微电子工艺设计讲解

微电子工艺设计讲解内容摘要：

技术工程师可以仿真半导体器件的电气、光学和热力的行为 (如图 、 )。 ATLAS 提供一个基于物理，使用简便的模块化的可扩展的平台，用以分析所有 2D 和 3D 模式下半导体技术的直流，交流和时域响应。 图 ATLAS 系统结构  无需昂贵的分批作业试验，即可精确地特性表征基于物理的器件的电气、光学和热力性能 ；  解决成品率和工艺制作过程变异的问题，使其达到速度、功率、密度、击穿、泄露电流、发光度和可靠性的最佳结合 ；  最多选择的硅模型， IIIV、 IIVI、 IVIV 或聚合 /有机科技，包括 CMOS、双极、高压功率器件、 VCSEL、 TFT、光电子、激光、 LED、 CCD、传感器、 熔丝、 NVM、铁电材料、SOI、 FinFET、 HEMT 和 HBT；  分支机构遍布世界各地，有专门的物理博士提供 TCAD 支持 ；  与专精稳定和有远见的行业领导者合作，在新技术强化上有活跃的发展计划 ；  直接把 ATLAS 结果输入到 UTMOST 进行 SPICE 参数提取，将 TCAD 技术应用到整个流片（ Tapeout）过程。 SPisces/Device3D 是一个 2D/3D 的器件仿真器，用于结合了漂流扩散和能量平衡方程的硅化技术。 其拥有广泛的物理模型库可供直流、交流和时域仿真使用。 典型的应用包括MOS， 双极和 BiCMOS 技术。 TFT2D/3D 是一个高级的器件技术仿真器，其物理模型和专用数字技术是仿真非晶体或包括薄膜晶体管在内的多晶硅器件所必需的。 特殊应用包括大面积电子显示和太阳能电池。 FERRO经开发可结合 FET 的电荷层模型和描述铁电薄膜的麦克斯韦第一方程。 此模块可以精确的预测那些器件的静态 IV行为和瞬态与小信号模式中的动态响应。 Blaze/Blaze3D 可仿真运用高级材料制作的器件。 它有一个化合物半导体的库，包括了三元和四元材料。 Blaze/Blaze3D 具有内置的模型，用于登记和断裂的异质结，并且仿真如MESFETS、 HEMT 和 HBT 的结构。 Laser 是世界上第一个用于半导体激光二极管的商用仿真器，配合 ATLAS 系统中的Blaze 使用为边缘发射 FabryPerot型的激光二极管的电气行为（直流和瞬态响应）和光学行为提供数 学 解决方案。 图 ATLAS 输入 /输出 VCSEL 和 ATLAS 系统一起使用，为垂直共振腔面射型激光（ VCSEL）生成就物理的仿真。 VCSEL 将成熟的器件仿真和先进的光学模式结合起来以获得 VCSEL 的电气、热力和光学行为。 LED 具有仿真光射器件的性能。 LDE 与 Blaze 和 ATLAS 系统联用，从而预测直流和瞬态响应、光能密度、峰值发射、波长、光谱输出、效率、输出耦合和角度输出光分布。 LED 应用精确的 k． p 带结构模型来仿真大批和量子阱器件。 Luminous2D/3D是一个先进的器件仿真器，特别设计用于在非平面半导体器件中的光吸收和图像生成的建模。 使用几何射线描迹而得到用于一般光源的精确解决方案。 Luminous2D/3D 或 Blaze 配合使用来仿真任意光电探测器件。 MixedMode2D/3D 与 SPisces 或 Blaze 配合使用，仿真包括基于物理的器件以及简化分析模型的电路。 当没有 精确的简化模型或者器件的地位很重要而必须用很高的精度来仿真时，会运用基于物理的器件。 Quantum 提供一套强大的模型用来仿真半导体器件中多样的载流子量子束缚效应。 SchrodingerPoisson 解算器允许用静电势来自恰计算束缚态能量和波方程。 两字瞬态模型允许仿真载流子运输之上的量子束缚效应。 Noise 与 SPisces 或 Blaze 配合使用允许分析半导体器件中产生的小信号噪声。 Noise 可以精确的特性表征所有小信号噪声源和足够用来优化电路设计的额外的灵敏度。 基本的半导体方程式 ATLAS是一个用于模拟半导体器件的功能非常强大的软件程序。 它在器件中建立了一个电势与载流子分布的二维模型，通过计算可以得出任意偏压下的电学特性。 ATLAS在世界范围内被广泛的使用，应用于模拟各种半导体器件，例如 MOS， BJT， IIIV族器件， TFT，光电器件等 [4]，并且经过了实验的验证，可以说它是一个十分准确和通用的半导体器件模拟器。 本文主要是利用 ATLAS编程求解。 ATLAS使用了在后面会分别详细描述的五个偏微分方程来描述半导体器件的体特性，他们分别是 ： 泊松方程 ： 描述静电势，参见后面的公式 () 电子和空穴流密度的连续性方程 (电子和空穴各一个 )： 描述载流子的浓度，参见后面的公式 ()和 ()； 电子和空穴的载流子能量平衡方程 (电子和空穴各一个 )： 描述载流子的温度，参见后面的公式 () 和 ()； 由它们所得到的代数方程组是相互耦合、非线性的。 对于给定的器件和工作范围，没有一种求解方法对于所有的情况都是最优的。 有几种可能性如下 ： (1) 在零偏压情况下，仅仅求解泊松方程便足够； (2) 在双极 型 器件和 MOSFET的电学特性仿真中，两种载流子都是需要的； (3) 对于小尺寸器件 的热载流子效应仿真 (此处电场变化很快 )，应当加入载流子能量平衡方程； ATLAS提供了两种算法来求解微分方程 ： 耦合算法 (NEWTONS’s METHOD)和非耦合算法 (GUMMEL’s METHOD)。 