半导体工艺及器件模拟
• 半导体工艺及器件模拟（仿真）概述
1.什么是仿真？
仿真（Simulation)和建模（modeling）是密不可分的。 建模是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律。 仿真是在这个一般规律的基础上，对某事物在特定条件下的 行为进行推演和预测。因此建模是仿真的基础，仿真是随着 建模的发展而发展的。
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半导体工艺和器件模拟
2.本课程主要研究内容：
半导体工艺模拟
在计算机辅助下，运用数学模型对具体工艺进行模拟的过程 。
半导体器件模拟
通过工艺模拟得出的杂质分布结果,并施加一定的偏压，对
所制造器件的电学性质进行分析和研究。
课程重点：工艺流程描述语句，器件的工艺实现，器件几 何结构及掺杂，电学特性仿真，器件的参数提取，
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半导体工艺和器件模拟
如果Etching（）括号中只有一种材料被指定，没有刻蚀速 率，则这种材料所有与空气接触部分都被去掉了。 例如：Etching(Material=Ox),所有暴露到空气中的SiO2都 将去掉。
如果材料和刻蚀速率都不写，而且只有一种材料与空气接触 的话，这种材料会被腐蚀掉，如果只有光刻胶与大气接触， 则光刻胶被去掉了。例如：Etching()
这可通过晶圆方向扭转来控制,一般将晶圆的取向偏移3~7º
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半导体工艺模拟--DIOS
DIOS软件中没有预沉积命令，因此在DIOS软件中实现掺杂均 采用离子注入命令。
离子注入DIOS语句:
Implantation(Element=As, Dose=5e14,
Energy=50keV, tilt=0, Rotation=-90º)
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半导体工艺和器件模拟
淀积： 物理方法： 蒸发（热蒸发，电子束蒸发），溅射。 化学方法：化学气相沉积（CVD) 描述淀积的基本语句： 淀积（材料，厚度（或时间及沉积速率），类型） 类型包括各行同性、各向异性、填充式,缺省指各向同性。 Deposit（material=oxide, Thick=100nm) Deposit（material=ox,Thick=0.2um,Dtype=Fill,
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半导体工艺和器件模拟
4.掺杂 主要包括两种
1）热扩散
在扩散过程中横向扩散约占纵向扩散的75~85%，扩散主要包
括杂质预沉积和再分布（推进氧化），推进工艺的温度高于
预沉积的温度。
硅的氧化需从表面开始消耗硅，表层的杂质怎样变化？由杂
质导电类型确定。如果是N型掺杂，则发生所谓的堆积效
应，当氧化硅的界面提升到表面的时候，N型杂质会向硅中
IC电路仿真所用器件模型参数提取。
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半导体工艺和器件模拟
3.半导体仿真器
仿真实质上是通过仿真器来实现的。一般仿真器实质上等于 输入接口+模型库+算法+输出接口,核心部分是模型库的建 立，其中精度、处理速度需要通过算法来调节。一个半导体 仿真器功能是否强大，就是看模型库是否强大。 半导体工艺、半导体物理、部分集成电路理论不仅是学习这 门功课所需要的前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最 需要的理论基础。 所以仿真器是随着对半导体理论的探索和对实验数据的累计 的发展而发展的。
艺仿真软件的使用方法（氧化、扩散、离子注入、淀积、 刻蚀、光刻等工艺流程描述语句）
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半导体工艺和器件模拟
2）熟悉并学会使用器件仿真软件: （1）学习如何用仿真语句编写器件的结构特征信息 （2）学习如何使用Dessis器件仿真器进行电学特性仿真 （3）利用工艺器件仿真软件Dios，培养和锻炼工艺流程设
3. 通过热处理，还可使晶圆表面的光刻胶溶剂蒸发掉，得 到精确图形。
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半导体工艺模拟--DIOS
一、DIOS软件介绍：
DIOS is a multidimensional process simulator for semiconductor devices.
It simulates complete fabrication sequences including etching and deposition, ion implantation, and diffusion and oxidation with identical models in one dimension and two dimensions.
