【正文】 微電子工藝設(shè)計(jì)講義 南通大學(xué)電子信息學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)教研室 王強(qiáng) 目錄 1 引言 2 器件結(jié)構(gòu)構(gòu)建 3 工藝過(guò)程 4 二極管制造設(shè)計(jì) 5 雙極性晶體管設(shè)計(jì) 6 MOS 設(shè)計(jì) 第一章 引言 當(dāng)今，仿真（ simulation）這一術(shù)語(yǔ)已不僅廣泛出現(xiàn)在各種科技書(shū)書(shū)刊上，甚至已頻繁出現(xiàn)于各種新聞媒體上。不同的書(shū)刊和字典對(duì)仿真這一術(shù)語(yǔ)的定義性簡(jiǎn)釋大同小 異，以下 3種最有代表性，仿真是一個(gè)系統(tǒng)或過(guò)程的功能用另一系統(tǒng)或過(guò)程的功能的仿真表示； 用能適用于計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示實(shí)際物理過(guò)程或系統(tǒng)；不同實(shí)驗(yàn)對(duì)問(wèn)題的檢驗(yàn)。 仿真（也即模擬）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 and simulation）是研究自然科學(xué)、工程科學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的重要方法，是開(kāi)發(fā)產(chǎn)品、制定決策的重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前，有關(guān)建模和仿真方面的研究論文已占各類(lèi)國(guó)際、國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議總數(shù)的 10%以上，占了很可觀的份額。 集成 電路仿真通過(guò)集成電路仿真器（ simulator）執(zhí)行。集成電路仿真器由計(jì)算機(jī)主機(jī)及輸入、輸出等外圍設(shè)備（硬件）和有關(guān)仿真程序（軟件 ） 組成。按仿真內(nèi)容不同，集成電路仿真一般可分為：系統(tǒng)功能仿真、邏輯仿真、電路仿真、器件仿真及工藝仿真等不同層次（ level）的仿真。其中工藝和器件的仿真，國(guó)際上也常稱(chēng)作 “ 集成電路工藝和器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) ” （ Technology CAD of IC），簡(jiǎn)稱(chēng) “ IC TCAD” 。 SILVACO概述 SILVACO 研發(fā)的 Technology Computer Aided Design (TCAD) Simulation Software 處于業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)地位。公司研發(fā)和銷(xiāo)售的 TCAD 套件被遍布全球的半導(dǎo)體廠(chǎng)家用于半導(dǎo)體器件和集成電路的研究和開(kāi)發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)過(guò)程中。 SILVACO還是 Spice Parameter Extraction Software (UTMOST)和 Analog Circuit Simulation Software (Smart Spice)的主要提供商。獨(dú)特的位置使得 SILVACO 與世界上先進(jìn)的高科技廠(chǎng)商和大學(xué)合作，將最新的設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝市場(chǎng)化。 Silvaco 提供了 TCAD Driven CAD Environment，這一套完整的工具使得物理半導(dǎo)體工藝可以給所有階段的 IC 設(shè)計(jì)方法提供強(qiáng)大的動(dòng)力：制程仿真和器件工藝； SPICE Model 的生成和開(kāi)發(fā)； Interconnect Parasitics 的極其精確的描述；Physicallybased 可靠性建模以及傳統(tǒng)的 CAD。所有這些功能整合在統(tǒng)一的框架，提供了工程師在完整的設(shè)計(jì)中任何階段中所做更改導(dǎo)致的性能、可靠性等效果直接的反饋。 工藝仿真 — ATHENA 工藝仿真概述 IC 工藝仿真由運(yùn)行 IC 工藝仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 IC 工藝仿真器由 IC 工藝仿真軟件及能運(yùn)行該軟件的具有一定容量和速度的計(jì)算機(jī)主機(jī)及輸入輸出設(shè)備等硬件組成。 