第1章 半导体工艺及器件仿真工具

.,第1章可制造性设计工具SentaurusTCAD,2020/4/26,.,2,Sentaurus简介,SentaurusTCAD全面继承了Tsuprem4，Medici和ISE-TCAD的特点和优势，它可以用来模拟集成器件的工艺制程，器件物理特性和互连线特性等。SentaurusTCAD提供全面的产品套件，其中包括SentaurusWorkbench,Ligament,SentaurusProcess,SentaurusStructureEditor,MeshNoffset3D,SentaurusDevice,TecplotSV，Inspect,AdvancedCalibration等等。,2020/4/26,.,3,Sentaurus简介,SentaurusProcess和SentaurusDevice可以支持的仿真器件类型非常广泛，包括CMOS，功率器件，存储器，图像传感器，太阳能电池，和模拟/射频器件。SentaurusTCAD还提供互连建模和参数提取工具，为优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。,2020/4/26,.,4,SentaurusTCAD的启动,运行vncviewer在xterm中输入：source/opt/demo/sentaurus.envGENESISe若保存格式为TDR，应选择.tdr文件）。在DataFiles栏中点击Browser按钮并选择掺杂数据文件（若保存格式为DF-ISE，应选择.dat文件;若保存格式为TDR，应选择.tdr文件）,单击Add按钮，载入掺杂数据文件。最后，单击AddPlacement按钮。,2020/4/26,.,40,2020/4/26,.,41,6定义网格细化窗口。用户可以对重点研究区域进行网格的重新设置，以增加仿真精度和收敛性。操作如下：MeshDefineRef/EvalWindowCuboid,2020/4/26,.,42,7定义网格细化方案选择菜单栏中的MeshRefinementPlacement。在网格细化设置对话框中，选择Ref/Win选项，并选择上一步定义的网格细化窗口。根据仿真精度要求，设置maxelementsize和minelementsize参数。单击AddPlacement按钮。,2020/4/26,.,43,2020/4/26,.,44,8执行设置方案。选择菜单栏中的MeshBuildMesh，输入网格细化执行后保存的网格数据信息文件名，并选择网格引擎，并单击BuildMesh按钮，SDE会根据设置的网格细化方案执行网格的细化，执行完成后会生成3个数据文件：_msh.grd,_msh.dat和_msh.log。,2020/4/26,.,45,2020/4/26,.,46,创建三维结构,1.SDE环境初始化：FileNew；2.设置精确坐标模式：DrawExactCoordinates；3.选择器件材料SentaurusStructureEditor所使用的材料都在Material列表中进行选择；4.选择默认的Boolean表达式在菜单中选择DrawOverlapBehaviorNewReplacesOld；5.关闭自动命名器件结构区域模式DrawAutoRegionNaming；,2020/4/26,.,47,6.创建立方体区域(1)选择IsometricView(ISO)，改为三维绘图模式。(2)在菜单栏中选择DrawCreate3DRegionCuboid。(3)在窗口中单击并拖动鼠标，将出现一个立方体区域的定义对话框，输入（000）和（7.75443），然后单击OK按钮。,2020/4/26,.,48,(4)在SDE对话框中输入结构区域的名称Epitaxy，单击OK按钮。,2020/4/26,.,49,7.改变Boolean表达式在菜单栏中选择DrawOverlapBehaviorOldReplacesOld。8.创建其他区域器件的其他区域，即栅氧层，多晶硅栅，侧墙以及电极区域都可以用同样的方法来创建。,2020/4/26,.,50,2020/4/26,.,51,9.定义电极在这里，栅极、源极和漏极需要定义。10.定义外延层中的均匀杂质分布浓度(1)选择菜单栏中的DeviceConstantProfilePlacement；(2)在PlacementName栏中输入PlaceCD.epi；(3)在PlacementTypegroup框中，选择Region，并在列表中选择Epitaxy；(4)在ConstantProfileDefinition框中，输入Const.Epi到Name栏中；(5)在Species栏中选择ArsenicActiveConcentration；,2020/4/26,.,52,(6)在Concentration栏中输入3.3e14；(7)单击AddPlacement按钮；(8)重复以上步骤定义多晶硅栅的掺杂浓度为1e20；(9)单击Close关闭窗口。,2020/4/26,.,53,11.定义解析杂质浓度分布定义解析杂质浓度分布包括两个步骤。第一步先定义杂质分布窗口，第二步定义解析杂质浓度分布。