半导体工艺仿真指导书.docx
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半导体工艺仿真指导书
半导体工艺仿真实验指导书
——基于silvacoTCAD
光电学院微电子教研中心
王智鹏
2014.3
本指导书首先介绍了silvacoTCAD半导体工艺仿真软件的安装方法、主要界面信息与基本命令。
然后分别从半导体工艺仿真与半导体器件仿真入手，重点介绍了silvacoTCAD软件的仿真操作。
本指导书适用于《半导体工艺及器件仿真实验》、《半导体器件仿真综合课程设计》课程教学。
一、silvacoTCAD软件概述
1、软件的安装
a）1、运行安装文件，出现如图1.1的安装向导界面，勾选在“InstallLicenseServer”选项，点击Next，即开始安装程序。
图1.1silvacoTCAD安装向导界面
b）安装完毕后，根据提示，设置6位数服务器密码。
并保留图1.2中浏览器中自动打开的服务器网页。
图1.2服务器网页
c）运行桌面上快键方式“S.EDATools”，选择“StopServer”以停止服务。
把_key文件夹中的rpc.sflmserverd.exe文件复制到安装目录的“sedatools\lib\rpc.sflmserverd\8.0.3.R\x86-nt”目录中。
d）在快捷方式中运行“StartServer”。
e）浏览b）中保留的服务器网页。
若已关闭可运行快捷方式中的“SFLMAdmin”再次打开。
f）输入b）中设置的密码，点击login，并记录下方框中的“MachineIDs”。
g）打开_key文件夹中Silvaco.lic文件，如图1.3所示，将“LM_HOSTIDSxxxxxxxxxNL_HOSTIDS”中“xxxxxxxx”位置的内容替换为f）中记录的MachineIDs。
图1.3Silvaco.lic文件
h）将Silvaco.lic文件复制到目录sedatools\etc下。
i）浏览服务器网页，选择左边的“Installnewlicense”，弹出图1.4所示的“newlicense”窗口后，选择“InstallSavedFile”。
图1.4“newlicense”窗口
j）在如图1.5所示的窗口中浏览sedatools\etc目录，选择Silvaco.lic文件，并点击“Agree”。
图1.5浏览本地license文件
k）在图1.6所示的信息确认窗口中选择Done即完成安装。
若方框中MachineIDs所示内容包含“NL_HOSTIDS”，则重新修改Silvaco.lic文件，删除MachineIDs文本后面的“NL_HOSTIDS”。
图1.6信息确认窗口
2、
软件界面
a）运行快捷方式中DeckBuild，打开如图1.7所示的DeckBuild界面
图1.7DeckBuild界面
b）在DeckBuild中的Edit目录下，选择“Preferences”打开work文件夹设置窗口，在“workingdirectory”标签中可以查看或修改当前工作目录。
图1.8work文件夹设置
c）仿真完成后，通常会出现如图1.9的tonyplot结果显示窗口，用于显示仿真得到的二维、三维结构或结构特性曲线
图1.9结果显示窗口
d）在二维结构结果显示窗口中依次点击“plot”——“display”选项，弹出如图1.10的图形显示设置窗口。
在窗口中可以分别设置网格、边距、区域、等位线、矢量信息、光特性、结、电极、三维信息、颜色信息参数。
图1.10图形显示设置窗口
e）在特性曲线结果显示窗口中依次点击“plot”——“display”选项，弹出如图1.11所示的波形显示设置窗口。
在窗口中可设置曲线显示类型、坐标类型、XY轴显示量等参数。
图1.11波形显示设置窗口
f）在二维结构结果显示窗口中依次点击“tool”——“cutline”选项，弹出如图1.12所示的cutline窗口。
可以通过选取cutline，提取结构中某一点的特性参数。
图1.12cutline窗口
g）调取仿真实例
h）在deckbuild界面依次点击“help”——“example”菜单，启动如图1.13的“exampleloader”窗口。
图1.13“exampleloader”窗口
在“exampleloader”窗口第一行的下拉菜单中可以选择MOS、BJT等器件或Athena-implant等工艺类型，选定类型后可从下方列表中选取所需实例。
二、
silvacoTCAD工艺仿真操作
1、基本命令
a）go与quit
作用：
启动和退出仿真器。
例子：
goathena
#
linexloc=0spac=0.1
linexloc=0.2spac=0.006
.
