第4章-工艺及器件仿真工具ISE-TCAD.ppt

第4章工艺及器件仿真工具ISE-TCAD,2020/5/4,2/102,本章内容,ISE-TCAD简介工具流程平台GENESISe工艺仿真以及网格优化工具2D工艺仿真工具DIOS2D网格优化工具MDRAW器件仿真工具2D,浙大微电子,2020/5/4,22/102,对于氧化工艺步骤的话,在Diffusion命令中的参数还应包括:通入的气体种类(Atom),温度,时间,速率等可调节的参数。Diffusion(Atmosphere=Epitaxy,Time=1.0,Temperature=1050,GrowthRate=1000nm/s,Element=Ge,Concentration=1.0e20）,浙大微电子,2020/5/4,23/102,Deposit(.)该命令是用来沉积物质层的。用于各向同性或异性沉积、表面平整化、选择性沉积以及化学机械抛光。Deposit(Material=Po,Thickness=0.2um,Element=P,Conc=3.0e19)(defaultLPCVDisotropic600)Deposit(Material=OX,DType=Fill，YFill=2.0um)该命令用以仿真化学机械抛光。“Fill”表示平整化，Deposit(Material=Si,Selection=OnlySiPo,THick=50nm,ELEM=P,CONC=1E14),浙大微电子,2020/5/4,24/102,该命令用以仿真选择性沉积Selection=AllSiPoDepositcrystallineSioncrystallineSi;Polysilicononallothermaterials.Selection=OnlySiPoDepositcrystallineSionSi,PoonPo,andnodepositiononallothermaterials.Selection=AllDepoMat(default),浙大微电子,2020/5/4,25/102,Etching(.)用来仿真刻蚀Etching(Material=,Time=,Remove=,Rate(Iso/Aniso=)，over=,stop=)Etching(Material=OX,Remove=0.08,Over=0)湿法刻蚀SiO20.08um过刻蚀率为0（default10%）Etching(Material=Po,stop=oxgas,rate(aniso=100)各向异性刻蚀Poly刻蚀停止在SiO2界面处刻蚀速率为100nm/min，严格地垂直向下刻蚀。,浙大微电子,2020/5/4,26/102,文件保存与输出,Save(.)保存器件的最终结构save(file=process3,type=MDRAW,synonyms(po=metal,al=metal)contacts(contact1(name=pwell,1,0.5)contact2(name=source,2.5,0.5)contact3(name=gate,3.3,0.2)contact4(name=anode,4.1,0.2)contact5(name=sub,location=bottom),浙大微电子,2020/5/4,27/102,species(netactive,btotal,astotal,ptotal),MinElementWidth=0.001,MaxElementWidth=0.10,MinElementHeight=0.001,MaxElementHeight=0.10,)1D(.)保存仿真后的DIOS变量的一维分布。APPend=on(default)保存并替换已经存在的文件。FACTor=-1000(default)座标缩放的比例因子。反向缩放尺寸，从um到nm。,浙大微电子,2020/5/4,28/102,File输出的文件名(defaultextensionplx)。RS=off(default)计算方块电阻;使用这个参数掺杂剖面就不会保存在文件中。Species选择写入文件的变量名。XSection垂直的一维横截面所在的X轴座标位置。YSection水平的一维横截面所在的Y轴座标位置。,浙大微电子,2020/5/4,29/102,文件输出和交互图形界面,当单独运行dios之后，*.log文件会自动产生。当dios运行的命令文件为.cmd，输出文件的名称就为.log。当DIOS软件是在GENESISe平台中运行，则不会产生log文件，而产生另外一个文件为_dio.out。在DIOS程序运行中及运行完成后，都可以通过查看_dio.out这一文件来确认DIOS的运行状况。,浙大微电子,2020/5/4,30/102,例子：2DNMOS仿真,给出了一个0.18um的NMOS器件工艺流程的例子，从中介绍基本的工艺和控制命令。这个器件进行二维仿真，同时不考虑隔离。给出最简单的描述文件（默认模型和网格），然后进行仿真。参数缺省的单位：长度厚度单位为um；时间单位为min；温度单位为；浓度单位为atoms/cm3；剂量单位/cm2；生长速率nm/min。