第2章 工艺仿真工具TSUPREM-4及器件仿真工具MEDICI

第2章工艺仿真工具TSUPREM-4及器件仿真工具MEDICITSUPREM4简介•仿真杂质在垂直于硅晶圆表面的二维器件横截面中的注入和再分布。•输出信息包括：结构中不同材料层的边界、每层中杂质的分布、由氧化、热循环、薄膜淀积产生的应力等等。•可处理的工艺步骤有：离子注入、惰性环境杂质再分布、硅和多晶硅氧化物和硅化物生成、外延生长、不同材料的低温淀积和刻蚀等。•提供的材料有单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、钛、硅化钛、钨、硅化钨、光刻胶、铝，以及用户自定义的材料（主要定义材料的功函数；）•可用的杂质类型包括硼、磷、砷、锑等。2020/1/172/145浙大微电子TSUPREM4简介2020/1/173/145浙大微电子2020/1/174/145本章内容•工艺仿真工具TSUPREM-4的模型介绍•TSUPREM-4基本命令介绍•双极晶体管结构的一维仿真示例•器件仿真工具MEDICI简介•MEDICI实例1——NLDMOS器件仿真•MEDICI实例2——NPN三极管仿真浙大微电子2020/1/175/145本章内容•工艺仿真工具TSUPREM-4的模型介绍•TSUPREM-4基本命令介绍•双极晶体管结构的一维仿真示例•器件仿真工具MEDICI简介•MEDICI实例1——NLDMOS器件仿真•MEDICI实例2——NPN三极管仿真浙大微电子2020/1/176/145TSUPREM-4提供的模型•扩散模型•离子注入模型•氧化模型•刻蚀模型•其他工艺模型浙大微电子2020/1/177/145扩散模型扩散语句可以对温度、环境气体、扩散时间和气压等参数分别定义，它更深入和全面地考虑了点缺陷（空位和间隙）、氧化剂、气压以及杂质之间的互相作用力对扩散的影响。扩散表达式如下：2m111||1REL.ERRABS.ERRnijjijjijCnC≤浙大微电子2020/1/178/145上式中：−n为结构中的节点数；−m为每节点中的扩散物（杂质或点缺陷）数；−Cij为节点（i,j）的浓度；−ΔCij为Cij的估计误差；−REL.ERR和ABS.ERR为每一个扩散物的相对误差和绝对误差。2m111||1REL.ERRABS.ERRnijjijjijCnC≤浙大微电子2020/1/179/145离子注入模型•解析离子注入模型−表达式：•蒙特卡罗离子注入模型−包含计算晶体硅的模型以及针对硅和材料的无定形模型；−模拟注入时晶体硅向无定形硅的转变；−包括反射离子对注入分布的影响、注入时所产生的损伤（空位和间隙类）和硅衬底的损伤自退火等。221(,)()exp22xxvIuvIu浙大微电子氧化模型选择ERFC|ERF1|ERF2|ERFG•ERFC最简单、仿真速度最快，适用于掺杂对氧化速率的影响可忽略的情况，在结构表面平整或近似平整的条件下也可用于局部氧化。•ERF1、ERF2是ERFG的子集。•ERFG模型适用于在氮化物覆盖下的硅表面生长氧化层。氮化物层厚度与衬底表面氧化层厚度相比较，如果氮化物层厚度较小，则选择ERF1模型；相反，则选择ERF2模型。2020/1/1710/80浙大微电子VERTICAL|COMPRESS|VISCOELA|VISCOUS•VERTICAL模型适用于局部氧化及结构表面平整的氧化，不能用在沟道、多晶硅氧化。•COMPRESS把粘性流动及结构表面晶向变化的因素考虑在内，但不考虑应力的影响。•VISCOELA用了与COMPRESS相同的弹性系数，与VISCOUS模型相同的粘性系数与应力相关参数，能计算应力的粗略值。•VISCOUS能够精确地计算应力，但仿真速度很慢。−结构平整−氧化步骤少−对氧化层形状没有精确的要求。2020/1/1711/145浙大微电子刻蚀模型•四种刻蚀模型：TRAPEZOI，ISOTROPI，OLD.DRY，ALL•TRAPEZOI是默认的模型（刻蚀掉梯形区域）。•OLD.DRY模型已被TRAPEZOI所取代。•ISOTROPI是各向同性刻蚀，刻掉THICKNESS范围内任意方向的材料（如：侧墙上的氧化层也可以刻掉）。•ALL模型会刻蚀掉所有水平方向上所定义的材料（不能刻掉垂直方向上的侧墙）。2020/1/1712/145浙大微电子2020/1/1713/145本章内容•工艺仿真工具TSUPREM-4的模型介绍•TSUPREM-4基本命令介绍•双极晶体管结构的一维仿真示例•器件仿真工具MEDICI简介•MEDICI实例1——NLDMOS器件仿真•MEDICI实例2——NPN三极管仿真浙大微电子2020/1/1714/145TSUPREM-4基本命令介绍•符号及变量说明•命令类型•常用命令的基本格式与用法浙大微电子2020/1/1715/145TSUPREM-4基本命令介绍•符号及变量说明•命令类型•常用命令的基本格式与用法浙大微电子2020/1/1716/145（1）{}、（）、[]用于变量分组：{}中的变量是一组，{}中的变量可以用（）进一步分组，（）中的变量还可以通过[]再进行分组。（2）用“|”符号隔开的参量表示一定要在这些参量中选择一个。（3）用“/”符号隔开的参量表示这些参量是同一个语句中的关键字。（4）变量类型有3种：数字变量、字符变量和逻辑变量。n表示数字变量的取值，c表示字符变量的取值，后面不跟的是逻辑变量。（5）在不与其他参量混淆的前提下，参量可以缩写，如X.VALUE可以缩写为X.VAL甚至X.V。（6）默认长度单位为m，时间单位为min。