半导体工艺和器件仿真工具++Silvaco+TCAD+实用教程.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.78M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

前言

第一章仿真基础

1.1 TCAD

1.1.1数值计算

1.1.2基于物理的计算

主要基于的器件模型

1.2 Silvaco TCAD

1.2.1 主要组件

1、DeckBuild

2、Tonyplot可视化工具

3、ATHENA

4、ATLAS

5、器件编辑器DevEdit2D/3D

6、掩膜输出编辑器

1.2.2 目录结构

1.2.3 文件类型

1.3 DeckBuild

1.3.1 DeckBuild Preferences

1、DeckBuild的工作路径

2、History Settings

3、Output Window Settings

4、Simulator Preferences

5、Tonyplot Setting

6、Extract Settings

7、Output Settings

1.3.2语法格式

1.3.3 go

1.3.4 set

1.3.5 Tonyplot

1、File下拉菜单

2、Edit下拉菜单

3、Plot下拉菜单

4、Tools下拉菜单

1.3.6 Extract

1.4 学习方法

第二章二维工艺仿真

2.1 ATHENA概述

2.2 仿真流程

2.2.1定义网格

2.2.2 衬底初始化

2.2.3 工艺步骤

2.2.4 提取特性

2.2.5 结构操作

2.2.6 Tonyplot显示

2.3 单项工艺

2.3.1 离子注入

2.3.2 扩散

2.3.3 淀积

2.3.4 刻蚀

2.3.5 外延

2.3.6 抛光

2.3.7 光刻

1、MASK

2、ILLUMINATION

3、PROJECTION

4、FILTER

5、LAYOUT

6、IMAGE

7、EXPOSE

8、BAKE

9、DEVELOP

10、RATE.DEVELOP

11、完整的光刻流程

2.4 集成工艺

2.5 优化

2.5.1 优化设置

2.5.2 待优化参数

2.5.3 优化目标

2.5.4 优化结果

第三章二维器件仿真

3.1 ATLAS概述

3.2 仿真流程

3.3 定义结构

3.3.1 ATLAS命令语句生成结构

1、Initial Mesh

2、Region and Materials

3、Electrodes

4、Doping

3.3.2 DevEdit编辑得到结构

3.4 材料参数及模型

3.4.1 接触特性

3.4.2 材料特性

3.4.3 界面特性

3.4.4 物理模型

3.5 数值计算方法

1、Newton 迭代法

2、Gummel 迭代法

3、Block 迭代法

4、组合迭代法

3.6 获取器件特性

3.6.1 直流特性

3.6.2 交流小信号特性

3.6.3 瞬态特性

3.6.4 高级特性

1、Curcetrace

2、S参数仿真

3、霍尔效应仿真

4、光电特性仿真

5、热学特性仿真

6、其他高级的特性

3.7 仿真结果分析

3.7.1 实时输出

3.7.2 日志文件

3.7.3 DeckBuild提取

3.7.4 Tonyplot显示

第四章高级的特性

4.1 C解释器

4.2自定义材料

4.2.1材料类型

1、半导体

2、绝缘体

3、导体

4.2.2 自定义材料

4.3 工艺参数校准

4.4 三维仿真

4.4.1 ATLAS3D

4.4.2 Tonyplot3D

4.4.3 VictoryCell

半导体工艺和器件仿真工具 Silvaco TCAD 实用教程唐龙谷 SILVACO TCAD 软件包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、开发、测试和生产中。 SILVACO TCAD 软件处于业界领导地位。

