（材料物理与化学专业论文）半导体工艺和器件模拟在vlsi中的应用.pdf

半导体工艺和器件模拟在v l s i 中的应用摘要 半导体工艺和器件模拟在v l s i 中的应用 摘要：随着i c 技术发展至今，新工艺和新型器件的开发对工艺模拟和器件模拟 提出越来越高的要求。工艺模拟是在计算机的帮助下，运用数学模型对具体工艺 进行模拟的过程。器件模拟则是通过使用工艺模拟得出的杂质分布结果及施加一 定的偏压，对所制造的器件的电学性质进行分析和研究。由于超大规模集成电路 中的硅器件变得越来越复杂，所以仅仅通过试验来优化工艺程序变得极为昂贵。 通过工艺和器件的模拟则能大幅的减少开发新工艺的费用，同时缩短新工艺的开 发周期；同时能通过模拟不断改进器件的结构，设计新型的高性能器件。本文的 工作主要围绕以下两个方面进行。 1 ) 模拟和验证了一种低成本的，以标准c m o s 工艺为基础，无需对原工艺 流程进行改动的高压工艺技术。讨论了低压器件中的各种击穿机理，相应提出了 高压器件中所做出的改进，列举了该工艺技术中所用到的特殊版图；对此工艺的 应用性进行了二维的工艺和器件模拟；将模拟结果与实际测试结果进行了比较， 验证了这种高压工艺技术的实用性。 2 ) 为了给出双层多晶硅浮栅薄氧化层( f l o t o x ) e e p r o m 存储管的工 艺参数评价，在研究e e p r o m 电学模型的基础上，模拟分析了阈值电压变化与 写入时间、写入电压、隧道孔面积、浮栅面积的关系。根据模拟结果，采用 0 6 , u m c m o s 工艺，对双层多晶硅f l o t o xe e p r o m 进行了流片p c m 的测试 结果验证了模拟结果在实际工艺中的可行性。因此，模拟得出的工艺参数评价为 制造高性能的存储单元打下了坚实的基础。 根据上海先进半导体制造有限公司的生产实际要求，通过工艺模拟和器件模 拟手段对高压c m o s 管和e e p r o m 存储管作深入研究，实现了对新器件的开发 和设计的事前评估。 关键词：工艺模拟：器件模拟；s v x 工艺技术：拐角击穿；场板；轻掺杂漏区 f l o t o xe e p r o m ；阈值电压：写入；隧道氧化层； 半导体工艺和器件模拟在v l s i 中的应用a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t hi ct e c h n o l o g yd e v e l o p i n gi n t od e e pm i c r o ns c a l e ，t h ei n n o v a t i o no f n e w t e c h n o l o g ya n dn e w d e v i c es e e m st ob em o r e i m p o r t a n t p r o c e s ss i m u l a t i o ni sa n a c t i v i t yo fc a r r y i n go u tp r o c e s s i n ge x p e r i m e n t sw i t ht h ea i do fac o m p u t e r , u s i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l s u s i n gt h ed o p i n gp r o f i l e sp r o d u c e db yp r o c e s ss i m u l a t o r sa n d a p p l y i n gb i a s ，d e v i c es i m u l a t o rc a np r e d i c tt h ee l e c t r o n i cb e h a v i o ro ft h ef a b r i c a t e d d e v i c e s s i l i c o nv l s id e v i c e sh a v eb e c a m es o c o m p l i c a t e d t h a ti tw o u l db e p r o h i b i t i v e l ye x p e n s i v e t o o p t i m i z ep r o c e s ss e q u e n c e sb ym e a n so fe x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e sa l o n e p r o c e s sa n dd e v i c es i m u l a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ec o s ta n d t h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fan e w t e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h es i m u l a t o r , n e w h i g hp e r f o r m a n c ed e v i