半导体器件与工艺模拟-氧化淀积刻蚀及扩散注入工艺模型

一、目的

1．熟悉 diffuse、deposit、etch、mask 及 photo 等基本工艺仿真命令的功能、语法、命令参数的

设置方法及相应工艺的仿真分析方法；

2. 理解注入和退火机制，熟悉用 TCAD 方法实现不同注入或退火机制仿真与分析的基本方法；

3. 掌握采用参数化方法进行不同工艺条件仿真比较分析的方法。

二、原理

1. diffuse（高温工艺）：

diffuse 可执行扩散、退火、氧化、外延等高温加热工艺等的仿真。可扩散杂质离子；热退火可消除晶格损伤和杂质缺陷，活化杂质离子；可实现氧化、硅化或外延等薄膜生长工艺仿真；可仿真工艺导致地应力问题。

1.1 氧化

氧化工艺仿真，可根据工艺条件、气氛和温度变化，有多种方式实现：

Si 或 PolySi 与 Gas 接触的情况下，氧化开始时自动长初始氧化层为 1.5nm，可用

下边命令：

pdbSet Grid NativeLayerThickness 1.5e-7

氧化气氛与温度不同，仿真语句语法灵活多变，列举如下：

无氧化气氛退火 diffuse temperature=900<C> time=10<s>

湿氧气氛氧化退火 diffuse temperature=900<C> time=10<s> H2O

干氧气氛氧化退火 diffuse temperature=900<C> time=10<s> O2

水汽氧化退火 diffuse pH2O=0.5 pO2=0.5 temperature= 1000<C> time= 10.0

可设置温度变化率 ramprate 或 temp.ramp 定义温度气氛变化:

diffuse temperature=900<C> time=10<min> O2 ramprate =10<C/min>

干氧氧化 10 分钟，温度从 1000 度升到 1100 度，ramprate 可正可负！

temp_ramp name=MyTempRamp temperature=900 time=10 O2 ramprate=10<C/min>

diffuse temp.ramp=MyTempRamp

或 temp.ramp 定义温度气氛变化曲线：

temp_ramp name=MyCycle temperature=500 time=5 H2O ramprate=100

temp_ramp name=MyCycle temperature=1000<C> time=10<min> O2

temp_ramp name=MyCycle temperature=1000 time=10 ramprate=-50 last

diffuse temp.ramp=MyCycle

也可用 gas_flow 命令可以设置混合气氛的流量、压强等（temp.ramp、gas.flow 嵌套定义）

gas_flow name=MyGasFlow pH2O=0.5 pO2=0.5 pH2=0.1

temp_ramp name=MyTempRamp temperature=1000<C> time=10<min> gas.flow

= MyGasFlow

diffuse temp.ramp=MyTempRamp

或

diffuse temperature=1000 time=10<min> gas.flow=MyGasFlow

湿氧气氛氧化：

diffuse pH2O=0.5 pO2=0.5 temperature=1000 time=10

掺氯氧化:

氧化时加入少量氯气(Cl2)、氯化氢(HCl) 、三氯乙烯(C2HCl3或 TCE)或三氯乙烷

(TCA)等含氯的气态物。

gas_flow name=MyGasFlow pH2O=0.5 pO2=0.5 pHCL=1

diffuse temperature=1000<C> time=10 gas.flow=MyGasFlow

*注意，气氛有多种表示方法：

1）pH2O=0.5 pO2=0.5；

2）partial.pressure = {H2O=0.5 O2=0.5}；

3）flowH2O=0.5 flowO2=0.5 flowH2=0.2 flowN2=1.0；

4）flows = {H2O=0.5 O2=0.5 H2=0.2 N2=1.0}。除了 HCL、H2、N2 几种惰性气体只能用 gas_flow

定义并用 gas.flow 激活，其他可用 gas_flow 定义，也可直接用上述四种表示方法定义。

温度函数命令和气氛函数命令语句定义时用“_”，调用时用“.”，即定义时：

temp_ramp name=MyCycle temperature=500 time=5 H2O ramprate=100

gas_flow name=MyGasFlow pH2O=0.5 pO2=0.5 pH2=0.1

调用时：diffuse temp.ramp=MyCycle

diffuse temperature=1000<C> time=10 gas.flow=MyGasFlow

1.2 扩散

扩散模型* 与参数设置：扩散模型、扩散材料、扩散杂质均可用下边命令设置。

pdbSet <material> <Dopant> DiffModel <model>

pdbSet 是参数或函数设置命令，如果扩散或离子注入用到非常规杂质离子，则需定义调用的扩散模型。ChargedPair 为缺省扩散模型，高剂量注入，高损伤，短时退火。Constant,常数扩散率，无电场效应，用于氧化物扩散掺杂。