前言现代电子工业飞速发展，极大地改善了人们的生产和生活。半导体器件的持续改进、完善以及不断涌现的新器件促使电子工业加速发展。但激烈的竞争也让半导体行业倍感压力。由于技术更新快，设备和原材料的投入相当巨大，现在建立一条生产线动辄要数亿美元。对高技术人才的要求也是前所未有的。对于半导体行业来说时间是成本的一大组成，如何更早地将产品推向市场，是决定存败的关键。如何缩短开发周期，以最低成本将产品推向市场呢？在半导体领域逐步开发出计算机仿真方法，基于 TCAD 软件的计算机辅助设计进入了人们的视野。得益于固体物理，半导体物理这些基础理论的成熟和完善以及经验数据的积累，逐步开发出一些计算机仿真计算的程序。最早的是斯坦福大学开发的 Suprem3，这是一个工艺仿真程序，通过设定工艺参数，计算机将计算出工艺结果。早期的计算机仿真功能少，模型也较粗糙，速度也较慢。随着计算机功能的增强，建立工作站的成本持续降低，使得 TCAD 软件得以快速发展。经过二十多年的发展，Silvaco TCAD 业已成为半导体工艺和器件仿真领域的主要产品之一。虽然 TCAD 产品已经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、开发、测试和生产中，但一直以来书架上充斥着诸如 EWB、PSPICE、OrCAD、 PCAD、Protel、ViewLogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim、 VHDL 等 EDA 软件的书籍，关于半导体工艺和器件仿真的 TCAD 软件的资料则非常少。我想借几年的学习和使用经验，做一些尝试，即以书本的形式提供一些在仿真方面的经验以及一些感悟出的实用技巧，不敢独享。本书详细讲解了 Silvaco TCAD 的二维工艺仿真器 ATHENA，二维器件仿真器 ATLAS。对一些交互式工具如集成环境 DeckBuild，可视化工具 Tonyplot 也进行了详细介绍。三维仿真则简略地提及了一些需要注意的地方。写这本书的初衷是想给半导体工艺和器件仿真的初学者提供一个入门级的资料，如果读者已经对 Silvaco TCAD 很熟悉了，也不妨看一看这些经验之谈。学习和使用 Silvaco 的时候各人的视角会不一样，虽然这本书只是介绍一些常用的仿真，例句也有限，但因为流程控制和语法都有相通的地方，完全可以参照本书和手册的说明灵活地建立仿真以及仿真一些本书未提及的特性。本书可以作为本科高年级和研究生的教材，或提供老师在讲解相关课程时的生动灵活的演示手段。科研工作者也可以此为参考工具，在器件和工艺的设计及验证上提供帮助。本书的初稿在 2009 年 5 月既已完成，前后经过近两年的教学实践和摸索，得益于老师和同学们的大力帮助，使得内容越来越丰富，我要特别感谢他们。我仍诚惶诚恐，唯恐水平有限而造成错误和不足，希望读者不吝赐教，我将感激不尽。唐龙谷1 2010.9 月于南京 1邮箱：shaohuachn@126.com，欢迎批评指教，您的意见将是我进一步完善此书的动力。 I

谨以此书献给我辛勤劳作的父母，正是他们不言的教诲，使我一步步成长到今天。 II

目录第一章仿真基础 ............................................................................................1 1.1 TCAD ..................................................................................................................... 1 1.1.1 数值计算 ........................................................................................................ 1 1.1.2 基于物理的计算 ............................................................................................ 2 1.2 Silvaco TCAD ........................................................................................................ 3 1.2.1 主要组件 ....................................................................................................... 4 1.2.2 目录结构 ....................................................................................................... 7 1.2.3 文件类型 ....................................................................................................... 8 1.3 DeckBuild .............................................................................................................. 8 1.3.1 DeckBuild Preferences ................................................................................. 10 1.3.2 语法格式 ...................................................................................................... 14 1.3.3 go .................................................................................................................. 15 1.3.4 set ................................................................................................................. 15 1.3.5 Tonyplot ........................................................................................................ 16 1.3.6 Extract .......................................................................................................... 28 1.4 学习方法 ............................................................................................................. 35 第二章二维工艺仿真 ..................................................................................36 2.1 ATHENA 概述 ..................................................................................................... 36 2.2 仿真流程 ............................................................................................................. 42 2.2.1 定义网格 ...................................................................................................... 42 2.2.2 衬底初始化 ................................................................................................. 45 2.2.3 工艺步骤 ..................................................................................................... 48 2.2.4 提取特性 ..................................................................................................... 48 2.2.5 结构操作 ..................................................................................................... 48 2.2.6 Tonyplot 显示 ............................................................................................... 49 2.3 单项工艺 ............................................................................................................. 49 2.3.1 离子注入 ..................................................................................................... 49 2.3.2 扩散 ............................................................................................................. 57 2.3.3 淀积 ............................................................................................................. 60 2.3.4 刻蚀 ............................................................................................................. 63 2.3.5 外延 ............................................................................................................. 71 2.3.6 抛光 ............................................................................................................. 73 2.3.7 光刻 ............................................................................................................. 77 2.4 集成工艺 ............................................................................................................. 91 III