IC 工藝仿真軟件大致可分為 三 類(lèi)：第一類(lèi)，用來(lái)仿真離子注入、擴(kuò)散、氧化等以仿真參雜分布為主的所謂狹義的 IC 工藝仿真軟件；第二類(lèi)用來(lái)仿真刻蝕、淀積等工藝的 IC形貌仿真軟件以及第三類(lèi)，用來(lái)仿真固有的和外來(lái)的襯底材料參數(shù)及 /或制造工藝條件可用于仿真制造 IC的全工序，也可用來(lái)仿真單類(lèi)工藝或單項(xiàng)工藝。 IC工藝仿真有優(yōu)化設(shè)計(jì) IC 制造工藝及快速分析工藝條件對(duì)工藝結(jié)果影響等功能，也是 仿真 制造 IC 的重要組 成部分。 IC 工藝仿真器及其輸入、輸出的示意圖由圖 給出。 在工藝條件參數(shù)中，以離子注入、擴(kuò)散和氧化工藝為例，一般包括：離子注入的能量、劑量和雜質(zhì)種類(lèi)等；預(yù)淀積或再分布擴(kuò)散的溫度、時(shí)間、雜質(zhì)種類(lèi)及需要給出的濃度、氣氛或攜帶氣體的種類(lèi)和分壓等；氧化的溫度、時(shí)間、攜帶的氧化劑類(lèi)別 (O2， H2O)和分壓等。襯底材料參數(shù)一般包括襯底材料的晶向、摻雜類(lèi)型和濃度等。網(wǎng)格參數(shù)為上列 三 類(lèi)工藝仿真軟件給出；其中方塊電阻、閾值電壓等電學(xué)參數(shù)由得出的雜 質(zhì) 分布、氧化層厚度及已知的襯底材料參數(shù)按有關(guān)解析計(jì)算公式計(jì)算得出。 圖 IC 工藝仿真器及其輸入、輸出的示意圖 研制工藝仿真軟件首先必須建立能仿真制造 IC的各種工藝的模型，這種模型是物理及 /或化學(xué)模型。為了用計(jì)算機(jī)對(duì)這種模型進(jìn)行仿真計(jì)算，必須將這些模型用數(shù)學(xué)公式來(lái)表示。數(shù)學(xué)化的模型一般有解析模型 （ 基于理論推導(dǎo)，有一個(gè)精確的或近似的理論表達(dá)式），經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ɑ诖罅繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但機(jī)理不清楚，用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式）及半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ú煌耆诶碚撏茖?dǎo)，也不完全基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論表達(dá)式中某些參數(shù)的系數(shù)、次方用經(jīng)驗(yàn)值表示）等 3種。此外還有表格化模 型（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，應(yīng)變量和自變量的關(guān)系用列表表示）和內(nèi)插、外推模型（以較少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用內(nèi)插和外推法補(bǔ)充已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，外推已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)外的數(shù)據(jù)）等。為精確求解上列數(shù)學(xué)化模型，一般用解析技術(shù) 或 數(shù)值技術(shù)，得到的解相應(yīng)地稱(chēng)作解析解及數(shù)值解。解析解物理含義清晰，仿真耗時(shí)短，效率高，但只適用于只需用簡(jiǎn)單物理模型描述的工藝情況。對(duì)于擬仿真的工藝，它的因變量隨時(shí)間和空間兩個(gè)自變量變化的或其數(shù)學(xué)表示式是一個(gè)偏微分方程（例如：用連續(xù)性方程及擴(kuò)散方程仿真摻雜原子濃度的分布）則需用數(shù)值技術(shù)而不是解析技術(shù)?；跀?shù) 值技術(shù)的數(shù)值解，計(jì) 算 時(shí)間和空間耦合的變化，可得出更精確的仿真結(jié)果，能適用于更多的工藝情況。誠(chéng)然，數(shù)值解較為復(fù)雜，精度的提高是以增加仿真的復(fù)雜程度為代價(jià)的。 用數(shù)值技術(shù)求解，第一步是空間和時(shí)間及偏微分方程的離散化，進(jìn)行這一步，首先需將擬仿真的定義域分割成小的子區(qū)域，每個(gè)小的子區(qū)域常稱(chēng)作網(wǎng)格，這種分割即所謂網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格應(yīng)足夠密，即每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的間距應(yīng)足夠小，仿真的時(shí)間也分成小的時(shí)間增量間隔 △ t，△ t 也必須足夠短，以便每個(gè) △ t 內(nèi)，各種雜質(zhì)濃度、擴(kuò)散率以及其他物理參 數(shù)在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)分別為常數(shù)，最終能保證在整個(gè)工藝時(shí)間結(jié)束時(shí)在仿真的定義域內(nèi)，解得的所要仿真的因變物理參數(shù)的分 布有足夠的精度。