半导体工艺仿真指导书.docx

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1、半导体工艺仿真实验指导书基于 silvaco TCAD光电学院微电子教研中心王智鹏2014.3本指导书首先介绍了 silvaco TCAD半导体工艺仿真软件的安装方法、主要界面信息与基本命令。然后分别从半导体工艺仿真与半导体器件仿真入手，重点介绍了 silvaco TCAD软件的仿真操作。本指导书适用于半导体工艺及器件仿真实验、半导体器件仿真综合课程设计课程教学。一、silvaco TCAD软件概述1、软件的安装a) 1、运行安装文件，出现如图1.1的安装向导界面，勾选在“InstallSiEvacoTCADLicense Server ”选项，点击Next，即开始安装程序。Choose

2、Destination LocationSelect folder where setup vJill install file.Setup will install TCAD in the following folder.To install to this destination folder, click Newt. To install to a different folder.click Brows.e and &eledi： another folder.To install to a network accessible folder.click Browse and ent

3、er the network folder name (Eg. machine-nameXshare-name).Only if thisi.machine is. to be your licens.e server, select Install License Server from below：Install License SerYer.Browse.Destination FolderE:sedatool?InstallShieldW BackNewt图1.1 silvaco TCAD安装向导界面b) 安装完毕后，根据提示，设置6位数服务器密码。并保留图1.2中浏览器中自动打开的服

4、务器网页。图1.2服务器网页c）运行桌面上快键方式“S. EDA Tools”,选择“Stop Server”以停止服务。把_key文件夹中的rpc.sflmserverd.exe文件复制到安装目录的 “sedatoolslibrpc.sflmserverd8.0.3.Rx86-nt ” 目录中。d）在快捷方式中运行“ Start Server”。e）浏览b）中保留的服务器网页。若已关闭可运行快捷方式中的“ SFLMAdmin ”再次打开。f）输入b）中设置的密码，点击login，并记录下方框中的“Machine IDs”。g）打开_key文件夹中Silvaco.lic文件，如图1.3所示

5、，将“LM_HOSTIDS xxxxxxxxxNL_HOSTIDS ” 中“ xxxxxxxx ”位置的内容替换为f）中记录的Machine IDs。图 1.3 Silvaco.lic 文件h）将Silvaco.lic文件复制到目录sedatoolsetc下。i）浏览服务器网页，选择左边的Install new license”，弹出图1.4所示的“new license ”窗口后，选择“Install Saved File”。New licenseChoose a method of installing new licenses:图 1.4 “new license ”窗口并点击“Agr

6、ee”。j）在如图1.5所示的窗口中浏览sedatoolsetc目录，选择Silvaco.lic 文件，New license - Local FileBy installing a license file, you agree to to the currentlicense conditions posted athttp: /w w w . sfl rn .门 en s e Ao r e e m e n t.Type the location of the license file or click Browse to choose from a folder list.License

7、 File to Load F:sedatoolsetclice |.【浏览二二项To agree and load the license file click the Agree button below or press enter on the line above.图1.5浏览本地license文件k）在图1.6所示的信息确认窗口中选择 Done即完成安装。若方框中Machine IDs所示内容包含“NL_HOSTIDS”，则重新修改Silvaco.lic文件，删除Machine IDs文本后面的“NL_HOSTIDS”。图1.6信息确认窗口2、软件界面a）运行快捷方式中DeckB

8、uild，打开如图1.7所示的DeckBuild界面图 1.7 DeckBuild 界面b)在DeckBuild中的Edit目录下，选择“Preferences”打开work文件夹设置窗口，在“working directory”标签中可以查看或修改当前工作目录。c)口，用于显仿真完示仿真得到的二维、三维结构或结构特性曲线图1.9结果显示窗口d）在二维结构结果显示窗口中依次点击“plot” “display ”选项，弹出如图1.10的图形显示设置窗口。在窗口中可以分别设置网格、边距、区域、等位线、矢量信息、光特性、结、电极、三维信息、颜色信息参数。DetineOKC：=lTli：h1ppl

9、y值| Tony plot: Display (2D Mesh)图1.10图形显示设置窗口e）在特性曲线结果显示窗口中依次点击“plot”“display ”选项，弹出如图1.11所示的波形显示设置窗口。在窗口中可设置曲线显示类型、坐标类型、XY轴显示量等参数。图1.11波形显示设置窗口f）在二维结构结果显示窗口中依次点击“tool”“cutline ”选项，弹出如图1.12所示的cutline窗口。可以通过选取cutline，提取结构中某一点的特性参数。图 1.12cutline 窗口g）调取仿真实例h）在deckbuild界面依次点击“help”“example ”菜单，启动如图1.13