目录 2.5 优化 ..................................................................................................................... 95 2.5.1 优化设置 ..................................................................................................... 96 2.5.2 待优化参数 ................................................................................................. 97 2.5.3 优化目标 ..................................................................................................... 98 2.5.4 优化结果 ..................................................................................................... 98 第三章二维器件仿真 ............................................................................... 100 3.1 ATLAS 概述 ....................................................................................................... 100 3.2 仿真流程 ........................................................................................................... 104 3.3 定义结构 ........................................................................................................... 104 3.3.1 ATLAS 命令语句生成结构 ....................................................................... 105 3.3.2 DevEdit 编辑得到结构 .............................................................................. 113 3.4 材料参数及模型 ............................................................................................... 115 3.4.1 接触特性 ................................................................................................... 115 3.4.2 材料特性 ................................................................................................... 117 3.4.3 界面特性 ................................................................................................... 121 3.4.4 物理模型 ................................................................................................... 121 3.5 数值计算方法 ................................................................................................... 123 3.6 获取器件特性 ................................................................................................... 127 3.6.1 直流特性 ................................................................................................... 128 3.6.2 交流小信号特性........................................................................................ 135 3.6.3 瞬态特性 ................................................................................................... 136 3.6.4 高级特性 ................................................................................................... 138 3.7 仿真结果分析 ................................................................................................... 157 3.7.1 实时输出 ................................................................................................... 157 3.7.2 日志文件 ................................................................................................... 161 3.7.3 DeckBuild 提取 .......................................................................................... 162 3.7.4 Tonyplot 显示 ............................................................................................. 162 第四章高级的特性 ................................................................................... 163 4.1 C 解释器 ............................................................................................................ 163 4.2 自定义材料 ........................................................................................................ 165 4.2.1 材料类型 .................................................................................................... 165 4.2.2 自定义材料 ............................................................................................... 166 4.3 工艺参数校准 ................................................................................................... 168 4.4 三维仿真 ........................................................................................................... 170 4.4.1 ATLAS3D ................................................................................................... 170 4.4.2 Tonyplot3D ................................................................................................. 173 4.4.3 VictoryCell .................................................................................................. 176 IV

第一章仿真基础第一章仿真基础 Silvaco 产品覆盖了半导体产业相当广泛的领域，主要的产品有 TCAD、Analog/AMS/RF、 Custom IC CAD、Interconnect Modeling 和 Digital CAD。Silvaco TCAD 可以仿真半导体工艺和器件特性，其主要的集成环境为 DeckBuild，工艺仿真组件、器件仿真组件以及可视化工具等模块均可在 DeckBuild 界面灵活地调用。Silvaco TCAD 有 Linux 版本，也有 Windows 版本。在 Linux 版本下有更多的图形用户界面（GUI），方便用户选择参数，然后自动转化成相应的语句，而 Windows 版本更多的是需要书写语句的。对于这两种方式每个人都会有自己的喜好，但更一般倾向于图形化界面，作者在开始接触 Silvaco TCAD 的时候也是如此。但图形化界面也有不足的地方，容易使人产生依赖，即用惯了图形化界面来选择参数就不会特别在意语法的学习，而实际上图形界面只有一部分参数可供选择。尤其是在初学的时候，如果导入一个例子，发现里面全是语句，使人茫茫然一头雾水。如果使用写语句的方式来组织仿真则更有利于全面且透彻地理解和掌握，所以作者建议读者学习 Silvaco TCAD 的时候从语法学习着手，本书即以 Windows 版本下的 Silvaco TCAD 作为学习的对象，但有时为了说明的方便也会给出相应的图形界面。如果你使用的是 Linux 系统下的 Silvaco TCAD 版本，不用担心，这只会对学习带来更大的帮助，因为语法是相通的。这一章主要介绍 Silvaco TCAD 的基本框架，集成环境 DeckBuild，DeckBuild 的命令 “extract”、“go”、“set”和“Tonyplot”以及 Silvaco 文档的分布和学习方法等。 1.1 TCAD TCAD 是 Technology Computer Aided Design 的缩写，指半导体工艺模拟以及器件模拟工具。世界上商用的 TCAD 工具有 Silvaco 公司的 ATHENA 和 ATLAS，Synopsys 公司的 TSupprem 和 Medici 以及 ISE 公司（已经被 Synopsys 公司收购）的 Dios 和 Dessis。Synopsys 公司最新发布的 TCAD 工具命名为 Sentaurus。在光电器件仿真领域不得不提到的另外一个 TCAD 软件是 Crosslight。 1.1.1 数值计算计算机仿真必须基于数值计算。Silvaco TCAD 中的数值计算是基于一系列的物理模型及其方程的，这些方程以已经成熟的固体物理和半导体物理理论或者是一些经验公式为基础。 Silvaco TCAD 提供了灵活的方式来设置方程的量，它们可以设置为定值，如 µn=1200cm2/Vs；也可以用自定义函数来描述，这需要 C 解释器来编写相应的函数表达式文件；如果有相应物理模型来描述参数的话，则参数是由另一些模型方程计算得到的（如模型 conmob 为迁移率随掺杂浓度变化的模型）。在第 3.5 节数值计算方法部分会提到解耦合方程以及相应的迭代和初始猜测策略。实际的物理系统非常复杂，连续系统的信息量也巨大到无 1

