaLine x loc=0.0 spac=0.02Line x lo
16、c=1.0 spac=0.10Line y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20init two.dDiffuse time=30 temp=1200 dryo2extract name=Tox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0tonyplot 框住待优化的工艺（此处是diffuse）参数那一行，在OptimizerMode框中选择Parameter。然后EditAdd,即弹出参数选择面板可改变参数扫描范围优化目标设置*29Silvaco学习go athenaLine x loc=0.0 spac=0.02Li
17、ne x loc=1.0 spac=0.10Line y loc=0.0 spac=0.02Line y loc=2.0 spac=0.20init two.dDiffuse time=30 temp=1200 dryo2extract name=Tox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0tonyplot quit框住待优化的目标（通常是extract）那一行，在OptimizerMode框中选择Targets。然后EditAdd即弹出优化目标（Tox）的面板，将目标设置设置为2000优化进行时*30Silvaco学习当待优化的参数，优化的目标设置好后，在OptimizerMode框中选择Results，然后点右侧的Optimizer即可开始优化。本讲回顾工艺仿真流程建立仿真网格，仿真初始化，工艺步骤，抽取特性，结构操作，Tonyplot显示优化优化设置，待优化参数选择，优化目标工艺步骤氧化（diffuse）*31Silvaco学习下一讲的安排主要介绍具体的工艺步骤（开枝散叶）可能较多地关注刻蚀，光刻工艺仿真的答疑释惑*32Silvaco学习 谢谢！*33Silvaco学习交流时间*34Silvaco学习