React 和 ChargedReact， five-stream 扩散模型，Sprocess 中最先进；对每个杂质-替代杂质-另个杂质-缺陷对，解 3 个独立方程和 2 个缺陷方程；

ChargedReact 最精确模型，但运算量最大；Pair 和 ChargedPair， three-stream 扩散模型，假定杂质-缺陷对局部平衡，仍然解独立点缺陷方程;适合于 advanced CMOS processes，精度和运算量折中。Fermi 和 ChargedFermi，假定点缺陷和杂质-缺陷对平衡。 ChargedFermi 允许每个电荷态独立设置，用于低剂量注入，损伤低，适于长时高温退火（功率器件），计算速度快.Constant,常数扩散率，无电场效应，用于氧化物扩散掺杂。如 Pair 模型：pdbSet Silicon Dopant DiffModel Pair

1.3 外延

外延：如果气氛设为 Epi 或 LTE，Epi 用于 Si 在 Si 上生长，PolySi 在 PolySi 上生长，而 LTE 则可用于 PolySi 在 Oxide、Nitride 和 PolySi 上生长diffuse time=1<s> temperature=550 Epi epi.thickness=0.02 或带掺杂，外延 10nm，Ge 浓度 8e21cm-3 diffuse temperature=800<C> time=60<min> Epi thick=0.01 epi.doping = {Germanium = 8e21}

LTE 方式：

diffuse temperature=700 time=5<min> LTE \ epi.doping.final = { Arsenic=1e18 } thick = 0.1<um>

可添加 epi.model

epi.model=0 (default),类似于氧化的移动边界算法

epi.model=1,交替掺杂淀积和惰性气氛退火；

支持选择性外延 selective epitaxy, 缓变掺杂 graded doping, 和 material

dependent growth rates。

3D 建议用 Model1（计算时间和移动边界的可靠性问题）

2. 淀积与刻蚀:

2.1 淀积（deposit）：

各向异性 anisotropic 和各向同性 isotropic,前者执行垂直厚度，后者执行平均厚度，以层的形式变化。

deposit nitride thickness = 0.18 type=anisotropic deposit nitride thickness = 0.18 type=isotropic

2.2 刻蚀（etch）：

Etch 可实现多层材料刻蚀工艺，一般与 mask 结合使用，命令语句示例如下：

etch material = {Silicon Oxide Poly} rate = {1.0 1.5 1.0} time = 0.05 type=isotropic etch Silicon rate = {1.0} time = 0.05 type=isotropic mask=mask_name

对于直接与 GaS 接触的位于表面的材料，可以用 strip 整层剥离：

strip material_name

刻蚀类型：Isotropic、Anisotropic、Directional、Polygonal、Trapezoidal、

Fourier、Crystallographic、Chemical-mechanical polishing (CMP)、Piecewise

linear 等。 分别进行各向同性和各向异性刻蚀仿真结果。

etch silicon thickness = 0.18 type=isotropic etch silicon thickness = 0.18 type=anisotropic

2.3光刻与掩模版（mask、photo、photoresist）：

Mask 常与 photo、etch、deposit 等命令组合使用，限制 etch 和 deposit 工艺在掩膜窗口内 执行，如果需在掩膜窗口内执行 photo/ etch/ deposit，需在 mask 定以后加 negative；mask 需在边缘留裕量。Mask 定义掩膜版，或可从 layout 导入，clear 清除先前所有定义 mask；几何形状可 用 Segments、 Rectangles、 Polygons 三种类型定义。

mask name= pmask segments= { -0.1 0.6 0.7 1.1 }

mask name=nimask left=0.2 right=1

下面分别是 Implant、Deposit 和 Etch 工艺中使用 Mask 的示例，模拟结果如图 6-5 所示：

mask name=pwell_mask left=0.4<um> right=1.8<um>

mask name=gate_mask segments= {0.9 1.2 2.9 3.2}

离子注入形成 p 阱：

photo thickness=2<um> mask=pwell_mask implant Boron dose=2.0e13<cm-2> energy= 80<keV> tilt=0 rotation=0 diffuse temperature=1050<C> time=5.0<s> strip photoresist struct tdr=n@node@_S1_Implant FullD; # p-Well

淀积与刻蚀形成栅极：

deposit material= {PolySilicon} type=anisotropic time=1 rate= {0.18} struct tdr=n@node@_S2_Depo FullD; # PolyGate etch material= {PolySilicon} type=anisotropic time=1 rate= {0.2} mask=gate_mask struct tdr=n@node@_S3_Etch_PSG FullD; # PSG deposit material= {Nitride} type=isotropic thickness=0.24 struct tdr=n@node@_S4_Depo_Si3N4 FullD; # Nitride etch material= {Nitride} type= anisotropic thickness=0.25 struct tdr=n@node@_S5_Etch_Si3N4_aniso FullD; # Nitride etch material= {Oxide} type=anisotropic time=1 rate= {0.1} mask=gate_mask struct tdr=n@node@_S6_Etch_SiO2 FullD; # GateOx