1.1 TCAD 法估量，必须将其离散化，那么自然地半导体仿真应用上就基于网格计算。网格计算：将半导体仿真区域划分成网格，在网格点处计算出希望得到的特性（如：电学性质，光学性质，工艺步骤的速率等等）。网格划分对仿真至关重要，精细的网格能得到较精确的结果，但相应地会增加计算时间，也可能导致不收敛。网格点是计算时的很重要的资源，要合理的利用。 Silvaco TCAD 有多种方式可以灵活地控制网格：1、由网格线以及网格线之间的间隙来描述仿真区域的网格；2、通过网格释放来使后续步骤中不是很紧要的区域的网格点变少，网格释放之后也可以再重新建立合适的精细的网格。3、用三角形参数来控制网格的长宽比。如果将矩形网格的对角线相连，则可以形成两个三角形，控制三角形的角度就可控制网格的长宽比；4、在适当的区域增删网格线。数值计算必须综合考虑精确性、计算速度和收敛性。精确性和网格密度、计算时的步长疏密、算法和物理模型的选择等有关。计算速度由网格密度、计算步长的疏密以及算法等决定。收敛性和计算步长的疏密、初始值以及算法有关。仿真计算时参数设置上需要在精确性、计算速度和收敛性之间取得折衷。网格划分与计算的精确性、计算速度和收敛性直接相关，在仿真计算时需要尤其注意，而初学者往往忽略了这最重要的一点。Silvaco 中的网格点总数2是有限制的，在仿真时要合理利用这一资源。 1.1.2 基于物理的计算仿真的精确性和选择的物理模型相关。基于物理的计算是指在仿真计算时采用的方程是有物理意义的，在不同的应用场合使用不同的物理模型。通常 Silvaco 的仿真思路和采用的模型是基于成熟的成果，这些成果通常是发表在 IEEE 上。Silvaco 采用这些成果并打造成 Silvaco library。器件仿真时主要用到的物理模型和方程如下：  基本半导体方程：泊松方程；载流子连续性方程；传输方程（漂移—扩散传输模型和能量平衡传输模型）；位移电流方程…  载流子统计的基本理论：费米—狄拉克统计理论；波尔兹蔓统计理论；状态有效密度理论；能带理论；禁带变窄理论…  不完全离化（低温仿真或重掺杂）、缺陷或陷阱造成的空间电荷理论…  边界物理：欧姆接触；肖特基接触；浮接触；电流边界；绝缘体接触；上拉元件接触；分布电阻接触；能量平衡边界…  物理模型：迁移率模型；载流子生成—复合模型；碰撞离化模型；带—带隧穿模型；栅电流模型；器件级的可靠性模型；铁电体介电常数模型；外延应力模型；压力影响硅带隙模型；应力硅电场迁移率模型；纤锌矿材料极化模型… 2二维仿真中网格点上限是 20,000 个，三维仿真的网格点上限是 40,000,000 个 2

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