浙大微电子2020/1/1717/145TSUPREM-4基本命令介绍•符号及变量说明•命令类型•常用命令的基本格式与用法浙大微电子命令类型（1）文件与控制命令（2）定义器件结构的命令（3）工艺步骤命令（TSUPREM-4的核心）（4）输出命令（5）模型与系数控制命令2020/1/1718/145浙大微电子2020/1/1719/145TSUPREM-4基本命令介绍•符号及变量说明•命令类型•常用命令的基本格式与用法浙大微电子COMMENT•用于注释。若注释有多行，行末要加“+”符号。•为方便起见，用“$”符号代替。例1：COMMENTthisisashortcomment或$thisisashortcomment2020/1/1720/145浙大微电子SOURCEplot.2dscaley.max=5y.min=-5colorsiliconcolor=6colorpolysilicolor=7coloroxidecolor=8coloraluminumcolor=9•用于调用语句模块。•DOPLOT•SOURCEDOPLOT2020/1/1721/145浙大微电子2020/1/1722/145FOREACH/END用途：用于循环赋值，以FOREACH开头，以END结尾。格式：FOREACHname(list)…END说明：−name是变量名，−(list)可采用列表形式，也可以用（startTOendSTEPincrement）的格式定义初始值、终值和步长。浙大微电子ECHO•用于打印字符串或输出一个数学表达式的结果。•字符串中混有数学表达式时，表达式也当作字符串输出。例4：DEFINEW2.0ECHOThewidthisW-0.5ECHOW-0.5输出结果为两行：Thewidthis2.0-0.51.52020/1/1723/145浙大微电子DEFINE•定义一些字符串用来代替输入命令。•定义的字符串不能与系统默认的字符串相混淆。（如：TIME）•DEFINE语句有传递性，要阻断传递性，前面要加“%”符号。例5：DEFINEABDEFINECA语句中，C和A都指代B例6：DEFINEAB%DEFINECA语句中C仅仅指代A这个字符，而非A的值（即B）2020/1/1724/145浙大微电子UNDEFINE•解除之前DEFINE语句定义过的字符串的指代作用。•前面必须加“%”符号，以阻断传递性。例7：DEFINEAB%UNDEFINEA2020/1/1725/145浙大微电子[DX.MAX=n][DX.MIN=n][DX.RATIO=n][LY.SURF=n][DY.SURF=n][LY.ACTIV=n][DY.ACTIV=n][LY.BOT=n][DY.BOT=n][DY.RATIO=n]MESH[GRID.FAC=n]MESH2020/1/1726/145浙大微电子LINELINEXLOC=0.0SPAC=0.15LINEXLOC=1.25SPAC=0.05LINEXLOC=1.5SPAC=0.1LINEYLOC=0SPAC=0.03LINEYLOC=0.5SPAC=0.1LINEYLOC=1SPAC=0.52020/1/1727/145浙大微电子2020/1/1728/145BOUNDARY用途：用于定义结构边缘的边界条件。格式：BOUNDARY{REFLECTI|EXPOSED}XLO=cXHI=cYLO=cYHI=c•{REFLECTI|EXPOSED}选择边界类型，−顶部的边界类型一般是EXPOSED，−左、右、底部边界类型一般是REFLECTI，•XLO=cXHI=cYLO=cYHI=c分别定义了左、右、上、下边界位置。−要注意的是，这4个变量必须定义出整个完整的结构，而不能是部分区域。浙大微电子2020/1/1729/145REGION用途：用于定义网格区域的材料类型，默认情况下的类型是硅。格式：REGION{MATERIAL=c|SILICON|OXIDE|OXYNITRI|NITRIDE|POLYSILI|PHOTORES|ALUMINUM}XLO=cXHI=cYLO=cYHI=c}•{MATERIAL=c|SILICON|OXIDE|OXYNITRI|NITRIDE|POLYSILI|PHOTORES|ALUMINUM}用于定义材料类型；•XLO=cXHI=cYLO=cYHI=c定义区域边界；•该语句应在LINE语句之后，在INITIALIZE语句之前。浙大微电子INITIALIZE1.读入已有结构：INITIALIZEIN.FILE=oldstr2.建立新结构：INIT100impurity=boroni.conc=1E152020/1/1730/145浙大微电子LOADFILE用途：从一个保存的文件中读出网格及结果信息。LOADFILEIN.FILE=c{([SCALE=n][FLIP.Y])|TIF}2020/1/1731/145浙大微电子SAVEFILE•SAVEFILEOUT.FILE=c(TIF[TIF.VERS=c])|(MEDICI[POLY.ELE][ELEC.BOT]])•MEDICI表示结果保存为能被MEDICI识别的文件，POLY.ELE参量表示在MEDICI输出文件中多晶硅区域将转化成电极，ELEC.BOT参量表示在结构底部引出电极。2020/1/1732/145浙大微电子STRUCTURESTRUCTURE[TRUNCATE{({RIGHT|LEFT}X=n)|({BOTTOM|TOP}Y=n)}][REFLECT[{RIGHT|LEFT}]]TRUNCATE、REFLECT分别表示裁剪、镜像对称例：STRUCTURETRUNCATERIGHTX=1.2REFLECT+RIGHT2020/1/1733/145浙大微电子裁剪、镜像对称当前结构例：STRUCTUREREFLECTLEFT2020/1/1734/145浙大微电子2020/1/1735/145MASK用途：读取数据掩膜文件（后缀名为.TL1）的信息。格式：MASK[IN.FILE=c[SCALE=n][GRID=c][G.EXTEN