2.4 背面工艺切换

背面工艺切换可用 transform 命令，常见于功率器件或其他双面工艺器件的工艺仿真，需成对

使用，即翻转做完背面工艺后，再翻转回来。

transform flip ...... transform flip ........

transform 可实现镜像，用于半元胞仿真后结构调整，便于后续特性仿真。

transform reflect [left][right][front][back][ymin][ymax]

3. 离子注入与注入模型：

3.1基本命令语法与可注入杂质类型

Implant <dopant> [energy=<n>] [dose=<n> ] [tilt=<n>] [rotation=<n>] [function]

在命令中注入的杂质类型、注入能量和注入剂量必须用相关参量详细指定。

implant Boron dose=2.0e13<cm-2> energy=200<keV> tilt=0 rotation=0

dopant——注入杂质类型，常见有 Boron（硼，B）、Phosphorus(磷，P)、Arsenic（砷，As）等；

dose——注入剂量 cm-2

energy——注入能量，缺省单位 keV

Dopant 缺省可识别的可掺杂杂质（Species）

3.2离子注入模型选择*

Sprocess 可以自定义注入类型，用于新材料新工艺注入。

implant species=<dopant> <material> [imp.table=<file>] [model] [damage]

此命令只用来设置自定义注入模型，非注入工艺步骤。Dopant 需在初始注入杂质表中存在才可 以，material 是被注入的衬底，sprocess 认可的材料才可以；Imp.table，自定义注入表；Model：gaussian、 pearson、pearson.s、 dualpearson、 point.response；Damage：开启损伤计算，!Damage 关闭损伤计算。implant species=Boron Silicon imp.table=my_table.tab pearson !damage 解析注入与 model 选择使用下边语句：

implant species=<dopant> <material> [{gaussian pearson pearson.s dualpearson point.response}] gaussian 分布模型和 pearson-IV 分布模型是比较经典的解析注入模型；pearson.s 是线性指数拖尾的 pearson 分布，适用于尾部更精确注入；dualpearson 用于非沟道或非晶。

三、步骤

1.注入与退火机制

1.1内容：

以 Implant 命令为例，首先设置不同退火温度、时间与不同注入模型等工艺参数，进行工艺模拟，然后结合理论计算方法和实验五中不同注入参数的仿真结果，估算相同条件下得到的注入结果（注入推进深度、峰值位置和浓度），比较理论及估算与仿真结果的差异；通过比较分析，了解 TCAD仿真中单步工艺分析的基本方法，理解工艺参数合理选择对仿真结果的影响。

1.2步骤及要求：

新建 Project（lab6a），sprocess 建立参数变量，按下表（表 6-3）建立参数化结构，按参考命令文件建立 sprocess_fps.cmd 文件，然后执行相应仿真与分析

注入命令语句：implant Boron energy=20.00<keV> dose=1.00e12<cm-2> tilt=7 rotation=-90

退火命令语句：diffuse temperature=1050<C> time=0.167<min> ；0.167min*60=10s

命令文件中此处温度值和时间长度分别用@AN_TEMP@和@AN_TIME@代替。

参考命令文件：

pdbSetBoolean Grid AddGasMesh 1 math coord.ucs # Grid line x location= -0.10 spacing=0.03 tag=GateTop line x location= -0.02 spacing=0.03 line x location= -0.01 spacing=0.03 tag=OxTop line x location= 0.0 spacing=0.03 tag=SiTop line x location= 0.05 spacing=0.05 line x location= 0.5 spacing=0.10 line x location= 2.0 spacing=0.20 tag=SiBottom line y location= -0.8 spacing=0.10 tag=Left line y location= -0.3 spacing=0.10 tag=GateL line y location= 0.3 spacing=0.10 tag=GateR line y location= 0.8 spacing=0.10 tag=Right # Structure definition region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Left yhi=Right region oxide xlo=OxTop xhi=SiTop ylo=GateL yhi=GateR region poly xlo=GateTop xhi=OxTop ylo=GateL yhi=GateR # Start simulation init concentration=1.00e+15 field=Boron # Remeshing #######################For 2018 grid set.min.normal.size=0.005 set.normal.growth.ratio.2d=1.2 mgoals accuracy=1e-5 AdvancedCalibration ####################### struct tdr=n@node@_grid_rb1 FullD pdbSet Grid Adaptive 1 #Implanting with annealing temperature and time implant energy=25.00<keV> dose=1.00e12<cm-2> tilt=7 rotation=-90 Phosphorus diffuse temperature=@AN_TEMP@ time=@AN_TIME@ struct tdr=n@node@_@AN_TEMP@C_@AN_TIME@m FullD