分流，此效应增加了硅的新表层中的杂质数量。如果杂质为
P型的硼，会发生相反的效应。硼原子更容易溶于氧化层。
SiO2吸硼排磷
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半导体工艺和器件模拟
在小尺寸器件的掺杂时，热扩散存在以下问题： 横向扩散：每次遇到高温都会发生横向扩散，则器件设计时
必须留出足够的距离。导致增加管芯面积 超浅结 低杂质掺杂控制困难 高效率MOS管要求栅区的掺杂浓度小于
、倾角、离子成分不变。 离子注入的下一步，一般要跟着退火命令。
Diffusion( time=10min, temperature=1000ºC)
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半导体工艺模拟--DIOS
5. 热处理
1. 离子注入后有一步重要的热处理。掺杂原子的注入所造 成的晶格损伤会被热处理修复，称为退火。
2. 金属导线在晶圆上制成后，为确保良好的导电性，金属 会在450ºC左右热处理，使其与晶圆表面紧密熔合。
DIOS has been applied to a wide variety of technologies such as VLSI CMOS, power devices, and advanced SOI processes in leading semiconductor companies. 主流
（c) 刻蚀速率控制法: 可控制各向同性和各向异性速率。
Etching(material=ox, remove=0.01, Rate(isotropic=…, A0=…,A1=…, A2=…, A3=…)) 可通过调整A1,A2,A3,A0的值刻出任意形状，A0~A3可正可 负。在刻蚀侧墙的时候，可以通过调整Isotropic和A1的大 小来调整侧墙保留保留厚度，比值越大，侧墙越薄，如果只 定义isotropic则为各向同性，只定义A1表示垂直刻蚀。
属Al等.
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半导体工艺模拟--DIOS
离子注入缺点:
离子注入产生晶格损伤
需要激活掺入的杂质 修复晶格损伤和电激活可通过加热来实现，称为退火.
退火的温度要低于扩散的温度,防止横向扩散.退火通常在 600~1000ºC. 离子注入产生表面时,离子可沿沟道深 入,达到预计的10倍.
氧化：在DIOS中所有的高温工艺均用Diffusion来表示
氧化的基本参数 氧化（时间，温度，加入的气体）
Diffusion(time=10min,temper=900deg,atmosphere=O2)
其他的高温过程，例如Hcl,H2O,H2O2,N2,Epitaxy, prebake,
mixture,均采用Diffusion语句. 作为字头。
1E15/cm3,扩散工艺不容易控制浓度。源漏区的浅结也很难控 制。 表面易污染 易产生位错
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半导体工艺模拟--DIOS
离子注入: 离子注入是一个物理过程,克服了热扩散的许多缺点: 无横向扩散 可在室温下进行 对杂质的位置和数量控制准确 离子注入的掩膜不只采用SiO2,也可用光刻胶, Si3N4,金
剂量单位的缺省值为cm-2
能量单位的缺省值是KeV
Tilt 表示晶圆的倾角
Rotation表示晶圆的旋转角
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半导体工艺模拟--DIOS
当有tilt倾角时,一般采取多次注入模式: 定义Numsplits参量来设置旋转的次数. 每次旋转角度为 360º/Numsplits. 每次注入的剂量为总剂量的1/Numsplits, 每次注入的能量
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半导体工艺和器件模拟
1.衬底的准备： 衬底的基本参数
衬底（类型、掺杂浓度、晶向）
Substrate(element=P, Concentration=5e15, orientation=100)
Element不用P型N型，而用具体掺杂的杂质。
2. 增层：指在晶圆表面形成薄膜的加工工艺，主要包括：
Some of its capabilities are available in three dimensions.
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半导体工艺模拟--DIOS
Very efficient nonlinear and linear solvers allow for the simulation of very complicated structures where10000 to 100，000 grid points can be handled.
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半导体工艺和器件模拟
工艺仿真： 可实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟。可 用于设计新工艺，改良旧工艺。 器件仿真：
可以实现电学特性仿真，电学参数提取。 可用于设计新型器件，改良旧结构器件，验证器件的电学特 性。如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等。或建立简约 模型以用于电路仿真。
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半导体工艺和器件模拟
首先结合半导体器件制造的基本工艺，介绍ISE_TCAD平 台工艺仿真指令：
半导体工艺模块称为DIOS, 首先需要编写一个文件，其扩展 名必须为*_dio.cmd. 例如：PN_dio.cmd 下面结合半导体器件制备的主要工艺讲解文件中的指令用法
。 几乎所有器件制备工艺都是这些工艺步骤的反复应用。 四个最基本的工艺步骤包括增层、光刻、掺杂、热处理
YFill=0.5)
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