.
.
tonyplot-overlay-stmos1ex02_1.log
quit
b）set
作用：
设置全局变量或tonyplot显示方式
例子：
settemp=1000
difusetime=30temp=$temp
此例中将“temp”设置为全局变量，在之后的仿真中声明“$temp”即可调用变量值。
c）tonyplot
作用：
图形显示仿真生成的器件结构、波形曲线等信息。
例子：
tonyplot-overlaycv.logiv.log-setshow.set
此例中将cv.log和iv.log两个文件，按照设置文件show.set的设置，叠加显示在一个窗口中。
d）extract
作用：
提取仿真中得到的器件、材料特性信息。
例子：
extractname=“gateox”thicknessoxidemat.occno=1
提取名称gateox厚度氧化物材料截取点1个x.val=0.49
x轴坐标0.49
此例中在x坐标0.49处，截取一个采样点，提取氧化物厚度，生成名为“gateox”的参数，并输出。
例子：
extractname=“nxj”xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1
提取名称nxj结深硅材料截取点1个x轴坐标0.1
junc.occno=1
结截取点1个
此例中在x坐标0.1处，截取一个采样点，提取硅材料中的结深，生成名为“nxj”的参数，并输出。
e）structure
作用：
翻转已有结构，或保存、倒入结构文件
例子：
structureoutfile=filename.str
保存当前结构为结构文件“filename.str”。
structureinfile=filename.str
导入名为“filename.str”的结构文件。
structuremirrorleft
对当前结构做镜像翻转。
structureflip.y
对当前结构做上下翻转。
2、网格定义
a）衬底网格定义
命令：
line
参数：
x——x轴
y——y轴
location——坐标位置
spacing——格点间距
例子：
linexloc=0.0spacing=0.1
linexloc=1.0spacing=0.1
lineyloc=0.0spacing=0.2
lineyloc=2.0spacing=0.2
此例中定义x坐标起点0.0、终点1.0，格点间距0.1；y坐标起点0.0、终点2.0，格点间距0.2。
b）新增淀积层网格定义
参数：
divisions——格点分层数量
dy——设定格点间距
ydy——格点间距起始位置
min.dy_最小格点间距
min.space——最小边界间距
例子：
depositpolysiliconthick=0.50divisions=10dy=0.1
ydy=0.02min.dy=0.01min.space=0.01
此例中将厚度为0.5的多晶硅坐标格点分为10层，设定格点间距为0.1，从0.02处开始执行0.1的间距，最小格点间距0.01，最小边界间距0.01。
3、衬底初始化
a）命令与语法
INITIALIZE
[MATERIAL][ORIENTATION=][ROT.SUB=][C.FRACTION=]
[C.IMPURITIES=|RESISTIVITY=][C.INTERST=]
[C.VACANCY=][BORON|PHOSPHORUS|ARSENIC|ANTIMONY]
[NO.IMPURITY][ONE.D|TWO.D|AUTO][X.LOCAT=][CYLINDRICAL]
[INFILE=][STRUCTURE|INTENSITY][SPACE.MULT=]
[INTERVAL.R=][LINE.DATA][SCALE=][FLIP.Y]
[DEPTH.STR=][WIDTH.STR=]
b）常用参数：
MATERIAL——衬底材料
ORIENTATION——衬底晶向
C.IMPURITIES——衬底杂质浓度
RESISTIVITY——衬底电阻率
ONE.D,TWO.D,AUTO——仿真维度
c）例子：
initsiliconc.boron=3.0e15orientation=100two.d
此例中初始化衬底为100晶向的单晶硅，衬底掺杂浓度为3.0e15的硼杂质，仿真维度为二维。
initsiliconphosphorresistivity=10orientation=111
此例中初始化衬底为111晶向的硅，衬底掺杂磷，电阻率10。
4、氧化、扩散
a）命令与语法
DIFFUSE
TIME=[HOURS|MINUTES|SECONDS]
TEMPERATURE=[T.FINAL=|T.RATE=]