定义杂质分布窗口的步骤如下：(1)选择菜单栏中的DrawExactCoordinates；(2)MeshDefineRef/EvalWindowRectangle；(3)在视窗中，拖动一个矩形区域；(4)在ExactCoordinates对话框中，输入(00)和(2.753.5)，以定义杂质分布窗口坐标；,2020/4/26,.,54,(5)单击OK；(6)在接着弹出的对话框中，输入P-Body作为杂质分布窗口的名称；(7)利用表中的参数值，重复以上步骤定义其他杂质分布窗口。,2020/4/26,.,55,定义解析杂质浓度分布的步骤如下：(1)选择菜单栏中的DeviceAnalyticProfilePlacement；(2)在PlacementName栏中输入PlaceAP.body；(3)在Ref/Win列表中选择P-Body；(4)在ProfileDefinition区域中，输入Gauss.Body到Name栏中；(5)在Species列表中选择BoronActiveConcentration；(6)在PeakConcentration栏中输入4e16；,2020/4/26,.,56,(7)在PeakPosition栏中输入0；(8)在Junction栏和Depth栏中分别输入3.3e14和3.5；(9)在LateralDiffusionFactor栏中输入0.75；(10)单击AddPlacement按钮；(11)重复以上步骤分别定义其他区域的解析分布。,2020/4/26,.,57,13.定义网格细化方案14.保存设置15.执行设置方案最终，器件的网格信息和掺杂信息将保存在两个文件中，即_msh.grd和_msh.dat，这些文件可以导入到SentaurusDevice中进行后续仿真。,2020/4/26,.,58,2020/4/26,.,59,本章内容1集成工艺仿真系统SentaurusProcess2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor3器件仿真工具SentaurusDevice4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介,2020/4/26,.,60,SentaurusDevice器件仿真工具简介SentaurusDevice是新一代的器件物理特性仿真工具，内嵌一维、二维和三维器件物理模型，通过数值求解一维、二维和三维泊松方程、连续性方程和运输方程，可以准确预测器件的众多电学参数和电学特性。SentaurusDevice支持很多器件类型的仿真，包括量子器件，深亚微米MOS器件，功率器件，异质结器件，光电器件等。此外，SentaurusDevice还可以实现由多个器件所组成的单元级电路的物理特性分析。,2020/4/26,.,61,SentaurusDevice主要物理模型,实现SentaurusDevice器件物理特性仿真的器件物理模型仍然是泊松方程、连续性方程和运输方程。基于以上物理模型，派生出了很多二级效应和小尺寸模型，均被添加SentaurusDevice中。,2020/4/26,.,62,(1)产生-复合模型产生-复合模型描述的是杂质在导带和价带之间交换载流子的过程。产生-复合模型主要包括：SRH复合模型（肖克莱复合模型），CDL复合模型，俄歇复合模型，辐射复合模型，雪崩产生模型，带间隧道击穿模型等。,2020/4/26,.,63,(2)迁移率退化模型,描述迁移率与掺杂行为有关的模型Masetti模型、Arora模型和UniversityofBologna模型描述界面位置处载流子迁移率的退化模型Lombardi模型、UniversityofBologna模型描述载流子-载流子散射的模型ConwellWeisskopf模型、BrooksHerring模型描述高内电场条件下的载流子迁移率的退化模型Canali模型，转移电子模型，基本模型，MeinerzhagenEngl模型，Lucent模型，速率饱和模型和驱动力模型等,2020/4/26,.,64,(3)基于活化能变化的电离模型,常温条件下，浅能级杂质被认为是完全电离的。然而，对于深能级杂质而言（能级深度超过0.026eV），则会出现不完全电离的情况。因此，铟（受主杂质）在硅中，氮（施主）和铝（受主）在碳化硅中，都呈现深能级状态。另外，若要研究低温条件下的掺杂行为，则会有更多的掺杂剂出于不完全电离状态。针对这种研究需求，SentaurusDevice嵌入了基于活化能变化的电离模型。,2020/4/26,.,65,(4)热载流子注入模型,热载流子注入模型是用于描述栅漏电流机制的。该模型对于描述EEPROMs器件执行写操作时可能发生的载流子注入行为来说尤为重要。SentaurusDevice提供了两种热载流子注入模型和一个用户自定义模型PMI(PhysicalModelInterface).经典的lucky电子注入模型Fiegna热载流子注入模型,2020/4/26,.,66,(5)隧道击穿模型,在一些器件中，隧道击穿的发生会导致漏电流的形成，对器件的电学性能造成影响。SentaurusDevice提供三种隧道击穿模型：非局域隧道击穿模型（最常用，该模型考虑了载流子的自加热因素，能够进行任意形状势垒下的数值求解）直接隧道击穿模型FowlerNordheim隧道击穿模型,2020/4/26,.,67,(6)应力模型,器件结构内部机械应力的变化，可以影响材料的功函数、界面态密度、载流子迁移率能带分布和漏电流等。