c e sw i l lb ed e s i g n e db yi m p r o v i n gd e v i c es t r u c t u r e t h e w o r ki sd o n em a i n l ya r o u n dt h ef o l l o w i n gt w o p r o j e c t s ： 1 ) ac o s t e f f e c t i v eh i g h - v o l t a g et e c h n i q u eu s i n gac m o sb a s i st oe x t e n dt h e o p e r a t i n gv o l t a g ew i t h o u tr e q u i r i n ga n ym o d i f i c a t i o no f t h ep r o c e s ss t e p si ss i m u l a t e d a n dv e r i f i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ed i f f e r e n tb r e a k d o w nm e c h a n i s m st h a tc a nt a k e p l a c ei na l vt r a n s i s t o rw h e no n eo fi t st e r m i n a l si sp u s h e db e y o n dt h ev o l t a g el i m i t s e t b y t h e t e c h n o l o g y a r ed i s c u s s e d t h e nt h e a c c o r d i n gr e q u i r e dt e c h n o l o g i c a l a d d i t i o n so rm o d i f i c a t i o n p e r f o r m e di n t h eh vd e v i c e sa n ds p e c i a l l a y o u t r u l e s a d o p t e di nt h i st e c h n i q u ea r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , t h ea p p l i c a b i l i t yo f t h et e c h n i q u e a r es i m u l a t e db yt h et w o d i m e n s i o n a l p r o c e s s a n dd e v i c es i m u l a t o r a tl a s t ，t h e s i m u l a t e dv a l u e sa r e c o m p a r e dw i t ht h e m e a s u r e do n e s ，w h i c hs h o w st h a tt h i s h i g h v o l t a g et e c h n i q u e i sa p p l i c a b l e 2 、i no r d e rt oe v a l u a t et h ep r o c e s sp a r a m e t e r so ft w o p o l y s i l i c o nf l o t o x e e p r o m ，t h e e l e c t r i c a lm o d e lo fe e p r o mh a sb e e ni n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sp a p e r t h e n ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h r e s h o l dv o l t a g ea n dw r i t i n gt i m e ，p r o g r a m m i n gv o l t a g e ， t u n n e la r e aa n df l o a t i n ga r e ah a sb e e ns i m u l a t e d b a s e do nt h es i m u l a t i n gr e s u l t sa n d 0 6 a nc m o sp r o c e s st e c h n o l o g y , t h et w o - p o l y s i l i c o nf l o t o x e e p r o mh a sb e e n f a b r i c a t e d f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i n gr e s u l t s h a sb e e nv e r i f i e db yp c m t e s t i n gr e s u l t s t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s