但空間和時(shí)間間隔的選取也不要過(guò) 分 小和短，否則將會(huì)無(wú)為地浪費(fèi)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)的消耗（包括存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間）。為了用數(shù)字計(jì)算機(jī)解偏微分方程（例如雜質(zhì)原子的連續(xù)性性方程），需要轉(zhuǎn)換偏微分方程成為差分（代數(shù)）方程，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程也稱(chēng)之為離散化，差分有向前、向后、及中心差分三種，用中心差分其精確度和數(shù)值穩(wěn)定性較優(yōu)，空間和時(shí)間及偏微分方程離散化處理后，接下來(lái)第二步就是選用迭代法解經(jīng)離散化的非線(xiàn)性代 數(shù)方程，目前最常用的迭代發(fā)是收斂性和計(jì)算效率均較好的NewtonRaphson 法，除建模及數(shù)值解方法的研發(fā)或選用外，程序?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證是工藝仿真軟件研制的最重要環(huán)節(jié)。程序?qū)崿F(xiàn)包括編程和調(diào)試，程序驗(yàn)證包括程序可靠性、精確性和實(shí)用性的驗(yàn)證。編程中程序語(yǔ)言的選擇，早期大多選用 FORTRAN，目前大多選用 C 和 C++。可靠性的驗(yàn)證包括收斂性的測(cè)試及檢查程序中是否有弄虛作假之處。精確性的驗(yàn)證，可以同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比，同其他仿真結(jié)果比或同外推得出的有關(guān)結(jié)果比。實(shí)用性同可靠性和精確性密切相關(guān)，顯然不可靠和精度達(dá)不到要求就談不上實(shí)用 ；實(shí)用性也同程序具備的功能密切相關(guān)；此外，軟件運(yùn)行時(shí)有關(guān)信息的輸入是否方便于用戶(hù) ， 輸出信息是否完整和對(duì)用戶(hù)有用也是驗(yàn)證使用性時(shí)用戶(hù)所關(guān)注的。 ATHENA 工藝仿真系統(tǒng) ATHENA 是一套通用的、具有標(biāo)準(zhǔn)組件以及可拓展性的一維和二維制程仿真器，可用于 Si 或其它材料的工藝開(kāi)發(fā) 。 ATHENA 由四套主要的工具組成： SSuprem4 用于仿真 Si 工藝的注入、擴(kuò)散、氧化和硅外延； Flash 用于仿真先進(jìn)材料工藝的離子注入 ， 有源區(qū)和雜質(zhì)擴(kuò)散； Optolith 用于光刻仿真； Elite 用于形貌仿真。 Athena 還提供 了硅化物建模和離子注入、刻蝕和沉積的 Monte Carlo 建模方法。 圖 ATHENA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ATHENA 工藝仿真系統(tǒng)使得工藝和集成工程師能夠靠法和優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝流程。ATHENA提供一個(gè)易于使用、模塊化的、可擴(kuò)展的平臺(tái) （ 如圖 、 ） ?？捎糜诎雽?dǎo)體材料的仿真離子注入、擴(kuò)散、 刻蝕、淀積、光刻、氧化及硅化。 ATHENA 通過(guò)仿真取代了耗費(fèi)成本的硅片實(shí)驗(yàn)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期并且提高了成品率。 圖 AHTENA 輸入 /輸出 ? 可迅速和精確地仿真應(yīng)用在 CMOS、雙極、 SiGe/SiGeC、 SiC、 SOI、 IIIV、光電子和功率器件技術(shù)的所有關(guān)鍵加工步驟 ； ? 精確地預(yù)測(cè)器件結(jié)構(gòu)中的幾何參數(shù)、摻雜分布和應(yīng)力 ； ? 簡(jiǎn)單易用的軟件集成繪圖性能，自動(dòng)網(wǎng)格生成，工藝步驟的圖形化輸入，以及簡(jiǎn)便導(dǎo)入既有的 TMA工藝 deck 文件 ； ? 博士級(jí)物理學(xué)家組成的 TCAD 中心支持團(tuán)隊(duì)，為先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)模型 ； ? 