（信号与信息处理专业论文）基于twbtcad下的亚微米nmos小尺寸效应的抑制方案优化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 曼曼置鼍曼詈苎! 曼曼鼍置詈皇! 曼曼! 曼詈寡! 暑! 曼詈詈皇詈皇皇皇詈! 詈皇詈鼍皇暑暑置皇詈鼍鼍量皇皇詈皇曼曼詈鼍詈詈皇舞i r 墨詈e 摘要 集成电路产业经过四十多年的发展，已成为信息技术产业的基础，其影 响已渗透到国民经济和社会发展的各个领域，战略地位越来越重要。同时， 随着集成电路特征尺寸进入小尺寸量级，集成电路的制造工艺越来越复杂， 采用传统的方法进行集成电路制造工艺的优化已不可能，需采用集成电路虚 拟制造技术进行集成电路制造工艺的优化。 课题根据微电子技术的发展，结合我国集成电路产业的发展现状，依据 亚微米c m o s 结构的n m o s 抑制小尺寸效应的工艺和器件结构的新特点，采 用集成电路虚拟制造技术，在t a u r u sw o r k b e n c h 系统下对亚微米c m o s 结构 的n m o s 工艺中抑制小尺寸效应的关键工艺参数进行了仿真与优化。 首先，分析了集成电路虚拟制造技术，对传统的集成电路制造系统和集 成电路虚拟制造系统确定最佳工艺条件的方法进行了对比。介绍了集成电路 制造工艺仿真系统t s u p r e m 4 和半导体器件物理特性仿真系统m e d i c i 的仿 真功能，分析了t s u p r e m 4 和m e d i c i 仿真系统所采用的仿真模型。 介绍了集成电路虚拟制造系统t a u r u sw o r k b e n c h ，并分析了t a u r u s w o r k b e n c h 系统的运行机制和优化机制。t a u r u sw o r k b e n c h 系统集成了 t s u p r e m 4 仿真系统和m e d i c i 仿真系统，是一个集成化的集成电路t c a d 一体化仿真与优化平台。 根据亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺的小尺寸效应，讨论了亚微米c m o s 结构的n m o s 的工艺流程和器件结构的新特点。对穿通效应进行了理论分析， 提出了抑制穿通效应的工艺；给出了调整阚值电压的工艺；着重对热载流予 效应( h c e ) 进行了理论分析，并分析了亚微米n m o s 器件中抑制热载流子 效应采用的轻掺杂漏( l d d ) 的器件结构。 采用t s u p r e m 4 系统和m e d i c i 系统联机仿真的方式，探讨和分析了采 用l d d 结构对抑制亚微米n m o s 器件的小尺寸效应热载流子效应的作用。 通过比较和分析表征半导体器件热载流子效应的参数衬底电流和栅电流的 大小，可以直观的看到l d d 结构抑制亚微米n m o s 器件中热载流子效应的效 果。 在t a u r u sw o r k b e n c h 集成电路虚拟制造系统下，以t s u p r e m 4 和m e d i c i 仿真系统为仿真工具，对亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺中抑制小尺寸效应 的关键工艺参数一抑制穿通效应的离子注入( 硼) 剂量、抑制穿通效应的离 子注入( 硼) 能量、调整阈值电压的离子注入( 硼) 剂量、抑制热载流子效 山东大学硕士学位论文 应的轻掺杂漏离子注入( 磷) 剂量建立仿真试验。根据仿真结果建立表面相 应模型，以器件性能参数一阈值电压、漏饱和电流、击穿电压为优化目标进 行优化，得到了优化后的亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺中抑制小尺寸效应 的关键工艺参数的最佳取值，并得到了可制造性优化的关键工艺参数的最佳 取值范围，印证了对亚微米c m o s 结构的n m o s 抑制小尺寸效应的工艺和结 构特点的分析。 课题对应用集成电路虚拟制造技术进行亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺 中抑制小尺寸效应的工艺仿真和优化作了探讨，为进行深亚微米、超深亚微 米，甚至亚0 1 微米工艺的仿真和优化研究打下基础， 关键词：集成电路；虚拟制造：亚微米器件；工艺优化 n 山东大学硕士学位论文 i l m l l l l l in a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fm o r et h a nf o r t yy e a r s ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) i n d u s t r yi s b e c o m i n gt h e b a s i co fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) i n d u s t r y i c i n d u s t r y i s i n f l u e n c i n ge v e r yf i e l di ne c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t