s e v a l u a t i o no ff l o t o xe e p r o mw i l lb e g r o u n d w o r k f o rm a n u f a c t u r i n g h i g hq u a l i t ym e m o r y c e l l ， a c c o r d i n g t ot h em a n u f a c t u r i n gn e e do fa s m ci ns h a n g h a i ，h i 曲v o l t a g e c m o sa n de e p r o mm e m o r yh a v eb e es t u d i e dd e e p l yb yt h eu s eo ft e c h n o l o g ya n d d e v i c es i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p l a y a g r e a t r o l ei n e v a l u a t i n g t h e d e v e l o p m e n t a n d d e s i g no f n e wd e v i c e s 2 半导体工艺和器件模拟在v l s i 中的应用 k e y w o r d s ：p r o c e s s s i m u l a t i o n ，d e v i c es i m u l a t i o n ，s v xt e c h n i q u e ，c o m e r b r e a k d o w n ，f i e l d p l a t e ，l i g h t l yd o p e dd r a i n ，f l o t o xe e p r o m ，t h r e s h o l dv o l t a g e w r i t i n g ，t u n n e l i n go x i d e 3 第一章前言 第一章前言： 从远古的石器时代、青铜时代、铁器时代到今天的“硅石”时代，人类经济 的发展经历了多次重大的飞跃，而每一个经济时代的特征都与器具的使用紧密相 连。从1 9 6 8 年开始，晶体管的发明拉开了信息时代的帷幕。当前，世界g n p 增 值的6 5 与微电子技术有关。微电子产业也成为促进国民经济持续发展和保证 国家安全的战略基础产业。2 1 世纪将是微电子技术与产业持续发展的新世纪【l 】。 过去二十年以来，半导体工艺遵循着摩尔定律以惊人的速度持续发展。随着 c m o s 的工艺尺寸缩4 , n 深亚微米，芯片的速度、密度和功能不断提高，同时工 艺的复杂性和成本也在增加。到2 0 0 2 年，每个芯片上的器件集成度已经达到了 3 3 0 m 元件芯片， 最小特征线宽为0 1 3 k t r n 工作频率为2 1 0 0 m h z 的产品已经 大量生产，2 0 0 5 年将向0 ，1 0 t m 发展【2 】。可见，器件尺寸的不断缩小给工艺工程 师提出了巨大的挑战：在尽可能短的时间内改进工艺，使之很好的解决新的工艺 问题。但是，通过实际流片和测试来开发调试新工艺不仅需要花费大量的时间， 而且大大的提高了生产成本。所以，必须找出一种新的方法来辅助工艺开发。工 艺和器件的计算机模拟通过模型的建立和参数的提取，能够快速，准确的验证工 艺的可行性，得到了广泛的应用。 工艺模拟是在计算机的帮助下，运用数学模型对具体工艺进行模拟的过程。 具体的说，工艺模型包括用于描写杂质分布，氧化层生长及刻蚀等工艺的物理 方程。如果模型能够精确的反映试验结果，那么通过模拟得出的数据将和试验结 果相一致。在过去的几年中，工艺模拟器如s u p r e m 等得到了广泛的应用。工 艺模拟器作为模拟工具阶梯的第一个层次，包含了每一个工艺步骤。通过设定工 艺的次序和每一步的工艺环境，能够对整套工艺进行模拟分析。工艺模拟的结果 包括：各个层次的掺杂分布图和器件结构的截面图。由于超大规模集成电路中的 硅器件变得越来越复杂，所以仅仅通过试验来优化工艺程序变得极为昂贵，工艺 模拟能大幅的减少开发新工艺的费用。另外，工艺模拟工具的使用还有以下好处： 缩短新工艺的开发周期。如果没有工艺模拟的帮助，亚微米器件的工艺开发 至少需要一年。 工艺模拟可以用于分析一些不易分析的效应，如杂质的横向分布，耗尽区的 位置，碰撞离化及穿通的位置等。 工艺模拟可以分析在器件设计中需考虑的工艺因素。 工艺模拟器能精确的模拟许多单独的工艺过程。但是，在集成电路生产中 第一章前言 还有很多的物理过程没有被完全理解。另外，工艺模型通常必须被简化以在合理 的时问内完成模拟计算。当模拟一套工艺时，每一步工艺出于简化近似而导致的 微小误差被叠加，使得最终预测的杂质分布结果有着很大的误差。因此，计算机 模拟应该被看作是一个有用的指导，而不是实际工艺流程的完美反映。虽然工艺 模拟有着种种不足，只要加以正确使用，它还是能给出比较准确的数值结果。 通过使用工艺模拟得出的杂质分布结果及施加一定的偏压，器件模拟器能够 对所制造的器件的电学性质进行分析。器件模拟的结果是器件所在区域的电势和 自由载流子浓度的分布情况。