幫助 IDM、芯片生產(chǎn)廠(chǎng)商以及設(shè)計(jì)公司優(yōu)化半導(dǎo)體工藝，使其達(dá)到速度、產(chǎn)量、擊穿、泄漏電流和可靠性的最佳結(jié)合 ； ? 加速工藝開(kāi)發(fā)的投產(chǎn)和設(shè)備升級(jí) 。 SSuprem4 是一個(gè)先進(jìn)的 2D 工藝仿真器，廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體 工業(yè)中 Si、 SiGe 以及化合物半導(dǎo)體技術(shù)的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。 SSuprem4 運(yùn)用廣泛的先進(jìn)無(wú)力模型，精確仿真擴(kuò)散、注入、氧化、硅化和外延生長(zhǎng)等的主要工藝步驟。 MC Implant 是一個(gè)基于物理的 3D 離子注入仿真器，用于多晶體和非晶體材料的阻止本領(lǐng)和射程的建模。它精確地為所有主要的離子 /目標(biāo)化合物預(yù)測(cè)注入分布圖和其損傷。 Elite 是一個(gè)先進(jìn)的 2D 移動(dòng)框拓?fù)浞抡嫫?，用于仿真物理刻蝕、淀積、回流和化學(xué)機(jī)械拋光（ CMP）工藝。 MC Eech/Depo是一個(gè)先進(jìn)的拓?fù)浞抡嫫?。它包括了幾個(gè)基于蒙特卡羅的模型，用來(lái) 仿真多樣的使用了原子微粒流的刻蝕和淀積工藝。 Optolith 是一個(gè)非平面的 2D 光刻仿真器，用于亞微細(xì)粒光刻的各個(gè)方面的建模，如成像、曝光、光阻烘焙和光阻顯影。 Optolith 完全接口于所有的遵守 GDSII 和 CIF 格式的商用IC 版圖工具。 SSuprem3 是一個(gè)快速的 1D 硅化工藝仿真器，用于預(yù)測(cè)摻雜分布圖和層厚度。 SPDB 是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器，富含試驗(yàn)和仿真的摻雜分布圖和工藝配方。收集超過(guò) 6000個(gè)世界一流的實(shí)驗(yàn)分布圖， SPDB 是當(dāng)今最大的商用半導(dǎo)體工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)自己的分布圖也可添加和保留在 SPDB 中。 工藝模型 1. 擴(kuò)散模型 在 ATHENA中的擴(kuò)散模型描述了由于濃度梯度和內(nèi)部電場(chǎng)在熱處理過(guò)程中摻雜 /缺陷的注入剖面（在接下來(lái)的部分，雜質(zhì)和摻雜物可以相互交換的使用，盡管雜質(zhì)不一定會(huì)成為摻雜物。除非在文中有另外的說(shuō)明，缺陷也就是點(diǎn)缺陷）是怎么進(jìn)行再分配的。在仿真實(shí)際的擴(kuò)散方程時(shí)，需要考慮例如雜質(zhì)聚類(lèi)和激活引起的額外影響，以及如何處理界面。 在 SSUPREM4中一些列舉的模型可以描述摻雜物和點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散。三個(gè)最基本的模型：費(fèi)米模型、二維擴(kuò)散模型、全耦合擴(kuò)散模型。 在某種意義上說(shuō)，費(fèi)米模型是包括在二維模 型里，而二維模型是包括在完全耦合模型里的。它們之間兩個(gè)顯著的差異是點(diǎn)缺陷的表示和處理整個(gè)仿真的方式，以及具體摻雜擴(kuò)散是如何制訂的。選擇使用哪種模型取決于在擴(kuò)散過(guò)程中點(diǎn)缺陷的存在和生成和硅的摻雜濃度。 三種模型 都 依賴(lài)于對(duì)擴(kuò)散的概念，一個(gè)摻雜原子不能靠自己擴(kuò)散 — 它需要在附近點(diǎn)缺陷的存在（硅片本身的間隙或者晶格空位）作為一個(gè)擴(kuò)散載體。如果在兩者之間有非零的束縛能，它們可以移動(dòng)作為一個(gè)主體（一對(duì)）在最終分化之前通過(guò)一系列的跳躍和反轉(zhuǎn)周期。在說(shuō)到在這些模型的范圍里的擴(kuò)散，一個(gè)事實(shí)上意味著作為整體的一對(duì)擴(kuò)散。雖然點(diǎn)缺陷 既不可以自由的擴(kuò)散也不能象摻雜 缺陷對(duì)里的一個(gè)參與者，但是自由的點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散事實(shí)上與點(diǎn)缺陷對(duì)是有區(qū)別的。所有擴(kuò)散模型在 ATHENA 中是使用了化學(xué)反應(yīng)和有源區(qū)濃度值的概念?；瘜W(xué)反應(yīng)的濃度是摻雜的實(shí)際注入值，但是當(dāng)摻雜濃度較高時(shí)，聚類(lèi)或電氣失活可能發(fā)生，使得有源區(qū)濃度可能會(huì)小于響應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)濃度。 ATHENA創(chuàng)造了有多種