s ，i t ss t r a t e g i cs t a t u si s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a tt h es a m et i m ei cf e a t u r es i z er e a c h e ss u b m i c r o n ， d e e ps u b m i c r o n ( d s m ) a n d e v e n v e r yd e e ps u b m i c r o n ( v d s m ) ，t h e i c m a n u f a c t u r i n gp r o c e s si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d i ti si m p o s s i b l e t h a tt h ei cm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s o p t i m i z e dw i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o d s w e h a v et o o p t i m i z et h e i c m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s w i t hi cv i r t u a l m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y m yt a s k i sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , t h e s t a t u sq u oo f i ci n d u s t r yi no u rc o u n t r ya n dt h en e wc h a r a c t e r i s t i c so f p r o c e s sa n d d e v i c es t r u c t u r ei ns u b m i c r o nnc h a n n e lm o so fc m o s p r o c e s s a p p l y i n gi c v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r si ns u b - m i c r o nn c h a n n e lm o so fc m o sp r o c e s si ss i m u l a t e da n d o p t i m i z e d i nt h e s y s t e mo f t a u r u sw o r k b e n c h f i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z e si cv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y c o m p a r e st h e m e t h o d so fc o n f i r m i n gt h eb e s t p r o c e s s c o n d i t i o n sb e t w e e nc o n v e n t i o n a li c m a n u f a c t u r i n gs y s t e ma n di cv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m b r i e f l yi n t r o d u c e si c m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s i m u l a t i o ns y s t e m - t s u p r e m - 4a n ds e m i c o n d u c t o r d e v i c ec h a r a c t e r i s t i c ss i m u l a t i o n s y s t e m m e d i c i a n a l y z e st h e s i m u l a t i o n m o d e l su s e di nt s u p r e m - 4a n dm e d i c is i m u l a t i o ns y s t e m t h et h e s i si n t r o d u c e si cv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m t a u r u sw o r k b e n c h a n a l y z e st h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo ft a u r u sw o r k b e n c h t a u r u sw o r k b e n c h s y s t e mi n t e g r