局部区域应力的变化往往是由于高温热驱动加工的温变作用或材料属性的不同产生的。应力变化引起的能带结构变化，可以由以下模型进行分析：应力变化引起的载流子迁移率的变化，由以下公式描述：,2020/4/26,.,68,(7)量子化模型,SentaurusDevice提供了四种量子化模型。VanDot模型VanDot模型仅适用于硅基MOSFET器件的仿真。使用该模型可以较好地描述器件内部的量子化效应及其在最终特性中的反映。一维薛定谔方程一维薛定谔方程可以用来进行MOSFET、量子阱和超薄SOI结特性的仿真。,2020/4/26,.,69,密度梯度模型密度梯度模型用于MOSFET器件、量子阱和SOI结构的仿真，可以描述器件的最终特性以及器件内的电荷分布。该模型可以描述二维和三维的量子效应。修正后的局部密度近似模型该模型数值计算效率较高，比较适用于三维器件的物理特性仿真。,2020/4/26,.,70,SentaurusDevice仿真实例,一个标准的SentaurusDevice输入文件由以下几部分组成，包括File、Electrode、Physics、Plot、Math和Solve，每一部分都执行一定的功能。输入文件缺省的扩展名为_des.cmd。,2020/4/26,.,71,1.VDMOS器件雪崩击穿电压的仿真,器件的雪崩击穿电压相比与其他电学参数，比较难模拟。因为在器件即将击穿时，即使是很小的电压变化都可能导致漏电流的急剧增加，有些时候甚至会产生回滞现象。因此，在这种情况下，进行雪崩击穿电压模拟计算时很难获得一个收敛解。而在漏电极上串联一个大电阻可以有效的解决这个不收敛问题。在本例中，SentaurusDevice调用了之前SentaurusProcess产生的输出文件，该文件中包含了掺杂信息，网格信息和电极定义信息。,2020/4/26,.,72,(1)File该文件定义部分指定了完成器件模拟所需要的输入文件和输出文件。File*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“BV_des.dat”Current=“BV_des.plt”Output=“BV_des.log”,2020/4/26,.,73,(2)Electrode该电极定义部分用来定义SentaurusDevice模拟中器件所有电极的偏置电压起始值以及边界条件等。ElectrodeName=“Source”Voltage=0.0Name=“Drain”Voltage=0.0Resistor=1e7Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55,2020/4/26,.,74,(3)Physics该命令段定义了SentaurusDevice模拟中选定的器件物理模型。PhysicsEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowingOldSlotboom)Mobility(DopingDepeHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)hHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)Enormal)Recombination(SRH(DopingDep)eAvalanche(Eparallel)hAvalanche(Eparallel),2020/4/26,.,75,(4)PlotPlot命令段用于完成设置所需的SentaurusDevice模拟输出绘图结果。这些输出结果可以通过调用TecplotSV查阅。PloteDensityhDensityTotalCurrent/VectoreCurrent/VectorhCurrent/VectoreMobilityhMobilityeVelocityhVelocityeQuasiFermihQuasiFermieTemperatureTemperature*hTemperatureElectricField/VectorPotentialSpaceChargeDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration,2020/4/26,.,76,*-Generation/RecombinationSRHBand2Band*AugerAvalancheGenerationeAvalancheGenerationhAvalancheGeneration*-DrivingforceseGradQuasiFermi/VectorhGradQuasiFermi/VectoreEparallelhEparalleleENormalhENormal*-Bandstructure/CompositionBandGapBandGapNarrowingAffinityConductionBandValenceBandeQuantumPotential,2020/4/26,.,77,(5)Math该命令段用来设置数值求解算法。