10、的 “example loader”窗口。图 1.13 “example loader ”窗口在“example loader”窗口第一行的下拉菜单中可以选择MOS、BJT等器件或Athena-implant等工艺类型，选定类型后可从下方列表中选取所需实例。二、 silvaco TCAD工艺仿真操作1、基本命令a) go 与 quit作用：启动和退出仿真器。例子：go athena#line x loc=0 spac=0.1line x loc=0.2 spac=0.006 tonyplot -overlay -st mos1ex02_1.logquitb) set作用：设置全局变量或to

11、nyplot显示方式例子：set temp=1000difuse time=30 temp=$temp此例中将“temp ”设置为全局变量，在之后的仿真中声明“ $temp ” 即可调用变量值。c) tonyplot作用：图形显示仿真生成的器件结构、波形曲线等信息。例子： tonyplot -overlay cv.log iv.log -set show.set此例中将cv.log和iv.log两个文件，按照设置文件show.set 的设置，叠加显示在一个窗口中。d) extract作用：提取仿真中得到的器件、材料特性信息。例子： extract name= gateox” thickness

12、 oxide mat.occno=1提取名称 gateox 厚度氧化物材料截取点1个 x.val=0.49 x轴坐标0.49此例中在x坐标0.49处，截取一个采样点，提取氧化物厚度，生成名为“gateox”的参数，并输出。例子： extract name= nxj” xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 提取名称 nxj结深硅材料截取点1个x轴坐标0.1 junc.occno=1 结截取点1个此例中在x坐标0.1处，截取一个采样点，提取硅材料中的结深，生成名为“nxj”的参数，并输出。e) structure作用：翻转已有结构，或保存、倒入结构文件例子：

13、structure outfile=filename.str保存当前结构为结构文件“fil ename.str”。structure infile二filename.str导入名为“filename.str”的结构文件。structure mirror left 对当前结构做镜像翻转。structure flip.y 对当前结构做上下翻转。2、网格定义a) 衬底网格定义命令：line参数：xx轴yy轴location坐标位置spacing格点间距例子： line x loc=0.0 spacing=0.1 line x loc=1.0 spacing=0.1line y loc=0.0 spa

14、cing=0.2line y loc=2.0 spacing=0.2此例中定义x坐标起点0.0、终点1.0,格点间距0.1； y坐标起点0.0、终点2.0,格点间距0.2。b）新增淀积层网格定义参数：divisions格点分层数量dy设定格点间距ydy格点间距起始位置min.dy_最小格点间距min.space最小边界间距例子： deposit polysilicon thick=0.50 divisions=10 dy=0.1ydy=0.02 min.dy=0.01 min.space=0.01此例中将厚度为0.5的多晶硅坐标格点分为10层，设定格点间距为0.1，从0.02处开始执行0.

16、IP.YDEPTH.STR= WIDTH.STR=b）常用参数：MATERIAL衬底材料ORIENTATION衬底晶向C.IMPURITIES衬底杂质浓度RESISTIVITY衬底电阻率ONE.D, TWO.D, AUTO仿真维度c）例子： init silicon c.boron=3.0e15 orientation=100 two.d此例中初始化衬底为100晶向的单晶硅，衬底掺杂浓度为3.0e15 的硼杂质，仿真维度为二维。init silicon phosphor resistivity=10 orientation=111此例中初始化衬底为111晶向的硅，衬底掺杂磷，电阻率10。4、氧

18、TO2,NITROGEN工作气体氛围HCL.PC氧化剂中HCL百分比PRESSURE工作气压F.02,F.H2,F.H20,F.N2, F.HCL气体流速C.IMPURITIES工作气氛中杂质及其浓度c）例子：diffuse time=30 temp=1000 c.boron=1.0e20 此例中设定扩散时间30分钟、恒温1000C、掺杂硼浓度1.0e20。 diffuse time=30 temp=1000 dryo2此例中设定扩散时间30分钟、恒温1000C、气氛为干氧，则实际为氧化工艺。diffuse time=10 temp=1000 f.o2=10 f.h2=10 f.hcl=.1此

20、.SCALESCALE.MOMANY.PEARSONN.ION= MCSEED= TEMPERATURE= DIVERGENCE=IONBEAMWIDTH= IMPACT.POINT= SMOOTH=SAMPLING DAMAGE MISCUT.TH MISCUT.PH TRAJ.FILE=N.TRAJ= Z1= M1=b）常用参数：GAUSS,BCA,PEARSON,FULL.LAT,MONTECARLO离子注入模型CRYSTAL, AMORPHOUS设定衬底晶体结构IMPURITY注入杂质类型ENERGY注入能量DOSE注入剂量TILT离子束入射角ROTATION离子束与仿真面夹角FULL