a t e st s u p r e m 一4s i m u l a t i o ns y s t e ma n dm e d i c is i m u l a t i o ns y s t e m a n di sa n i n t e g r a t e ds y s t e mu s e dt o s i m u l a t ea n do p t i m i z ei c m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s b a s e do nt h es m a l l s c a l ee f f e c ti ns u b m i c r o nnc h a n n e lm o so fc m o s p r o c e s s ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h en e wc h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s sf l o wa n dd e v i c e s t r u c t u r ei ns u b m i c r o nnc h a n n e lm o so fc m o s p r o c e s s a n a l y z e st h ep u n c h e f f e c ti nt h e o r y g i v e st h ep r o c e s sr e s t r a i n i n gp u n c h e f f e c t b r i n g sf o r w a r dt h e p r o c e s sa d j u s t i n gt h r e s h o l dv o l t a g e a n a l y z e se m p h a t i c a l l yh o tc a r r i e re f f e c t 1 1 1 山东大学硕士学位论文 ( h c e ) i nt h e o r y g i v e sl i g h t l yd o p e dd r a i n ( l d d ) d e v i c es t r u c t u r er e s t r a i n i n g h c ei ns u b m i c r o nnc h a n n e lm o sd e v i c e w i t ht h em o d eo fo n l i n es i m u l a t i o nb e t w e e nt s u p r e m 一4s i m u l a t i o ns y s t e m a n dm e d i c is i m u l a t i o ns y s t e m ，t h et h e s i sd i s c u s s e sa n da n a l y z e st h ea c t i o nt h a t l d dd e v i c es t r u c t u r er e s t r a i n st h es i n a i le 舵c t h c ei ns u b m i c r o nnc h a - m e l m o s d e v i c e c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ev a l u eo fs u b s t r a t ec u r r e n ta n dg a t e c u r r e n tt h a tr e f l e c th c ei ns e m i c o n d u c t o r d e v i c e ，w e c a l l c l e a r l y f i n dt h e i m p r e s s i o nt h a tl d d d e v i c es t r u c t u r er e s t r a i n ss u b - m i c r o nnc h a n n e lm o sd e v i c e w i t hi cv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m t a u r u s w o r k b e n c h ，u s i n gt s u p r e m - 4 s i m u l a t i o ns y s t e ma n dm e d i c is i m u l a t i o ns y s t e ma ss i m u l a t i o nt o o l ，t h e s i ss e t su p s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta b o u tt h ek e y p r o c e s sp a r a m e t e r si ns u b m i c r o nn c h a n n e l m o s p r o c e s s o fc m o s p r o c e s s t h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d