利用这些数据和电流方程，可以计算处具体的电流 大小，从而实现对器件的电学特性的研究。下表给出了计算机模拟在i c 制造中 的主要应用 引。 半导体工艺 硅衬底、二氧化硅、多晶硅和硅化物中的掺杂分布 结的深度 不同工艺层次的尺寸 硅片表面的形貌 光刻的形貌 器件的截面图 器件特征参数提取 等压线和电场强度的分布 载流子的浓度 电流的路径 薄层电阻率 i v 特性曲线 亚阈值漏电流，衬底电流，栅电流等 热载流子效应 作者在对高压c m o s 管新工艺的开发及f l o t o xe e p r o m 工艺参数的提取 研究中，使用的是工艺模拟软件a t h e n a 和器件模拟软件a t l a s 。在上海先进 半导体制造有限公司的o 6 , u m c m o s 工艺的基础上，这两个软件准确的模拟了 整个工艺流程，如实的反映了器件特性，为以上两个工艺项目的开发调试提供了 良好的衡量标准。具体介绍如下： 第一章前言 1 ) a t h e n a 是一种多用途的先进的二维半导体工艺模拟器。它能对半导体 工艺过程进行二维数值模拟和物理分析，主要包括四种模拟工具：s s u p r e m 4 用 于模拟硅工艺中的离子注入，扩散，氧化和硅化过程；f l a s h 用于模拟复合半导 体材料如g a a s 和s i g e 的注入和扩散等过程；e l i t e 用于二维形貌的模拟，可以 精确反映掺杂，刻蚀和回流等过程；o p t o l i t h 用于光刻的模拟研究。下图是对 a t h e n a 的主要模拟功能的一个直观的描述。 2 ) a t l a s 是一种多用途的先进的半导体器件模拟器，它可以提供一维，二 维和三维的器件模拟。通过解耦合的描述器件物理性质的非线性偏微分方程组， 给出特定结构和偏压条件下器件的电学参数。a t l a s 家族几乎能模拟今天所有 的半导体器件。s s p i s c e s 和b l a z e 是其中的两种主要模拟工具。s - s p i s c e s 用于硅 器件的模拟，而b l a z e 则用于复合半导体及异质结器件的模拟。g i g a ，m i x e d m o d e ， e s d ，t f t ，l u m i n o u s 和l a s e r 主要是对s - s p i s c e s 和b l a z e 模拟器在特定方面 的功能起到辅助作用：g i g a 用于模拟计算各向异性的热过程；m i x e d m o d e 提供 了线路级别的模拟功能：e s d 用于模拟静电泄漏；t f t 用于模拟多晶和无定形 第一章前言 半导体材料器件；l u m i n o u s 主要用于模拟光电器件；l a s e r 用于模拟半导体激 光器件。下图是a t l a s 模拟器功能的一个总结。 a p p l i c a t i o n sg u i d e a t l a s 通常与工艺模拟软件a t h e n a 连用。a t h e n a 可预测得从设定的工 艺步骤所得到的器件物理结构，而器件的物理结构则作为a t l a s 的输入，可用 于预测在特定偏压条件下的电学性质。a t l a s 软件产生三种输出：1 、模拟进程 的运行时间，可显示错误或警告提示。2 、记录文件，储存了器件分析的所有电 压和电流结果。3 、运行结果文件，储存了单个偏压引起的与不同结果有关的二 维和三维数据。可见，工艺和器件模拟具有比试验更快速和廉价，并可提供一些 难以实际测量的参数的优点。 本文的主要内容分为以下两个部分：根据先进半导体制造有限公司的生产实 际要求，用工艺和器件模拟器对高压c m o s 管新工艺进行了模拟验证，并且对 f l o t o xe e p r o m 的工艺参数作了前瞻性的研究。器件模型的正确选择对于模 拟结果有着很大的影响，本文研究所采用的器件模型是从基本半导体理论出发推 导的，是物理模型和经验模型的综合。这些模型考虑了当今m o s 超大规模集成 电路亚微米器件中发现的一些新的物理效应，能够很好的反映器件的实际特征。 具体的模型介绍见附录2 。 第一章前言 参考文献： 1 】( 奥地利) 艾罗拉( n a r o r a ) 著，“用于v l s i 模拟的小尺寸m o s 器件模型： 理论与实践”，北京：科学出版社，1 9 9 9 年 【2 】p e t e rm z e r z o i f , “c i r c u i t ，m o s f e t , a n df r o n te n dp r o c e s si n t e g r a t i o nt r e n d s a n d c h a l l e n g e s f o rt h e18 0n i na n db e l o wt e c h n o l o g yg e n e r a t i o n s ：a n i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o rp e r s p e c t i v e ”，1 c s l c t 一 2 0 0 1p r o c e e d i n g s ，v 0 1 ，p p 2 3 3 s t a n l e y w o l f , “s i l i c o n p r o c e s s i n g f o rt h ev l s ie r av o l u m e2 ：p r o c e s s i n t e g r a t i o n ”，l a t t i c ep r e s s ，s u n s e tb e a c h ，c a l i f o r n i a ，1 9 9 0 8 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 2 1 研究背景 2 1 1 高压m o s 管结构 近3 0 多年来，功率m o s 管技术随着在高压电路中的广泛应用，受到越来 越多的关注。