21、ROTATION设置为全角度注入TEMPERATURE注入时衬底温度c) 例子： implant phosph dose=1e14 energy=50 tilt=10此例中设定磷注入、注入剂量1e14、注入能量energy=50、入射角 10。6、淀积a) 命令与语法DEPOSITMATERIAL NAME.RESIST= THICKNESS=SI TO POLYTEMPERATURE=DIVISIONS= DY=YDY=MIN.DY=MIN.SPACE=C.IMPURITIES=F.IMPURITIES=C.INTERST=F.INTERST=C.VACANCY=F.VACANCY=C.F

22、RACTION= F.FRACTION=MACHINE=TIME=HOURS | MINUTES | SECONDSN.PARTICLE=OUTFILE=SUBSTEPS=VOIDb) 常用参数：MATERIAL淀积材料NAME.RESIST淀积光刻胶类型THICKNESS淀积厚度C.IMPURITIES淀积层杂质浓度F.IMPURITIES淀积层顶部杂质浓度c) 例子： deposit alumin thick=0.03 divi=2此例中淀积厚度为0.03的铝，材料厚度纵向分为2层。deposit material=BPSG thickness=0.1 div=6 c.boron=1e20

24、TH=MC.DT.FACT=MC.MODFNAME=b）常用参数：MATERIAL刻蚀材料NAME.RESIS刻蚀光刻胶种类THICKNESS刻蚀厚度LEFT,RIGHT,ABOVE,BELOW指定刻蚀区域方向P1.X, P1.Y, P2.X, and P2.YT指定刻蚀区域坐标ALL刻蚀所有指定材料c）例子： etch aluminium right p1.x=1.5此例中刻蚀x坐标1.5右侧的铝。etch oxide all此例中刻蚀所有氧化物。etch silicon thick=0.5此例中刻蚀硅材料厚度为0.5。etch oxide start x=1.5 y=0.0etch con

26、E=PUPIL.FILTERCIRCLE | SQUARE | GAUSSIAN | ANTIGAUSSGAMMA=IN.RADIUS=OUT.RADIUS=PHASE=TRANSMIT=CLEAR.FILb）常用参数：NAME导入掩模文件名I. LINE,G.LINE,H.LINE照明系统所用波长LAMBDA定义和改变光源波长X.TILT,Z.TILT照明系统与光轴夹角NA光学投影系统孔隙数FLARE成像时的耀斑数CIRCLE,SQUARE,GAUSSIAN发射孔形状GAMMA 发射孔透明度TRANSMIT透射率三、 silvaco TCAD器件仿真操作命令组主要命令定义结构-II1Mesh

27、 Region Electrode Doping定义材料、模型-MaterialModelsContact Interface选择数值计算方法获取器件特性-仿真结果_ 分析 Extract TonyplotLog Solve Load SaveMethod图3.1 silvaco TCAD器件仿真流程1.初始化网格a）命令与语法mesh space.mult=b）常用参数：location格点位置spacing格点间距c）例子： x.mesh location=0.0 spacing=0.05此例中定义x格点坐标0.0，格点间距0.05。2. 区域定义a) 命令与语法region num

28、ber= positionb) 例子： region num=1 y.max=0.5 siliconregion num=2 y.min=0.5 y.max=1.0 x.min=0 x.max=1.0 oxideregion num=3 y.min=1.0 y.max=2.0 x.min=0 x.max=1.0 GaAs此例中定义了3个区域，材料分别是硅、氧化物、砷化镓；每个区域通过x、y轴的最大与最小坐标确定范围。3. 电极定义a) 命令与语法electrode name= number=substrate b) 例子： elec name二emitter x.min=1.75 x.max=

29、2.0 y.min=-0.05y.max=0.05此例中定义电极名称为“emitter”，并通过x、y轴的最大与最小坐标确定电极位置。4. 杂质分布a) 命令与语法doping position parametersb) 例子： doping uniform conc=1e16 n.type region=1此例中定义在区域1中形成浓度为1e16的n型均匀掺杂。5. 电极连接a) 使用contact命令和common参数短接两个电极b) 例子： contact name=base common=collector实现基极与集电极的短接6. 获取器件特性使用solve命令通过对器件施加电流或电