e i o n i m p l a n t a t i o n ( b o r o n ) d o s er e s t r a i n i n gp u n c he f f e c t ，i o ni m p l a n t a t i o n ( b o r o n ) e n e r g yr e s t r a i n i n gp u n c he f f e c t ，i o ni m p l a n t a t i o n ( b o r o n ) d o s ea d j u s t i n gt h r e s h o l d v o l t a g e ，l d di o ni m p l a n t a t i o n ( p h o s p h o n t s ) r e s t r a i n i n gh c e a c c o r d i n g t ot h e r e s u l to f s i m u l a t i o n ，s e t su pr e s p o n s es u r f a c em o d e l ( r s m ) o p t i m i z e s t h ek e y p r o c e s sp a r a m e t e r sb a s e do n d e v i c ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s t h r e s h o l dv o l t a g e ， s a t u r a t e dd r a i nc u r r e n ta n db r e a kv o l t a g e 、g e t st h ev a l u e so ft h eo p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r si ns u b m i c r o nnc h a n n e lm o sp r o c e s so f c m d s p r o c e s s ，a n dg e t st h e o p t i m a lv a l u er a n g e so f t h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r si nm a n u f a c t u r a b i l i t y o p t i m i z a t i o n ，v e r i f i e st h ea n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c si ns u b - m i c r o n nc h a n n e l m o s p r o c e s s o fc m o s p r o c e s s w i t hi cv i r t u a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h e s i s d i s c u s s e s p r o c e s s s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ni ns u b m i c r o nnc h a n n e lm o sp r o c e s so fc m o s p r o c e s s p r e p a r e sf o rt h er e s e a r c ho fp r o c e s ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ni nd e e p s u b m i c r o n v e r yd e e ps u b m i c r o na n de v e ns u b0 1m i c r o np r o c e s s k e yw o r d s ：i n t e g r a t e d c i r c u i t ，v i r t u a lm a n u f a c t u r e ，s u b m i c r o nd e v i c e p r o c e s so p t i m i z a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：豸象永弛 日期：2 1 1 互! 互：垒 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鑫五自兰猃导师签名论文作者签名：4 i 3 盘烛导师签名期：立塑! 尘聱 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景1 1 4 】 第一章引言 自1 9 5 8 年美国德克萨斯仪器公司( t i ) 、仙童公司独立发明第一块半导 体集成电路以来，在技术进步与市场需求的不断推动下经过四十多年的发 展，集成电路技术已经由初始的小规模集成( s s i ) 发展到当前的巨大规模集 成( g s i ) 。集成电路产业己成为信息技术产业的基础和高新技术产业群的核 心。