MathExtrapolateAvalderivativesIterations=20Notdamped=100RelErrControlBreakCriteriaCurrent(Contact=“Drain”AbsVal=0.8e-7)CNormPrint,2020/4/26,.,78,Avalderivatives参数表示开启计算由于雪崩击穿产生的解析导数；Iterations定义了诺顿计算中最大的迭代次数；Notdamped=100表示在前100次诺顿迭代计算中采用无阻尼计算模式。,2020/4/26,.,79,(6)Solve该命令段用于设置完成数值计算所需要经过的计算过程。Solve*-Build-upofinitialsolution:Coupled(Iterations=100)PoissonCoupledPoissonElectronHoleQuasistationary(InitialStep=1e-4Increment=1.35MinStep=1e-5MaxStep=0.025,2020/4/26,.,80,GoalName=“Drain”Voltage=600)CoupledPoissonElectronHoleCoupledPoissonElectronHole调用了泊松方程、电子连续方程和空穴连续方程。Quasistationary定义用户要求得到准静态解。,2020/4/26,.,81,2020/4/26,.,82,2.VDMOS器件漏极电学特性仿真,本例子模拟了VDMOS器件的Vd-Id特性。其中栅极偏置电压定义为10V，而漏极偏置电压从0V扫描到10V。,2020/4/26,.,83,(1)FileFile*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“IV_des.tdr”Current=“IV_des.plt”Output=“IV_des.log”,2020/4/26,.,84,(2)ElectrodeElectrodeName=“Source”Voltage=0.0Name=“Drain”Voltage=0.1Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55,2020/4/26,.,85,(3)PhysicsPhysicsAreaFactor=3258200IncompleteIonizationEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom)Mobility(DopingDependenceHighFieldSaturationEnormalCarriercarrierscattering)Recombination(SRH(DopingDependenceTempdep)AugerAvalanche(Eparallel),2020/4/26,.,86,(4)PlotPloteDensityhDensityeCurrent/vectorhCurrent/vectorPotentialSpaceChargeElectricFieldeMobilityhMobilityeVelocityhVelocityDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration,2020/4/26,.,87,(5)MathMathExtrapolateRelErrcontroldirectcurrentcomput其中directcurrentcomput参数定义直接计算电极电流。,2020/4/26,.,88,(6)SolveSolvePoissonCoupledPoissonElectronhole#-rampGate:Quasistationary(MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3GoalName=GateVoltage=10),2020/4/26,.,89,CoupledPoissonElectronhole#-rampDrain:Quasistationary(MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3GoalName=DrainVoltage=10)CoupledPoissonElectronhole,2020/4/26,.,90,2020/4/26,.,91,3、收敛性问题,迭代次数不够电学边界条件设置不好引起的不收敛初始解的不收敛工艺仿真中网格设置得不好,2020/4/26,.,92,迭代次数不够设置的判别不收敛的条件太过苛刻这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一：误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于1之前，却因为迭代次数上限达到而结束。迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小值，仿真结束。,2020/4/26,.,93,解决方法(1).Iterations尽量设置的大一点(2).