30、压来获取器件特性。a)直流特性solve init初始化，所有电极电压加为0V；solve vbase=0.1 基极电压加为0.1V；solve vdrain=0.0 vstep=0.05 vfinal=5.0 name二drain 对漏极施加0-5V，步长为0.05V的扫描电压；solve vbase=0.1solve vbase=0.2 .solve vbase=2.0基极电压从0.1V加到0.2V，再逐步加到2V，可用于获取BE结I-V特性;solve previous将之前计算所得结果用作当前计算的初始近似。b）交流小信号特性solve vbase=0 vstep=0.05 vfina

31、l=2.0 name=base ac freq=1e6频率不变，改变基极直流电压偏置，可用于获取特定频率下CV特性；solve vbase=0.7 ac freq=1e9 fstep=1e9 nfstep=10基极电压0.7V，交变频率以1GHz步长，从1GHz增加到11GHz；solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10 solve prev ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10基极电压0.7V，初始频率1MHz，频率每次增加变为原来的2被，最终频率 1GHz；7. 提取仿真结果a）命令：ext

32、ract extract-parametersb）语法：表示字符串；表示整数；竖线|表示在左右的参数中选其一；中括号口一一表示其中的参数为可选参数；c) 参数提取extract name二chan_surf_conc” surf.conc impurity二“NetDoping”material二 Silicon” mat.occno=1 x.val=0.45在x坐标0.45处选取1个材料截取点，提取名为“chan_surf_conc”对硅表面浓度；extract name二n+ sheet rho” sheet.res material二Silicon”mat.occno=1 x.val

33、=0.05 region.occno=1在x坐标0.05处选取1个材料截取点，提取名为“n+ sheet rho的硅材料方块电阻；extract name二 nldvt” 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49设定表面电荷1e10，在x坐标0.49处提取名为“n1dvt”的阈值电压；d) 波形曲线提取Curve_def=(, x.min= x.max=)设定曲线坐标范围= | 设定曲线类型例子：curve(depth, mat.occno=y.val=| x.val= | region=)设定材料、区域截取点、x/y轴坐标或区域，抽取其中杂质深度的单一曲线

34、；extract start material二Silicon” mat.occno=1 bias=0.0bias.step=0.25 bias.stop=5.0 region.occno=1启动参数提取，并设置器件偏置；extract done name=cjcurve” curve(bias,1djunc.capmaterial=Silicon” mat.occno=1 region.occno=1 junc.occno=2) out le= cj.dat”选取1个材料截取点、1个区域截取点、2个结截取点，提取名为cjcurve 的硅材料结电容曲线；extract start materi

35、al=Polysilicon” mat.occno=1 bias=0.0bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45 启动参数提取，并设置器件偏置；extract done name=cond v bias” curve(bias,1dn.conductmaterial=Silicon” mat.occno=1 region.occno=1)选取1个材料截取点、1个区域截取点，提取名为“cond v bias”的硅材料电导曲线；8. 仿真优化仿真过程中想要得到较理想的结果，就需要使用优化工具optimizer对工艺参数进行优化。a) 启动 optimizer。在

36、 DeckBuild 界面中依次点击“ commands”“optimizer”，启动如图3.2所示的optimizer优化设置窗口。可以对工艺参数、工艺目标、工艺结果等进行优化。图 3.2 optimizer 窗口b）设置优化方案。在optimizer窗口中设置误差范围、寻找次数等参数。c）设定待优化工艺参数。首先在deckbuild的命令行中选取需要优化的工艺步骤；然后在optimizer窗口mode”下拉菜单中选择“parameters”，并依此点击“edit” “add”菜单；最后勾选“time”、“temp”复选框，即出现图3.3所示的工艺参数设置窗口。图3.3工艺参数设置窗口d

37、）设定待优化工艺目标。首先在deckbuild的命令行中选取一行需要抽取的工艺目标（如结深、材料厚度等），然后在optimizer窗口mode”下拉菜单中选择targets”，并依此点击“edit” 一一 “add”菜单，即出现图3.4所示的工艺目标优化设置窗口。图3.4工艺目标优化设置窗口在该窗口中即可设置“target value”到目标值。e）执行优化与优化结果显示完成优化设置、参数和目标值设置之后，在optimizer窗口 mode框中选择“results”，然后执行“optimizer”, deckbuild就会按照设定值对工艺参数进行扫描仿真，直到抽取的结果和目标值在设定的