完整的系统集成电路的输出级，以及一些作为驱动用的接口电路都 需要高压器件结构。这一类器件的发展主要是由于对功率双极型晶体管的基极驱 动电流和开关速度的需求而产生的。于是，同时满足电流和击穿电压大小要求的 功率m o s 管结构不断被开发，主要分为以下两类： 1 垂直型功率m o s 管结构( d m o s 和v m o s ) 。 这类结构通常能提供很高的开关速度和输入阻抗，但和双极型晶体管相比， 这两个优点通常被更高的单位面积导通电阻及生产成本所抵消：如图2 1 1 所示， 由于垂直型m o s 没有隔离结构，所以它们不适于器件的集成，通常作为单个分 立的器件。 d m o ss t r u c t u r 正v m o ss t r u c t u r e 图2 1 1 垂直型功率m o s 管结构 f i g u r e2 1 i v e r t i c a lp o w e rm o s f e ts t r u c t u r e s 2 横向型d m o s 结构( l d m o s ) 。 横向型功率m o s 器件是利用轻掺杂漂移区，使得l d m o s 晶体管具有较高 耐压。其优点在于所有电极均位于芯片表面，易于通过内部连接实现与低压信号 电路及其它器件的相互集成，并且驱动电路简单，所以成为功率集成电路中普遍 采用的基本单元。由于l d m o s 具有理想的开关特性和良好的安全工作区，目前 广泛应用于高频高压和低电流的功率集成电路中。 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 2 1 2l d m o s 的集成工艺 随着微电子技术的发展以及对系统可靠性要求的提高，很迫切地要求具有低 压控制逻辑部分和高压输出相兼容的单片集成电路，这类电路统称为功率集成电 路，即高低压兼容电路。 将高压器件和低压器件集成于同一个电路中的通常做法是使用高压器件工 艺与低压器件工艺的集成，这需要增加大量的工艺步骤并导致生产成本的增加； 另一种解决方法是调整现有的低压c m o s 工艺，以适应生产含高压器件的集成 电路，这样一般需要添加至少2 块附加掩膜版和2 道注入工序，增加了工艺控制 难度和芯片制造成本。 作者在s v x ( s m a r t v o l t a g ee x t e n s i o n ) 技术的基础上，采用一种低成本的 实现耐高压的方法。用同样标准的低压c m o s 技术，在不对工艺步骤做改动的 前提下，将导电沟道从漏极附近扩展到轻掺杂缓冲区，实现高的击穿电压。采用 该技术，高压器件部分只需要增加一些特殊的版图结构尺寸和模型，现有的标准 低压设计单元可被重复使用。和功率集成电路及高压集成电路中所采用的工艺相 比，该工艺具有能同时保持阈值电压不变并获得更高的电流增益的优点。 本章在比较分析几种常见的器件击穿机理的基础上，研究了s v x 高压管耐 高压的理论基础，并且用计算机模拟及p c m 测试验证了s v x 技术在实际生产中 的可行性。 2 2 器件的击穿机理 2 2 1 雪崩击穿 考虑一个反向偏置的p n 结，随着反向电压的增加，耗尽区内的电场强度也 随之增加。当电场达到临界电场时，若反向电压再增加，会使电流急剧增加，此 时就发生了雪崩击穿。击穿是由载流子引起的，耗尽层内的高电场将加速任何进 入该区域的电子或空穴。高能量的电子通过碰撞离化产生第二个电子空穴对，当 碰撞倍增因子达到无穷大时，雪崩击穿就发生了，相对应的击穿电压称之为雪崩 击穿电压1 2 l 。反向偏置的p n 结的雪崩击穿主要包括发生在扩散结底部( n + ) 与 衬底( p ) 之间的平行板击穿，扩散结边缘处( 突变结) 的柱面击穿和扩散结拐 角处( 突变结) 的球面击穿。 2 2 1 1 平行板击穿 先以n m o s 为例考虑平行板击穿：击穿电压为b 炸p 。采用突变结近似，解 泊松方程可得雪崩击穿时在x = 矿处( w 为耗尽层展宽) 的击穿电压为 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 罂一d e 一绁：盟 ( 2 _ 1 ) 出d x s 占， 其中，q 为耗尽层电荷总量。由( 2 - 1 ) 式可得， 1 1 1 8 xl o 。【盟( 。一x ) 】，a k ：l ( 2 2 ) jo ， 解得雪崩击穿时的耗尽层展宽为：= 2 ，6 7 1 0 ”n 。一7 ”；在x 2w 处的击穿 电压为： b = 5 3 4 x 1 0 ”n a 。“ ，a 为p 衬底浓度，通常为1 0 1 6a m 。