[DRYO2|WETO2|NITROGEN|INERT][HCL.PC=][PRESSURE=]
[F.02=|F.H2=|F.H20=|F.N2=|F.HCL=]
[C.IMPURITIES=][NO.DIFF][REFLOW]
[DUMP][DUMP.PREFIX=][TSAVE=][TSAVE.MULT=]
[B.MOD=][p.MOD=][AS.MOD=][IC.MOD=][VI.MOD=]
b）常用参数：
TIME——时间
HOURS,MINUTES,SECONDS——时间单位
TEMPERATURE——工作氛围温度
DRYO2,WETO2,NITROGEN——工作气体氛围
HCL.PC——氧化剂中HCL百分比
PRESSURE——工作气压
F.02,F.H2,F.H20,F.N2,F.HCL——气体流速
C.IMPURITIES——工作气氛中杂质及其浓度
c）例子：
diffusetime=30temp=1000c.boron=1.0e20
此例中设定扩散时间30分钟、恒温1000℃、掺杂硼浓度1.0e20。
diffusetime=30temp=1000dryo2
此例中设定扩散时间30分钟、恒温1000℃、气氛为干氧，则实际为氧化工艺。
diffusetime=10temp=1000f.o2=10f.h2=10f.hcl=.1
此例中设定扩散时间10分钟、恒温1000℃、氧气10L/min、氢气10L/min、HCL0.1L/min。
5、离子注入
a）命令与语法
IMPLANT
[GAUSS|PEARSON|FULL.LAT|MONTECARLO|BCA][CRYSTAL|AMORPHOUS]
IMPURITYENERGY=DOSE=[FULL.DOSE]
[TILT=][ROTATION=][FULLROTATION][PLUS.ONE][DAM.FACTOR=]
[DAM.MOD=][PRINT.MOM][X.DISCR=][LAT.RATIO1][LAT.RATIO2]
[S.OXIDE=][MATCH.DOSE|RP.SCALE|MAX.SCALE][SCALE.MOM][ANY.PEARSON]
[N.ION=][MCSEED=][TEMPERATURE=][DIVERGENCE=]
[IONBEAMWIDTH=][IMPACT.POINT=][SMOOTH=]
[SAMPLING][DAMAGE][MISCUT.TH][MISCUT.PH][TRAJ.FILE=]
[N.TRAJ=][Z1=][M1=]
b）常用参数：
GAUSS,BCA,PEARSON,FULL.LAT,MONTECARLO——离子注入模型
CRYSTAL，AMORPHOUS——设定衬底晶体结构
IMPURITY——注入杂质类型
ENERGY——注入能量
DOSE——注入剂量
TILT——离子束入射角
ROTATION——离子束与仿真面夹角
FULLROTATION——设置为全角度注入
TEMPERATURE——注入时衬底温度
c）例子：
implantphosphdose=1e14energy=50tilt=10
此例中设定磷注入、注入剂量1e14、注入能量energy=50、入射角10°。
6、淀积
a）命令与语法
DEPOSIT
MATERIAL[NAME.RESIST=]THICKNESS=
[SITOPOLY][TEMPERATURE=]
[DIVISIONS=][DY=][YDY=][MIN.DY=][MIN.SPACE=]
[C.IMPURITIES=][F.IMPURITIES=][C.INTERST=][F.INTERST=]
[C.VACANCY=][F.VACANCY=][C.FRACTION=]F.FRACTION=]
[MACHINE=][TIME=][HOURS|MINUTES|SECONDS]
[N.PARTICLE=][OUTFILE=][SUBSTEPS=][VOID]
b）常用参数：
MATERIAL——淀积材料
NAME.RESIST——淀积光刻胶类型
THICKNESS——淀积厚度
C.IMPURITIES——淀积层杂质浓度
F.IMPURITIES——淀积层顶部杂质浓度
c）例子：
depositaluminthick=0.03divi=2
此例中淀积厚度为0.03的铝，材料厚度纵向分为2层。
depositmaterial=BPSGthickness=0.1div=6c.boron=1e20c.phos=1e20
此例中淀积厚度为0.1的BPSG，含硼杂质浓度1e20，磷杂质浓度1e20，材料厚度纵向分为6层。
7、刻蚀
a）命令与语法
ETCH
[MATERIAL][NAME.RESIST]