38、误差范围之内。图3.5为一次优化结果。图3.5优化结果由于此例中，如图3.4所示，设置优化工艺目标为“tox”，目标值500, 所以此次优化扫描到502.544时，认为达到目标要求，即停止扫描。半导体工艺及器件仿真实验实验的地位、作用、目的工艺仿真是集成电路制造业重要的技术，使用软件对工艺参数进行仿真在一定程度上弥补了工艺实验周期长、实验过程不可逆的缺点，可以在短时间内以较低的成本分析、验证多套工艺参数。通过半导体工艺及器件仿真教学，可以使学生掌握基本的半导体工艺仿真技术。更重要的是可以与半导体工艺理论以及半导体工艺实验相结合，基于不同工艺参数的仿真分析，加深学生对半导体工艺知识的

39、理解。最终训练学生的工艺参数分析、设计能力，为今后工作和进一步研究打下基础。内容简介：针对半导体制造基本工艺，本实验包含“SilvacoTCAD工具安装与基本操作”、“单项工艺仿真（1）”、“单项工艺仿真（2）”、“MOS结构工艺仿真” 4个实验项目。要求学生熟悉半导体工艺基本特性；掌握工艺仿真软件silvaco TCAD的操作；掌握氧化、扩散等基础半导体工艺仿真、分析技能。实验方式与基本要求1. 教师在每次上课时讲解实验的基本原理、布置实验任务内容。2. 每个学生单独完成实验项目，并独立完成实验报告。3. 教师在实验过程中指导学生操作，并维护实验秩序与实验室安全。实验考核与实验报告1.

40、学生在做完一个实验后，需要独立处理实验数据，认真写实验报告（内容包含实验原理、实验结果和实验结果分析）；2. 实验指导教师根据实验报告情况打分，然后综合各次实验给出最后考核成绩。实验一Silvaco TCAD工具安装与基本操作1、实验目的：a）掌握Silvaco-TCAD半导体工艺仿真软件的安装方法与基本操作;b）学会调取仿真实例，熟悉软件常用命令。2、实验步骤：a）安装 SilvacoTCAD 软件；b）调取单项工艺与器件仿真实例，观察仿真命令与仿真结果；c）使用tonyplot相应工具，分析仿真结果；d）对于所调取的仿真实例，自定义其中部分参数，并重新仿真；e）对比实验结果，分析仿真命

41、令。实验二单项工艺仿真（1）1、实验目的：a）掌握硅热氧化、多晶硅淀积工艺仿真；b）掌握多晶硅刻蚀工艺仿真与刻蚀区域控制方法。2、实验步骤：a）启动Athena工艺仿真工具；b）设置网格并初始化衬底材料；c）设置氧化仿真命令，完成仿真并分析仿真结果；d）设置多晶硅淀积仿真命令，完成仿真并分析仿真结果;e）设置刻蚀区域，对淀积的多晶硅材料进行刻蚀仿真；f）修改仿真参数，对比各组仿真结果。实验三单项工艺仿真（2）1、实验目的：a）掌握离子注入已经注入后退火工艺仿真；b）掌握掌握金属淀积工艺仿真。2、实验步骤：a）启动Athena工艺仿真工具；b）设置网格并初始化衬底材料；c）通过氧化、刻蚀等工艺，

42、设定离子注入区域；d）设置离子注入仿真命令，完成仿真并分析仿真结果；e）设置退火参数，完成仿真并分析退火前后材料特性区别;f）设置金属淀积仿真命令，完成仿真并分析仿真结果；g）修改仿真参数，对比各组仿真结果。实验四MOS结构工艺仿真3、实验目的：a）熟悉MOS器件结构；b）掌握Atlas器件仿真工具基本操作。4、实验步骤：a）启动Atlas器件仿真工具；b）设置网格并初始化衬底材料；c）设计可实现MOS结构的工艺流程；d）通过氧化、刻蚀、扩散等工艺仿真，实现基本MOS结构;e）定义MOS结构中栅、源、漏等电极；f）通过工艺参数优化调整所设计的参数；g）尝试提取MOS结构的阈值电压和跨导。半导体器件仿真综合课程设计实验的地位、作用、目的工艺仿真使用软件对半导体器件制造过程及参数特性进行仿真，可以摆脱硬件设备的局限在短时间内以较低的成本设计、验证器件参数。通过半导体器件仿真综合课程设计教学，加深学生对半导体器件制造过程的认识，使学生掌握半导体器件仿真技术，熟悉不同工艺设置对器件性能的影响。最终达到训练学生半导体工艺工艺流程分析设计能力的目的，为今后工作和进一步研究打下基础。内容简介：针对半导体器件仿真，本课程分为“CMOS集成工艺二维仿真（1）”、“CMOS 集成工艺二维仿真（2）”、“ATLAS二维器件仿真（1）”、