,浙大微电子,2020/5/4,31/102,例子语句及仿真结果,Title(simplenmosexample)Title命令是DIOS输入文件的第一个命令Grid(x=(0.0,0.4)y=(-10.0,0.0),nx=2)建立网格点和区域，nx=2在X方向上包括三角形的个数Substrate(orientation=100,element=B,conc=5.0e14,ysubs=0.0)定义衬底晶向100，掺杂为硼，浓度5.0E14，衬底顶点坐标为0.0,浙大微电子,2020/5/4,32/102,!startthegraphicaloutput,settoupdateevery10timesteps:Replace(Control(ngra=10)图形模式下，ngra=10表示每十步仿真工艺步骤刷新图形Graphic(triangle=on,plot)开始显示和控制DIOS图形输出，triangle=on表示显示网格,浙大微电子,2020/5/4,33/102,仿真开始时输出显示网格图,浙大微电子,2020/5/4,34/102,Comment(p-well,anti-punchthrough支持不同的器件结构（一维、二维、三维和二维圆柱）;具有多种非线性仿真解决办法;支持混合模式仿真，其电热的网表可以有基于网格模拟的器件模型，也可以有SPICE电路模型（三种类型的仿真：单器件仿真、单器件和电路网表的仿真、多器件和电路网表的仿真）。,浙大微电子,2020/5/4,69/102,三种仿真类型：,浙大微电子,2020/5/4,70/102,器件仿真所需文件,网格文件包括整个器件每一区域的详细定义，即边界、材料类型、电接触位置等等。网格文件还描述器件区域的网格和网格之间的连接关系。掺杂文件主要是器件属性的定义，包括掺杂分布、网格点的数据格式等。,浙大微电子,2020/5/4,71/102,标准MOSFET结构的仿真文件图示,边界和网格,二维掺杂分布,浙大微电子,2020/5/4,72/102,器件网格的创建,对于最优化的仿真，最理想的结果是：产生的网格必须在允许的精度下具有最小数量的网格节点。同时，还要依据仿真的类型确定优化的网格。为了产生最合适的网格，以下这些区域的网格必须密集化：高电流密度（MOSFET沟道、双极型晶体管基区）高电场强度（MOSFET沟道、MOSFET漏区、耗尽区）高电荷产生区（SEUalpha粒子、光束）,浙大微电子,2020/5/4,73/102,器件仿真物理基础,泊松方程:（该方程决定了半导体器件的电特性)电流连续性方程:电流方程:热流方程：（在ESD条件下需要考虑）,浙大微电子,2020/5/4,74/102,DESSIS的器件仿真流程,浙大微电子,2020/5/4,75/102,器件仿真文件结构,工艺仿真结果导入电极定义物理模型定义数学算法定义输出内容定义电压扫描（电流扫描）定义,浙大微电子,2020/5/4,76/102,DESSIS文件构成,“File”部分主要定义器件结构的输入文件和输出文件的名称；“Electrode”部分定义器件的电极相关信息。“Physics”部分定义器件过程中使用的物理模型。“Plot”部分定义所有的计算变量，DESSIS能仿真的变量都将被存入plot文件。“Math”部分定义DESSIS仿真时算法的设置，包括仿真器类型、仿真误差标准的设置。“Solve”部分定义电压扫描，仿真电学特性。,浙大微电子,2020/5/4,77/102,FILE,File#输入文件Grid=Doping=Lifetime=Parameter=#输出文件Output=“n3_des.log”输出日志文件，记录运行情况Current=“n3_des.plt”用于Inspect观察I_V曲线等Plot=“n3_des.dat“保存器件仿真的计算变量ACExtract=“ac_des.dat”保存交流小信号仿真结果,浙大微电子,2020/5/4,78/102,ELECTRODE,ElectrodeName=anodeVoltage=0.1Name=“cathode”Voltage=0.0Name=“gateVoltage=0.0barrier=-0.55Current=定义电流的初始条件(A/mfor2D).Resist=定义接触电阻（*mfor2D)Barrier=指定栅的势垒值V.Workfunction=指定栅或Schottky电极的功函数值eVCharge=指定浮空电极上的电荷数C.AreaFactor=电极电流的倍增因子,浙大微电子,2020/5/4,79/102,各种不同电极定义,Gateelectrodename=“gate”voltage=2Material=“PolySi”(P=6.0e19)Schottkyelectrodename=anodevoltage=2SchottkyWorkFunction=4.9Currentboundaryname=anodevoltage=1.0current=1e-3,浙大微电子,2020/5/4,80/102,各种不同电极定义,Floatingelectrodewithchargename=floatgatecharge=1e-15Electrodewithareafactorname=anodecurrent=5E-4AreaFactor=100Electrodewith1resistancename=emittervoltage=2Resist=1Multivaluedvoltagedrivename=sourcevoltage=0,1.0,2.0,浙大微电子,2020/5/4,81/102,THERMODE,THERMODEName=“Anode”temperature=300Name=“Cathode”temperature=300Name=“sub”temperature=300SurfaceResistance定义一个接触的热阻系数cm2K/W.SurfaceConductance与SurfaceResistance是相反的值(thermalconductivity).Power=定义一个热流的边界条件W/cm2.AreaFactor=指定热电极面积的一个倍增因子。