建立在集成电路技术进步基础上的全球信息化、网络化和知识经济浪潮， 使集成电路产业的战略地位越来越重要，对国民经济、人民生活和国防建设 的作用也越来越大，其影响己渗透到国民经济和社会发展的各个领域。 但是，我国目前生产的集成电路只能满足国内市场需求的2 0 ，更重要 的是，关系到信息产业发展和国家信息安全的关键集成电路，如计算机的核 心芯片、通信系统的关键芯片、因特网的路由及安全芯片、多媒体的音视频 处理芯片等，都几乎是l o o 地从国外进口。这无疑极大地制约着我国整个信 息行业的发展，威胁着我国信息网络乃至整个国家的安全。因此，发展我国 集成电路产业是信息产业发展的重中之重，是推动国民经济信息化的重要保 证。集成电路产业已成为维护国家主权、保障国家安全的战略性产业。2 0 0 0 年6 月，国务院出台的鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策文 件中明确提出了”加快发展集成电路产业”的迫切任务。 集成电路产业是一个完整的产业，包括集成电路的设计、制造、封装、 测试等环节。集成电路制造则是集成电路产业的核心主体，是个资金密集、 技术密集、人才密集的高技术领域，在整个集成电路产业链中起到至关重要 的作用。2 0 0 0 年以来在国家产业政策的指导下，8 英寸、0 2 5 微米以下的集 成电路生产线在我国大陆纷纷建立，如：中芯国际( s m i c ) 、宏力半导体 ( g s m c ) 、台积电( t s m c ) 等。这使对集成电路制造过程中的工艺和器件 结构的研究变得尤为重要。 集成电路制造技术发展迅猛，集成电路产品更新极快，市场的竞争促使 采用更小特征尺寸的制造工艺。而小尺寸的集成电路制造工艺过程日趋复杂， 各种工艺问题、器件特性问题及设计问题相继产生，集成电路的研制与制造 成本变得越来越高。随着计算方法和计算机技术等领域的不断发展，以及对 山东大学硕士学位论文 亚微米和深亚微米层次的小尺寸器件物理效应和工艺模型的深入研究，具备 了采用虚拟的方法实现集成电路制造工艺的仿真与优化的技术条件。集成电 路制造环节中的t c a d 一体化仿真与优化正是在这种技术条件下不断形成发 展起来的，称之为集成电路虚拟制造技术。 本课题正是基于这样的背景条件下提出的。本研究课题采用集成电路虚 拟制造技术，针对亚微米c m o s 结构的n m o s 抑制小尺寸效应的工艺和器件 结构的新特点，着眼于亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺中的抑制小尺寸效应 的关键工艺参数进行t c a d 一体化仿真与优化。 1 2 课题的提m , l l ，5 j 0 1 金属一氧化物一半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 是微处理嚣和半导体存储 器之类超大规模集成电路中最重要的器件。三十年代初期，l i l i e n f e l d 和h e i l 就首先提出表面场效应晶体管的原理。后来在四十年代来，s h o c k l e y 和 p e a r s o n 对之进行了研究。1 9 6 0 年，k a h n g 和a t a l l a 应用热氧化的硅结构提出 并制造了第一只m o s f e t 。i h a n t o l a 和m o l l ，萨支唐( s a h ) ，以及h o f s t e i n 和 h e i m a n 接着研究了器件的基本特性。到了7 0 年代，m o s 工艺走上了飞速发 展的阶段，在以后的3 0 年中经历了p m o s 、n m o s 、c m o s 的发展阶段。c m o s 结构将n m o s 器件和p m o s 器件同时制作在同硅衬底上。它是在p 型高阻 衬底上i 用离子注入的方法同时制作n 阱和p 阱。然后分别在n 阱和p 阱中 制作p m o s 和n m o s 。c m o s 结构的电路具有静态功耗低，电平变化幅度高， 抗干扰能力强，电源电压变化范围大等优点，已成为当代集成电路的主流工 艺。在2 l 世纪前半叶，集成电路产业仍将以尺寸不断缩小的c m o s 结构技术 为主流。 按照国际水平，在中国生产的晶片大多数属于较低档的技术，比世界主 流科技落后了5 年左右。2 0 0 1 年，中国的半导体总产能当中，只有四分之一 集成电路制造企业有能力生产标准型2 0 0 毫米晶圆，有7 0 以上的公司还在 使用o 3 5 微米及以上的制造工艺，与世界主流技术0 。1 8 微米制程技术还差一 个档次。同时，特征尺寸进入亚微米以后，热载流子效应等小尺寸效应的涌 现，使得亚微米n m o s 工艺与器件结构与传统大尺寸条件下的工艺与器件结 构有很大的差异，变得更加复杂。因此，结合我国的实际制造工艺水平，课 题着眼于亚微米c m o s 结构的n m o s 小尺寸效应抑制的仿真与优化进行研 2 山东夫学硕士学位论文 曼曼! ! 曼! ! ! ! ! 鼍! ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! ! ! 墨墨葛! 皇詈詈= 詈! ! ! ! ! ! ! ! ! 勇曼曼曼! ! ! 兰! 曼量置墨詈詈! 詈詈! ! ! ! 曼! 置岛i 墨 究。 集成电路虚拟制造技术是微电子技术领域重要的组成部分。