2.刻蚀与淀积：

理解 Lesson_5_depo_etch 项目中命令语句对应的刻蚀与淀积工艺的类型及不同用法，结合仿真 结果分别说明各向同性淀积与各向异性淀积的工艺机制区别，说明不同刻蚀命令或刻蚀类型对应的 工艺结果。

代码分析：

1. 设置网格参数

这部分定义了一些全局网格设置。

]pdbSetBoolean Grid AddGasMesh 1

math coord.ucs

pdbSetBoolean Grid AddGasMesh 1: 启用气体网格划分。

math coord.ucs: 定义笛卡尔坐标系。

2. 网格定义

这部分定义了二维网格的分段信息。

line x location= -0.10 spacing=0.03 tag=GateTop

line x location= -0.02 spacing=0.03

line x location= -0.01 spacing=0.03 tag=OxTop

line x location= 0.0 spacing=0.03 tag=SiTop

line x location= 0.05 spacing=0.05

line x location= 0.5 spacing=0.10

line x location= 2.0 spacing=0.20 tag=SiBottom

line y location= -0.8 spacing=0.10 tag=Left

line y location= -0.3 spacing=0.10 tag=GateL

line y location= 0.3 spacing=0.10 tag=GateR

line y location= 0.8 spacing=0.10 tag=Right

line x 和 line y: 定义x轴和y轴上的分段线，包括位置、间距和标签。

location: 线的位置。

spacing: 每个网格点之间的距离。

tag: 标签用于后续引用。

3. 结构定义

这部分定义了MOSFET的不同区域。

# Structure definition

region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Left yhi=Right

region oxide xlo=OxTop xhi=SiTop ylo=GateL yhi=GateR

region poly xlo=GateTop xhi=OxTop ylo=GateL yhi=GateR

region silicon: 定义硅衬底区域。

xlo 和 xhi: 区域在x方向上的边界。

ylo 和 yhi: 区域在y方向上的边界。

region oxide: 定义氧化层区域。

region poly: 定义多晶硅栅极区域。

4. 初始化仿真

这部分初始化仿真参数。

init concentration=1.00e+15 field=Boron

init: 初始化仿真条件

concentration: 初始掺杂浓度

field: 掺杂类型为硼(Boron)。

5. 重新划分网格

这部分设置了自动网格划分的相关参数。

grid set.min.normal.size=0.005 set.normal.growth.ratio.2d=1.2

mgoals accuracy=1e-5

AdvancedCalibration

struct tdr=n@node@_grid_rb1 FullD

pdbSet Grid Adaptive 1

grid set.min.normal.size=0.005 set.normal.growth.ratio.2d=1.2: 设置最小网格尺寸和增长比。

mgoals accuracy=1e-5: 设置目标精度

1AdvancedCalibration: 进行高级校准。

struct tdr=n@node@_grid_rb1 FullD: 将结构保存到文件n@node@_grid_rb1.tdr。

pdbSet Grid Adaptive 1: 启用自适应网格划分。

6. 离子注入与退火

这部分描述了磷离子注入和退火的过程。

#Implanting with annealing temperature and time

implant energy=25.00<keV> dose=1.00e12<cm-2> tilt=7 rotation=-90 Phosphorus

diffuse temperature=@AN_TEMP@ time=@AN_TIME@

struct tdr=n@node@_@AN_TEMP@C_@AN_TIME@m FullD

implant energy=25.00<keV> dose=1.00e12<cm-2> tilt=7 rotation=-90 Phosphorus: 注入能量，剂量，倾斜角度为7度，旋转角度为-90度，掺杂类型为磷(Phosphorus)。

diffuse temperature=@AN_TEMP@ time=@AN_TIME@: 在指定温度下扩散指定时间。

struct tdr=n@node@_@AN_TEMP@C_@AN_TIME@m FullD: 将结构保存到文件n@node@_@AN_TEMP@C_@AN_TIME@m.tdr，其中@AN_TEMP@和@AN_TIME@是变量，需要在运行时替换为具体的温度和时间值。

四、结果

四、实验总结

1．熟悉了 diffuse、deposit、etch、mask 及 photo 等基本工艺仿真命令的功能、语法、命令参数的 设置方法及相应工艺的仿真分析方法；

2. 理解了注入和退火机制，熟悉用 TCAD 方法实现不同注入或退火机制仿真与分析的基本方法；

3. 掌握了采用参数化方法进行不同工艺条件仿真比较分析的方法。