3 ( 取平均值) ，所以，b 诈p 为5 3 _ 4 v 左右。击 穿时的最大场强发生在x = 0 处，为e c - p p = 4 0 1 0 n “8 。 2 2 1 2 扩散结边缘击穿 考虑扩散结边缘处的柱面击穿：击穿电压为b k y 。由于扩散结一般是由离子 注入后的高温推进( d r i v ei n ) 步骤扩散形成的，所以在横向扩散和纵向扩散的 作用下，扩散结边缘处形成曲面。因为在扩散结面弯曲处会形成空问电荷的集中， 于是扩散结曲面的雪崩击穿电压小于前面讨论的漏结底部平行板击穿电压。假设 横向扩散长度等于纵向扩散深度，则扩散结的边缘可以近似为一个圆柱面【引，曲 率半径为r j ，耗尽层弯曲面曲率半径为柏，如图2 2 1 所示【4 l 。 图2 2 1n + p 结的耗尽层轮廓截面图 f i g u r e2 2 1 c r o s ss e c t i o no ft h en + pj u n c t i o nc o n t o u r 假设扩散结是突变结，解柱坐标的泊松方程【5 l ： 得 知d 咖r ) = 一l 詈r ( r e ) = 百q n a 睁s ， 即，= 警c 竿， ( 2 4 ) 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 附，= 瓦q n ac c 孚22 h 2 呱 ( 2 5 ) 设碰撞离化过程主要发生在结面处，则式( 2 - 4 ) 可近似为【5 】： e ( r ) ：一k ( 2 6 ) 那么，扩散结边缘击穿与平行板击穿时的场强和电压的大小比例关系分别为 等= c 等7 ， ( 2 8 ) 其中，e c c y l 和e c ，p p 分别为扩散结边缘击穿和平行板击穿时的最大电场强度， b v c y l 和b v v p 分别为扩散结边缘击穿电压和平行板击穿电压，p p 和为漏 结底部平行板的耗尽层宽度。 根据( 2 8 ) 式把标准化击穿电压b y l b 炸p 与标准化曲率1 t p p 的关系描绘 成曲线1 4 1 ，如图2 2 2 所示。 j ，_ _ 一， ，一， 图2 2 2 标准化击穿电压( b v m b v ”) 一标准化曲率( r i w , m ) 关系幽 f i g u r e2 2 2n o r m a l i z e db r e a k d o w nv o l t a g eo fc y l i n d l i c a la saf u n c t i o no fn o r m a l i z e d r a d i u so fc u r v a t u r e 可见，扩散结边缘击穿电压总是小于平板击穿电压，因此，在同样的衬底掺 杂条件( 取1 0 ”c m - 3 ) 下，扩散结边缘最大的击穿电压小于3 7 v ( b 比y l b 饰p ， ， j ，、 、 。h a 巾c a 罩v 币，b v pi ) ， 一一 一 一 - d 一 图2 2 3 标准化击穿电压( b v s p b v 一b v c v 。b v n ) 一标准化曲率( r 。帆一) 关系图 f i g u r e2 2 3n o r m a l i z e db r e a k d o w nv o l t a g eo fc y l i n d r i c a la n ds p h e r i c a lj u n c t i o na saf u n c t i o n o f n o r m a l i z e dr a d i u so f c u r v a t u r e 从图中可见，扩散结拐角击穿电压是边缘击穿电压的1 2 左右。因此，在同样的 衬底掺杂条件( 取1 0 1 6c m 。3 ) 下，扩散结拐角最大的击穿电压小于1 8 v 。所以， 应尽量避免器件中的拐角击穿电压。通常可通过调节掺杂分布，使得扩散结拐角 处变得更加圆滑，加大扩散半径。 2 2 2 漏源穿通电压p 衍【6 l 当漏极电压。增大时，漏结耗尽区扩展，使沟道有效长度缩短a 沟道表面 漏结耗尽区的宽度k 为 l s = ( 2 一1 5 ) 上式说明厶随。的增加而增大。当k 扩展到等于沟道长度l 时，漏结耗尽区 扩展到源极，这便发生漏源之间的直接穿通。此时，源端势垒降低，从源区注入 沟道的电子增加。通常称该过程为漏致势垒降低效应，简称为d i b l 。穿通电压 由下式确定： ：些+ ( 一巧) ( 2 - 1 6 ) z 占s o 当n a = 1 0 1 6c m 一，l = 4 n m 时，漏源穿通电压炸r = 1 2 4v ，远大于漏结雪崩击穿 电压。在高压m o s 管中，漏源电压较高，所以需考虑漏致势垒降低( d i b l ) 效 应对器件耐压性能的影响。 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 d i b l 的概念是由t r o u t m a n 提出的【7 】，用于判断在s i 和s i 0 2 界面上，源和 沟道之间势垒的变化。这个变化主要是由于漏结耗尽层内的电荷及栅极处的电荷 所引起的。解基于d i b l 模型的二维准近似泊松方程【8 】，当( p ：( o ) = v 。