集成电路虚 拟制造技术是微电子技术和计算机技术结合的产物，它以离散的方法来处理 连续数学的问题，包括工艺模拟、器件模拟、电学性能模拟以及集成电路统 计设计等，为集成电路采用新器件结构、新工艺以及提高集成电路的成品率 提供了深层次的物理依据。课题采用集成电路虚拟制造系统t a u r u sw o r k b e n c h ( t w b ) 是集成电路虚拟制造技术的典型应用。 美国斯坦福大学在集成电路虚拟制造技术领域的研究取得了相当的成 绩。集成电路制造工艺仿真系统s u p r e m ( s t a n f o r du n i v e r s i t yp r o c e s s e n g i n e e r i n gm o d e lp r o g r a m ) 便是斯坦福大学开发的。s u p r e mi 发表于1 9 7 7 年，1 9 7 8 年更新为s u p r e mi i 。1 9 8 3 年对以前版本做了较大的修改，开发了 s u p r e m1 1 1 ，但s u p r e m1 1 1 只限于作一维分析。随着器件尺寸的日益缩小， 各工艺之间的影响既有垂直的，也有水平的，只限于一维的分析已显得不够， 1 9 8 8 年提出了用于二维分析的s u p r e m i v 。 现在集成电路制造工艺仿真系统的商业版本为t s u p r e m 4 ，几经并购， 由t m a 、a v a n t ! 到s y n o p s y s 公司，现在其版权归s y n o p s y s 所有。t s u p r e m 4 与半导体器件物理特性二维仿真系统m e d i c i 集成在集成电路虚拟制造系统 t a u r u sw o r k b e n c h 之中，共同构成了集成电路虚拟制造系统。m e d i c i 和t a u r u s w o r k b e n c h 都为s y n o p s y s 公司的产品，版权归s y n o p s y s 所有。 国内对集成电路虚拟制造技术的研究有北京大学、清华大学、西安电子 科技大学等高校。王阳元院士在文献【1 中对集成电路虚拟制造技术有精辟的 论述。北京大学微电子所的吉利久教授在其著作计算微电子学中对集成 电路虚拟制造技术进行了科学的分析。西安电子科技大学微电子所的郝跃教 授研究开发了集成电路虚拟制造系统v i r m i c 。 集成电路虚拟制造技术是微电子技术发展到定阶段的必然要求。它不 仅在工程上促进集成电路制造效率的提高，也为微电子基础研究提供了高效 的工具，必将推动基础研究工作的开展。国外一些大公司，如m o t o r o l a 公司 已将此纳入当前的主要研究方向之一。 课题采用集成电路虚拟制造技术，在集成电路虚拟割造系统t a u r u s w o r k b e n c h 的一体化仿真环境下，根据亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺中的 热载流子效应( h c e ) 、穿通效应、阈值电压的变化等小尺寸效应，采用抑制 热载流子效应的轻掺杂漏( l d d ) 结构的工艺、抑制穿通效应的工艺以及调 山尔大学硕士学位论文 整阈值电压的工艺进行抑制，并进行了t w b t c a d 一体化仿真与优化。以期 为今后进行深亚微米以至超深亚微米的小尺寸效应抑制的制造工艺的t c a d 一体化仿真与优化的研究打下基础。 1 3 论文的内容安排 论文首先介绍了集成电路虚拟制造技术的发展，并介绍了集成电路制造 工艺仿真系统t s u p r e m 4 和半导体器件物理特性仿真系统m e d i c i 。在此基 础上，讨论了集成了t s u p r e m 一4 系统和m e d i c i 系统的集成电路t c a d 一体 化仿真与优化系统t a u r u sw o r k b e n c h ；接着根据亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺的小尺寸效应，探讨了亚微米c m o s 结构的n m o s 器件的工艺流程和器 件结构的特点；采用t s u p r e m 4 系统和m e d i c i 系统联机仿真的方式，重点 探讨和分析了采用l d d 结构对抑制亚微米n m o s 器件的小尺寸效应一热载流 子效应( h c e ) 的效果：最后根据前面的理论剖析和实验的分析，在t a u r u s w o r k b e n c h 集成电路虚拟制造系统下对亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺中的 抑制小尺寸效应的关键工艺参数进行了优化，最终得到了优化后的亚微米 c m o s 结构的n m o s 工艺中的抑制小尺寸效应的关键工艺参数和可制造性优 化的关键工艺参数的取值范围 论文的各章安排如下： 第一章引言 第二章集成电路虚拟制造技术 第三章t a u r u sw o r k b e n c h 集成电路虚拟制造系统 第四章亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺与结构特点 第五章l d d 结构抑制热载流予效应的实验分析 第六章亚微米c m o s 结构的n m o s 工艺的设计与优化 第七章结束语 4 山东大学硕士学位论文 m l l l l 第二章集成电路虚拟制造技术 2 1 集成电路虚拟制造技术8 ，一7 】 微电子技术在技术驱动和市场驱动的双重作用下，基本上遵循了摩尔定 律的发展，即每隔三年集成度增加4 倍，特征尺寸缩小2 倍。