设定minstep和interations，minstep的数值至少比initialstep少3个数量级,MathIterations=50NotDamped=50ExtrapolateRelErrControl,2020/4/26,.,94,SolvePoissonCoupledPoissonElectronHoleQuasistationary(Initialstep=1e-6MaxStep=0.1Minstep=1e-12increment=2.0Goalname=anodevoltage=4e7)CoupledPoissonElectronHoleTemperature,2020/4/26,.,95,电学边界条件设置不好引起的不收敛这种情况一般发生在雪崩击穿电压的附近，无法完成成低压区到雪崩击穿区的转变。,2020/4/26,.,96,产生原因：击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解A，通过一个仿真步长，电压变化V，此时假定下一点处于B点，而假定点B和真实点C之间的电流变化量I太大，程序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛。,2020/4/26,.,97,解决方法,ElectrodeName=anodeVoltage=0.0resistor=3e9Name=cathodeVoltage=0.0Name=subVoltage=0.0,2020/4/26,.,98,初始解的不收敛初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛：由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的时候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难；由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解。,2020/4/26,.,99,的解决方法,SolveCoupledPoissonElectronHoleTemperatureQuasistationaryCoupledPoissonElectronHoleTemperature,SolvePoissonCoupledPoissonElectronCoupledPoissonElectronHoleQuasistationaryCoupledPoissonElectronHoleTemperature,2020/4/26,.,100,ElectrodeName=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=5.0Name=“sub”,Voltage=0.0Solve,ElectrodeName=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=0.0Name=“sub”,Voltage=0.0SolveGoalname=“Gate”,Voltage=5.0,2020/4/26,.,101,工艺仿真中网格设置得不好解决方法:调整优化网格,2020/4/26,.,102,本章内容1集成工艺仿真系统SentaurusProcess2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor3器件仿真工具SentaurusDevice4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介,2020/4/26,.,103,虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介,SentaurusWorkbench（SWB）简介SentaurusWorkbench基于集成化架构模式来组织、实施TCAD仿真项目的设计和运行，为用户提供了图形化界面，可完成系列化仿真工具软件，以参数化形式实现TCAD项目的优化工程。SentaurusWorkbench支持实验设计优化，参数提取，结果分析，参数优化等，实现了集成化的任务安排，从而最大限度地利用了可计算资源，加速了TCAD仿真项目的运行。,2020/4/26,.,104,创建和运行仿真项目,1.建立新的仿真项目在菜单中选择ProjectNew。2.构造仿真流程在FamilyTree视图下，在NoTools处右击鼠标。然后在弹出的对话中，单击Tools按钮，在SelectDBTool菜单中选择sprocess工具。,2020/4/26,.,105,3.导入卡命令文件（1）在SentaurusProcess图标按钮处点击鼠标右键，选择ImportFileCommands。（2）在弹出的ImportFlowFile对话框中，找到需要的工艺卡命令文件。（3）单击Open按钮。另外，在工艺文件中，最终的器件结构信息文件应该保存为节点格式，即structsmesh=nnode。,2020/4/26,.,106,4.添加其它仿真工具重复以上操作步骤，依次添加所需要的仿真工具，如SentaurusStructureEditor、SentaurusDevice、Inspect等，并依次导入对应的卡命令文件。需要注意的是，在SentaurusStructureEditor中，最