， s i n h ( y )s i i l l l ( 兰) ( p ，( y ) = p 文+ ( + 。一矿晶) 一+ ( k i v o n ) ( 2 - 1 7 ) s i n h ( 等) s i n h ( 等) ，占。为硅的介电常数，。为氧化层的介电常数。 图2 2 4 不同沟道长度和漏电压的表面势垒分布图 f i g u r e2 2 4s u r f a c ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nf o rd i f f e r e n tc h a n n e ll e n g t h sa n dd r a i n v o l t a g e ( t 。x = 1 0 n m ，n a = 1 0 1 6 c m - 3 , n j = 1 0 2 0 c m 4 ) otcthlb芒h 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 如图2 2 4 所示【“，当沟道长度减小或漏源电压增加时，源漏之间的导电沟 道表面势增加，于是就减缓了漏源之间的势垒高度变化，从而容易导致漏源之间 的穿通。 2 2 3 栅氧的击穿 当栅极上的电压超过一定限度时，薄氧层也会发生击穿。如果氧化层中没有 缺陷，理想情况下，标准c m o s 工艺中薄氧层能承受高达1 2m v c m 的电场， 由于薄氧层的厚度约为5 0n l n ，所以栅氧的击穿电压为6 0 0v 。但在栅和漏极承 受高压时，产生的热电子注入薄氧，并在栅电场作用下漂移至栅极，引起热电子 效应，并产生电荷陷阱而导致氧化层失效，因此在版图和工艺设计中需加以考虑 优化。一般而言，由于此类缺陷引起的击穿电场为3 7m v c m ，所以当薄氧层 厚度为5 0 i l m 时，栅氧的击穿电压为1 5 0 一2 1 0 v ，远远高于前两类击穿电压。 2 2 4 以上几种击穿电压值的比较分析 假设m o s 管的衬底浓度为1 0 1 6c m 一，沟道长度为4 a n ，栅氧层厚度为5 0 h m 则不同的击穿机制所对应的击穿电压如下表所示： 击穿机制击穿电压( v ) 扩散结底部雪崩击穿 5 3 4 扩散结边缘处雪崩击穿 3 7 扩散结拐角处雪崩击穿 o v ，因此表面耗尽层的扩展和电力线的分布如图2 3 3 所示。 图2 3 3 场板下方的耗尽层电力线分布图 f i g u r e2 3 ，2e l e c t r i cl i n e su n d e rt h ef i e l d - p l a t e 耗尽层拐角表面处的场强可表示为e ，= 参+ 乏兹：，式中是耗尽 层在p 衬底中的纵向展宽，k 是结内的反偏电压，是场板上的电压。 设当最。r - 鼠时发生表面击穿，则击穿电压为 一豸 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 一棚三x ， 其中，。：j 一。 1 。型一 。矿 可见，表面击穿电压b v 的提高与场板电压几乎成线性关系，当氧化层厚度t o x 减小，或衬底掺杂浓度降低( 使得渺变大) ，击穿电压随之提高；当t o 、 肌即 m 。1 时，场板能十分有效控制表面击穿电压。 场板的引入虽然能有效控制扩散结拐角处的表面击穿，但是这样做的后果 是，电力线的集中区域从扩散结边缘a 转移到场板边缘b ，如图2 3 4 ( a ) 所示。 b 处的表面击穿电压取决于氧化层的厚度f o x 和场板下方的耗尽层纵向展宽粕。 根据c o n t i 等的分析一j ，当氧化层很薄时，在场板的边缘处会有很大的电场集中。 当勒t o 。大于1 2 时，在该处将发生雪崩击穿。 为了同时降低a 和b 处的电场集中，可采取如图2 3 ，4 ( b ) 所示的氧化层 结构：轻掺杂漏区上方的厚氧化层能提高场板边缘处的击穿电压，而扩散结上方 的薄氧化层又能使场板能有效控制扩散结拐角表面处的击穿。 ( a ) 平板型场氧( b ) 阶梯型场氧 图2 3 4 场板和场氧层引入后耗尽层的变化图 f i g u r e2 3 ，4p l a n a rd i f f u s e dj u n c t i o nw i t hf i e l d - p l a t e 2 4s v x 工艺技术 如图2 3 1 所示，扩展漏区的m o s 管包含了理想的轻掺杂漏区和场板 ( f i e l d p l a t e ) ，而在标准低压c m o s 工艺中并未明确包含这些层次，由于s v x 工艺要求保持低压c m o s 流程不变，所以必须对现有的版图尺寸进行调整，以 生产出所需的层次。与标准n 阱c m o s 工艺( 单阱工艺) 相比较，用s v x 技术 生产h v m o s 的工艺版图设计时需作以下考虑。 2 4 1 轻掺杂漏区 在h v m o s 中，轻掺杂漏区( n 一) 可以直接通过n 阱的磷注入实现，但必 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 须考虑n 阱侧向扩散对沟道有效长度的影响：而在h v p m o s 中就要复杂得多。 