芯片的集成密 度日益增加，硅晶片尺寸从6 英时、8 英时到1 2 英时，还可能进一步增大， 同时集成电路的特征尺寸不断缩小，从o 3 5 t m 、0 2 5 i t m 、0 1 8 “m 到0 ，1 3 9 m ， 还将进一步缩小到01 m 以下，甚至更小。以典型的超大规模d r a m 所采用 的0 1 8um 工艺技术为例，其工艺流程包含上百道制造工序，每一道工序过 程的诸多工艺条件都会对电路的性能产生直接的影响。集成电路的特征尺寸 的不断缩小，使芯片的集成度越来越高，由此引发的一系列工艺技术障碍、 设计能力障碍和测试技术障碍也越发突出所亟待解决的各种工艺问题、器 件物理问题及设计问题不断出现。因此，使用传统的反复实验的方法进行工 艺过程和工艺条件的优化己不再可能。因此新工艺、新结构器件和新功能电 路的开发研制必须借助于计算机辅助手段，实现从工艺、器件到电路的全面 仿真，在计算机上建立虚拟工厂( v i r t u a lf a b ) ，整体地研究集成电路制造过 程中各个方面对最终电路或系统性能的影响，有效地指导工艺设计、器件设 计及电路设计。集成电路产业与众多传统产业的最大差别是产品的更新周期 短，这就要求采用先进的集成电路产品设计与制造手段，缩短集成电路产品 的研发周期，从而加快新产品的面市时间( t i m et om a r k e t ) 。集成电路虚拟制 造技术应运而生。 集成电路虚拟制造技术是微电子技术和计算机技术结合的产物。集成电 路虚拟制造技术是指不经实际生产的过程，而以实际制造过程为依据建立起 相应的数学物理模型，把制造工艺过程的仿真、器件物理特性的计算机分析 和电路性能的分析以及寄生参数的提取等集成在一体化仿真环境下。以离散 的方法来处理连续数学的问题，借助计算机仿真技术进行集成电路制造工艺 的在线仿真及后工艺分析，并综合器件特性和电路性能的要求，考虑性能、 成本、产量等因素，对其制造过程进行评估，从而获得与工艺条件密切相关 的集成电路制造模型。根据设计要求进行优化。确定出最佳制造工艺参数方 案和可制造性的工艺参数取值范围。图2 1 所示为传统的集成电路制造过程和 山东大学硕士学位论文 虚拟的集成电路制造系统确定最佳工艺条件的对比。 实际集成电路的制造模式虚拟集成电路制造模式 图2 1 实际与虚拟集成电路制造工艺优化方式的比较 由上述描述可见，采用集成电路虚拟制造技术，可以整体的研究集成电 路制造的各个方面对最终电路或系统性能的影响，有效地指导工艺方案的设 计、器件特性的分析及电路性能的设计；可以有效解决可制造性设计问题， 保证在有工艺干扰的情况下实现最大的成品率；为提高成品率提供了可行的 途径，并能大幅度降低研发成本，缩短研发周期，其经济价值是不言而喻的。 集成电路工艺仿真是在给定器件结构、工艺步骤和工艺参数的条件下实 施数值求解，得到集成集成电路制造工艺过程中众多的工艺数据及结构参数， 以便在流片之前为设计者提供有价值的参考数据。集成电路工艺仿真已成为 半导体器件和集成电路工艺设计不可缺少的重要手段。集成电路工艺仿真为 工艺工程师完成集成电路的设计优化提供了重要的工具。 t s u p r e m 4 集成电路制造工艺仿真系统是基于深亚微米层次、适用于小 尺寸超大规模集成电路工艺仿真的系统，被广泛地应用于集成电路设计，特 别是集成电路的物理验证和工艺层次的设计领域。应用t s u p r e m 一4 集成电路 制造工艺仿真系统对分析、监控和抑制深亚微米缴器件的小尺寸效应是十分 6 山东大学硕士学位论文 必要的。 半导体器件物理特性的计算机仿真是在给定的材料成分、物理结构和掺 杂分布条件下，通过半导体器件物理特性仿真程序直接求解半导体器件的基 本方程，得到器件结构中静电势、电子浓度、空穴浓度与空间及时间的关系， 并在此基础上获得不同偏压条件和不同时间条件下器件的伏安特性和各种器 件参数。还可以将工艺仿真和器件仿真结合起来，可把工艺仿真所求得的半 导体内部的杂质分布直接送入器件仿真程序，使器件仿真的效率大为提高。 并能直接研究工艺条件、工艺参数对器件性能的影响。对器件性能的研究、 参数的确定，可以在器件的实际制造以前全面展开，这就大大地推动了器件 的改进和新器件的研制。 m e d i c i 是二维深亚微米半导体器件物理特性仿真系统，是集成电路工艺 和器件结构自动化设计的基础。由于集成电路发展到了深亚微米的小尺寸阶 段，在大尺寸器件中可以忽略的效应在此不能忽略，m e d i c i 提供了大量的物 理模型来仿真小尺寸效应，因此m e d i c i 的物理模型比前几代版本复杂的多。 该系统较维半导体器件物理特性仿真系统有着显著的改进，它除具有常规 半导体器件物理特性分析基本功能外，最突出的地方是能够模拟深亚微米器 件和各类异质结器件。应用m e d i c i 仿真系统可以大大缩短设计周期，优化设 计方案，节约设计成本。 2 2 集成电路工艺仿真系统t s u p r m e 一4 t 9 1 1 6 ，18 】 2 - 2 1 超大规模集成电路平面工艺仿真系统t s u p r e m 4 简介 t s u p r e m 一4 是当前最新一代的超大规模集成电路工艺仿真系统，适用 于深亚微米层次的二维集成电路工艺仿真。