每一种方法都要求解几个巨大的线性方程系统。 在每一个系统中方程总量为网格点数量的 ，收敛速度取决于要求解的器件方程的个数。 使用雅可比的高斯消元法的牛顿求解过程，是非常稳定的求解方法。 这一算法可使用于以下场合 ： 器件开启后，单极载流子传输问题 ； 两种载流子的 仿真问题 ，但是，在对两种载流子进行仿真时，要花费 很大的内存和机时，这是它的限制。 耦合算法在目前来说是最可靠的算法，尤其是在方程的非线性程度较大的时候。 我们的 仿真 选 用 第一种算法，即NEWTON’s METHOD。 执行的方程包括：泊松方程和连续性方程，电子和空穴的连续性方程，电子和空穴的电流密度方程，电子和空穴的能量平衡方程等组成的流体动力学方程组。 () 在这里 为电容率， ψ定义为本征费米势， ε表示半导体材料的介电常数， ρs是空间电荷密度 (特别注意这里它是所有可动电荷和固定电荷的总和，包括电子、空穴以及离化杂质等 )。 () () 这里 和 分别为电子和空穴的净复合率。 和 分别为电子和空穴的电流密度。 若电子和空穴的电流密度。 若电子和空穴的电流 密度用标准的漂移 扩散方程，且用爱因斯坦关系将载流子迁移率替代载流子扩散系数以及考虑了载流 → 子加热引起的温度随空间的变化，则有 ： () () 这里 和 分别为电子和空穴的热电压 和。 物理模型 1. 迁移率模型 由于载流子迁移率 (以下简称迁移 率 )的所有误差，通过相乘的关系产生一个正比的电流误差，所以迁移率是二维 MOSFET 模拟的一个重要参数，同时，迁移率又是一个著名的复杂的两，至今人们对已有的迁移率模型还不是非常满意。 假定：迁移率是温度 (T)，平行于电流方向的电场分量 (Ep)，垂直于 SiSiO2 界面的距离 (y)， 杂质浓度 (C)及可动载流子密度 (n，p)的函数。 执行的迁移率公式为： () () () () ()()式中， n 和 p分别为标记电子和空穴。 N 为 C 和 n、 p 的函数。 μL(T)为只考虑晶格散射时的迁移率，它由一个简单的温度幂定律描述。 μL(N， T)是考虑了晶格散射和离化杂质及电子、空穴散射后的迁移率，它是温度、杂质浓度、电子及空穴密度的函数。 在高注入低掺杂区，电子、空穴散射极为重要。 μLIS(y， Ep， Es， N， T)是进一步考虑了表面粗糙和同电场有关的表面散射后的迁移率，它是 y， Ep， Es， N， T 的函数， μTOT 是 总的迁移率，它除考虑由晶格、杂质及载流子、表面散射等引起的迁移率 μ LIS 外，还考虑了平行于电流方向的高电场分量引起漂移速度饱和对迁移率的影响，即引起了 一项， Vs 有弱的温度关系，用 Mathiessen 法则将该同 μLIS 相 结合，最终可求得总的迁移率 μTOT。 2. 产生和复合模型 若要模拟雪崩效应，计算雪崩产生率、电子 /空穴的离化率或衬底电流，我们必须在连续性方程的 右边加上产生及或复合项，即不能假设 GR=0，所用的产生 /复合模型公式 ， 见式 ()式 ()： () 式中 (G R)tot为净产生率总量， (G R)th 为净俄歇产生率 (即净俄歇复合率的负值 )， G a为碰撞电离产生率。 式中各 (GR)的单位都是 1/厘米 3秒。 式 ()也表示不考虑各种不同机理引起的 (G－ R)项之间的相互作用。 () ()式中， (G R)th 表示式即为人们熟知的 ShockleyReadHall 公式，式中载流子寿命 ηn和 ηp 同掺杂浓度有关。 () ()式中 Sn和 Sp分别为电子和空穴的表面复合率。 δ(y)为 DiracDelta 函数， y=0 标记界面。 () () ()()式 中所用常数 ηn、 ηp、 Sn、 Sp、 Cn、 Cp、 An、 Ap、 Bn、 Bp 等 ，通过输入参数文件，选用其他更合适的值。 第二章 器件结构的构建 利用 SILVACO软件进行工艺和期间的仿真，首先要建立相关的器件结构模型。 本章将主要介绍打开 SILVACO软件的方法和软件的 基本操作语句及材料中网格的建立。 2． 1 软件的打开方法 利用 SILVACO软件设计工艺流程和仿真，主要在 SILVACO的 DECKBUILD中进行。 点击 S. EDA Tools图标 ，将打开一个快捷方式文件夹 (图 )。 在其中选择 DECKBUILD快捷方式，将打开如图。 该窗体分为上下两个窗口，其中上窗口主要用来输入相关的工艺程序，下窗口将显示程序运行的过程和结果。 在 DECKBUILD窗口中可以加载和运行 一些工艺和器件仿真实例，从实例来体会 SILVACO 的使用方法将更有效果。 加载实例的方法为从 DECKBUILD 窗口上找到EXAMPLES，点击后将打开如下的下拉菜单 ，选择其中的 Athena Examples。 将出现如 Example loader 的对话框，从下拉条中选择某一个工艺步骤的仿真 程序 ，如图所示所选的为氧化工艺仿真程序，选择其中的 点击 ok 打开此程序。 这样将在 DECKBUILD中出现如下的程序。