因为在n 阱工艺中，几乎没有专门的p 阱注入用于形成p 一，所以采用“p 型沟 道阻断注入”和“p t u b ”工艺来达到目的，这就必须对该工艺步骤的版图尺寸 进行调整，以形成p 注入掩膜版，如图2 4 1 所示，图上端m 2 6 和 抑表示该 步工艺所用的掩膜版。 h v p m o s 图2 4 1h v n m o s 和h v p m o s 中形成n t p 。所用的掩膜版 f i g u r e2 4 1t h e m a s k s ( m 2 6 & m 1 1 ) o f g e n e r a t i n g l h e l i g h t l yd o p e dd r a i n 2 4 2 场氧( l o c o s ) 的生长 由于场氧的生长是在高温下进行，导致“p 沟道阻断”层向n 阱扩展。于是， 沟道末端轻掺杂漏结的曲率半径随之减小，漏结处易于形成电力线的聚集，导致 雪崩击穿的发生。另外，由于“p t u b ”的横向扩展几乎等于纵向扩展，所以沟 道也会随之减小同样的长度。因此在版图尺寸设计中必须考虑到这一点。必须提 到的是，在h v c m o s 中，。( 沟道长度) 、三。( 轻掺杂漏区的长度) 、。( 栅极 在轻掺杂漏区中的长度) 等参数对管子的电学性质有很大的影响。所以，对这些 尺寸的设计必须兼顾考虑，在保证获得良好电学特性的同时，实现耐高压的性能。 2 5 模拟结果和讨论 模拟使用的是美国s i l v a l c o 公司推出的集成电路器件模拟的商用软件包 a t l a s 。它可用于对半导体器件进行基于器件物理的一维至三维的数值模拟。 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 a t l a s 通常与工艺模拟软件a t h e n a 连用。a t h e n a 可预测得从设定的工艺步 骤所得到的器件物理结构，而器件的物理结构作为a t l a s 的输入，可用于预测 在特定偏压条件下的电学性质。 2 5 1 掺杂浓度和器件结构的模拟 先用a t h e n a 软件模拟0 6 p ms v x 工艺，得到一个h v n m o s 的结构 ( c 2 0 0 h v p w b d s t r ) ，其净掺杂浓度分布如图2 5 1 所示。 图2 5 1h v n m o s 浓度分布截面图 f i g u r e2 5 in e td o p i n gp r o f i l eo f h v n m o s 然后在漏极上加上高压，用a t l a s 软件分析器件中的电场分布，找出最易 击穿的区域，并计算不同_ 下的气一曲线，得到击穿电压。以下为模拟所设 定的不同参数： 1 ) 模型参数( ”m o d e l sc v tc o n s r h i m p a c ts e l b ”) c v t ：用考虑横向电场，掺杂浓度和温度影响的c v t 模型计算载流子的迁移率 c o n s r h ：用载流子寿命与浓度有关的c o n c e n t r a t i o nd e p e n d e n t 模型计算载流子的 再复合率 i m p a c ts e l b ：用考虑温度影响的s i b e m l e r r 模型计算载流子受到撞击后的离子化率 2 ) 算法参数( “m e t h o dn e w t o nt r a pc l i m i t = 1 e 一4m a x t r a p s = 1 0 ”) 准静态的牛顿迭代法解微分方程的参数设置，其中： 第二章高压c m o s 管工艺的设计、模拟和验证 t r a p ：3 受示当按程序设定的步长，牛顿迭代法的计算结果不收敛时，将偏压的步长减 小一半再继续计算 m a x t r a p s ：将偏压步长减半的最大次数 c l i m i t ：浓度的归一化因子 2 5 2 沟道电流i d s 和漏源电压v d s 的关系模拟 图2 5 2h v m o s ( s v x 工艺) 管的l d s v d s 关系图 f i g u r e2 5 2i d s - v d sc h a r a c t e r i s t i c so f h v n m o s 从图2 5 2 中可以看出，h q m o s 的线性区范围要比同样工艺条件下的 l v n m o s 线性区范围宽广，因为一般情况下，h v n m o s 可看成一个l v n m o s 再加一个漂移区构成，相当于由普通m o s 管和一结型场效应管横向叠加而成【1 0 1 。 显然，沟道电压要在两者之间分压，以一个足以使普通m o s 管饱和的电压经分 压后将无法使m o s 管和结型场效应管中的任何一个达到饱和，所以在i d s v d s 图上反映的结果便是h v n m o s 管的饱和电压和线性区范围比l v n m o s 管的大。 此外，用s v x 工艺所模拟得到的h v n m o s 的击穿电压为4 0v 左右，很好地符 合了耐高压的要求。 2 5 3 等压线图和场强分布图 图2 5 3 和图2 5 4 中所测得的h v n m o s 管的一些重要参数为：v g = 5v ， v d = 4 0v ，v s u b = 0v ，l c = 4 p m ，l g = 2 , t m ，l d d = 4 , u m 。从图2 5 3 中可见，等