t s u p r e m 4 在常规工艺模型的 基础上，收入了众多小尺寸效应模型。通过二维数值运算，可描述深亚微米 特征尺寸条件下的诸多二级效应，描述小尺寸效应中的载流子迁移行为。所 有这些，为进一步在半导体器件物理特性仿真系统中定量地解析若干深亚微 米特征效应是必须的。例如，深亚微米级c m o s 器件结构下出现的短沟道 ( s c e ) 效应、势垒下降( d i b l ) 效应、热载流子( h c e ) 效应、漏极漏电 ( g i d l ) 效应、二维量子化( 2 d q m ) 效应等等。 t s u p r e m 4 集成电路工艺仿真系统可仿真半导体晶片内的二维剖面结 构。以硅平面工艺过程中的刻蚀步骤为例，二维仿真要实现定域的选择性刻 山东大学硕士学位论文 蚀描述，考虑到刻蚀行为的二维效应。显然，若在工艺结构过程中不能模拟 出实际的横向结构特征来，随后的器件物理特性仿真则无从做起。恰恰是器 件特征尺寸的缩小才使得诸多横向效应不可忽略。 t s u p r e m 一4 集成电路工艺仿真系统可完成的主要功能如下：( 1 ) 单极性 m o s 类器件和双极性器件结构平面工艺过程的仿真，用于实现工艺结构参数 的提取与验证。可实现二维工艺仿真的工序包括：离子注入过程；选择性定 域刻蚀；常规热扩散或热驱动( 高温热氧化、再分布过程) ；外延生长过程及 其自掺杂效应；各种硅化物的汽相淀积过程。( 2 ) t s u p r e m 4 收入的非本征 态杂质迁移模型为研究杂质瞬态增强扩散( t e d ) 效应、氧化增强扩散( o e d ) 效应、掺杂剂界面间隙结团和陷阱效应所造成的损耗( d o s e l o s s ) 效应提供 了精确的模型平台。( 3 ) t s u p r e m 4 仿真系统可进行非均匀定域氧化的定量 分析以及氧化层错沉积行为的模拟。( 4 ) t s u p r e m 4 可以模拟器件若干结构 形式下的电特性参数，如：薄层扩散电阻、闽值电压、c ，v 特性曲线等。( 5 ) t s u p r e m 4 仿真系统设置了可与m e d i c i 、d a v i n c i 、t a u r u s d e v i c e 等半导体 器件物理特性仿真系统进行数据接口的功能，可方便地进行两个仿真系统的 数据传递或联机仿真。 2 2 2t s u p r m e 4 的小尺寸工艺仿真模型 t s u p r e m 一4 涵盖了深亚微米小尺寸效应的行为，这是有效地描述小尺寸 半导体器件所必须考虑的问题。例如：侧向腐蚀所造成的边沿鸟嘴刻蚀形态， 这就需要引入腐蚀的各向异性数据模型及侧向腐蚀效应：在体内的杂质迁移、 扩散过程的描述方面，t s u p r e m 4 重点扩充了与杂质属性密切相关的离子激 活效应、二维分凝效应、点缺陷界面复合效应。在深亚微米层次下实施高能 离子的注入及退火行为，t s u p r e m 一4 将杂质元素的迁移分解为间隙运动方式 及替位运动方式两类扩散模式。这样，常规的一维扩散流量连续性方程变为 以下二维扩散流量方程，其扩散流量方程的通式如式2 - 1 所示： o ，1 一 + 熹= 一v ( ，。+ j 。) 式2 - 1 式2 1 中：c 是模拟位置点的杂质化学浓度；r 是当前扩散状态下的绝对温度 值；v 是浓度梯度算子： 7 与7 分别表示间隙方式及替位方式两类迁移模 式的面密度通量。 8 山东大学硕士学位论文 。声c c 。詈卜引c 。詈，而q e ， 龀_ 2 mm j 。n = - - 眈【亨( c 。之n ) - z 一( c 。n 坐k t 式2 - 3 j 式2 2 和式2 3 为，和，的表达式。上两式中：d 。是杂质间隙机制下的扩 f 散系数；d 。是杂质替位机制下的扩散系数：z 。是杂质离子电量；q 是电子电 荷电量：k 是波尔兹曼常数；c 。是动态杂质浓度。m m * 和n n * 则反映了非 平衡条件下体内热缺陷对两种扩散机制的影响程度，被定义为热缺陷扩散增 强因子。问题极为复杂的是，诸多参数均与杂质属性、扩散温度、掺杂的动 态浓度变化、自建电场强度、晶体取向等因素相关。d 。和d 。又分别具有一系 列分量描述。t s u p r e m 一4 基于二维平面模拟，使用户可以定义定域的氧化介 质形成过程及区域结构；可以模拟多晶硅含氧介质的结构变化过程和含氮氧 化物介质的形成，从而使精确模拟非平面节制结构和多晶硅含氧的介质结构 成为可能，这正是对当代c m o s 介质隔离工艺的仿真而设置的。 t s u p r e m 一4 扩展了一项新的模拟功能为模拟硅化过程。其硅化模型中包 括了含锑硅化物的淀积、含钨硅化物的硅化过程模拟。 t s u p r e m - 4 可对杂质离子的注入过程实现剖面分布的面分句描述；可对 离子注入过程中因与晶体内原子碰撞而造成的损伤程度进行仿真；可实施多 层结构靶的注入模拟。 t s u p r e m 一4 扩充了外延生长过程的体内杂质补偿效应模型和外延生长 过程中的杂质反扩散效应模型。 2 3半导体器件物理特性仿真系统m e d i c i 9 ，1 7 , 担2 0 】 2 3 1m e d i c i 的主要仿真功能 二维深亚微米半导体器件物理特性仿真系统m e d