,浙大微电子,2020/5/4,82/102,Plot,定义所有需要计算的变量，DESSIS能仿真的变量都将被存入plot文件PloteDensityhDensityeCurrenthCurrentPotentialSpaceChargeElectricField/VectoreMobilityhMobilityeVelocityhVelocityDopingDonorConcentration,浙大微电子,2020/5/4,83/102,Physics,Physics部分用来定义仿真所用的物理模型。根据仿真的器件和仿真的准确程度可以分为下面四类：Drift-diffusion漂移-扩散传输模型适用于在指定器件中特定边界条件下的自对准耦合泊松方程和载流子连续方程（电子或空穴）。这种模型适合于在大器件下工作。Thermodynamic考虑了晶格的自加热过程Hydrodynamic包含了载流子的温度和热流方程MonteCarlo可以对选定窗口进行MonteCarlo分析,浙大微电子,2020/5/4,84/102,PhysicsEffectiveIntrinsicDensity(oldSlotboom)定义硅能带隙窄化模型，它决定载流子浓度Mobility(DopingDependenceHighFieldSaturationEnormal)定义三个模型（掺杂依赖性、高电场饱和、横向电场依赖性）Recombination(SRH(DopingDependenceTempDependence)Avalanche(Eparalell)定义SRH复合的模型（掺杂依赖性和温度依赖性）和雪崩倍增的模型Auger俄歇复合模型,浙大微电子,2020/5/4,85/102,MATH,MathExtrapolate定义仿真时采用外推法定义迭代下一步的数值RelErrControl定义叠代计算时加入误差控制NotDamped=50最大的迭代次数默认1000Iterations=20最大的步长减小次数默认50BreakCriteriaCurrent(Contact=“drain”Absval=3e-4)确定停止仿真的条件，漏极电流绝对值大于3e-4A.,浙大微电子,2020/5/4,86/102,数学算法设置,主要调整两个参量InterationsNotdamped,浙大微电子,2020/5/4,87/102,SOLVE,包括初始解、扫描电压设置等来解方程获得需要的参数结果。SolvePoissonCoupledPoissonElectronHoleQuasistationary(Initialstep=1e-6MaxStep=0.1Minstep=1e-12increment=2.0Goalname=anodevoltage=4e7)CoupledPoissonElectronHole,浙大微电子,2020/5/4,88/102,输出结果查看,DESSIS仿真结果I-V特性可以用inspect工具进行查看,浙大微电子,2020/5/4,89/102,电场及电流分布等可以用tecplot_ise工具进行查看。,浙大微电子,2020/5/4,90/102,Dessis仿真例子,MOS管的Id-Vg的电学特性仿真File*输入文件：Grid=nmos_mdr.grd“Doping=nmos_mdr.dat“Grid”和“Doping”语句分别指定器件结构的网格文件和掺杂文件*输出文件Plot=“n3_des.dat“保存仿真时计算的变量和结果,浙大微电子,2020/5/4,91/102,Current=n3_des.plt“语句定义最后输出的电学数据Output=n3_des.log“语句定义输出日志文件，记录DESSIS运行情况ElectrodeName=sourceVoltage=0.0Name=drainVoltage=0.1Name=“gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55语句定义金属半导体功函数差，这样多晶硅电极才能把它当成金属。Name=substrateVoltage=0.0,浙大微电子,2020/5/4,92/102,PhysicsMobility(DopingDepHighFieldSatEnormal)EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom)“Mobility(DopingDepHighFieldSatEnormal)”语句定义三个模型：掺杂依赖（dopingdependence）模型、高电场饱和模型、横向电场依赖（transversefielddependence）模型；,浙大微电子,2020/5/4,93/102,PloteDensityhDensityeCurrenthCurrentPotentialSpaceChargeElectricFieldeMobilityhMobilityeVelocityhVelocityDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration“Plot”部分定义所有的计算变量，DESSIS要仿真的变量都将被存入plot文件。,“EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom)”语句定义硅能隙窄化模型，它决定载流子的浓度。,浙大微电子,2020/5/4,94/102,MathExtrapolate定义仿真时采用外推法定义迭代下一步的数值RelErrControl定义迭代反复计算时加入误差控制Solve#初始解决方案：Poisson语句定义初始化采用非线性泊松方程CoupledPoissonElectronQuasistationary(MaxStep=0.05GoalName=gateVoltage=2)CoupledPoissonElectron,浙