[ALL|DRY][THICKNESS=][ANGLE=][UNDERCUT=]
[LEFT|RIGHT|ABOVE|BELOW][P1.X=][P1.Y=][P2.X=][P2.Y=]
[START|CONTINUE|DONE][X=][Y=]
[INFILE=][TOP.LAYER][NOEXPOSE][DT.FACT=][DT.MAX=]
[DX.MULT=][MACHINE=][TIME=][HOURS|MINUTES|SECONDS]
[MC.REDEPO][MC.SMOOTH=][MC.DT.FACT=][MC.MODFNAME=]
b）常用参数：
MATERIAL——刻蚀材料
NAME.RESIS——刻蚀光刻胶种类
THICKNESS——刻蚀厚度
LEFT,RIGHT,ABOVE,BELOW——指定刻蚀区域方向
P1.X,P1.Y,P2.X,andP2.YT——指定刻蚀区域坐标
ALL——刻蚀所有指定材料
c）例子：
etchaluminiumrightp1.x=1.5
此例中刻蚀x坐标1.5右侧的铝。
etchoxideall
此例中刻蚀所有氧化物。
etchsiliconthick=0.5
此例中刻蚀硅材料厚度为0.5。
etchoxidestartx=1.5y=0.0
etchcontinuex=1.5y=−0.6
etchcontinuex=3.5y=−0.6
etchdonex=3.5y=0.0
此例中以x=1.5y=0.0；x=1.5y=−0.6；x=3.5y=−0.6；x=3.5y=0.0四个坐标为顶点，刻蚀坐标点包围区域内的氧化物。
8、光刻
a）命令与语法
MASK
NAME=[REVERSE][DELTA=]
ILLUMINATION
[I.LINE|G.LINE|H.LINE|KRF.LASER|DUV.LINE|ARF.LASER|F2.LASER|LAMBDA=]
[X.TILT=][Z.TILT=][INTENSITY=]
PROJECTION
[NA=][FLARE=]
PUPIL.FILTER
CIRCLE|SQUARE|GAUSSIAN|ANTIGAUSS
[GAMMA=][IN.RADIUS=][OUT.RADIUS=][PHASE=]
[TRANSMIT=][CLEAR.FIL]
b）常用参数：
NAME——导入掩模文件名
I.LINE,G.LINE,H.LINE——照明系统所用波长
LAMBDA——定义和改变光源波长
X.TILT,Z.TILT——照明系统与光轴夹角
NA——光学投影系统孔隙数
FLARE——成像时的耀斑数
CIRCLE,SQUARE,GAUSSIAN——发射孔形状
GAMMA——发射孔透明度
TRANSMIT——透射率
三、
silvacoTCAD器件仿真操作
图3.1silvacoTCAD器件仿真流程
1.初始化网格
a）命令与语法
meshspace.mult=
b）常用参数：
location——格点位置
spacing——格点间距
c）例子：
x.meshlocation=0.0spacing=0.05
此例中定义x格点坐标0.0，格点间距0.05。
2.区域定义
a）命令与语法
regionnumber=[]
b）例子：
regionnum=1y.max=0.5silicon
regionnum=2y.min=0.5y.max=1.0x.min=0x.max=1.0oxide
regionnum=3y.min=1.0y.max=2.0x.min=0x.max=1.0GaAs
此例中定义了3个区域，材料分别是硅、氧化物、砷化镓；每个区域通过x、y轴的最大与最小坐标确定范围。
3.电极定义
a）命令与语法
electrodename=[number=][substrate]
b）例子：
elecname=emitterx.min=1.75x.max=2.0y.min=-0.05
y.max=0.05
此例中定义电极名称为“emitter”，并通过x、y轴的最大与最小坐标确定电极位置。
4.杂质分布
a）命令与语法
doping
b）例子：
dopinguniformconc=1e16n.typeregion=1
此例中定义在区域1中形成浓度为1e16的n型均匀掺杂。
5.电极连接
a）使用contact命令和common参数短接两个电极
b）例子：
contactname=basecommon=collector
实现基极与集电极的短接
6.获取器件特性
使用solve命令通过对器件施加电流或电压来获取器件特性。
a）直流特性
solveinit
初始化，所有电极电压加为0V；
solvevbase=0.1
基极电压加为0.1V；
solvevdrain=0.0vstep=0.05vfinal=5.0name=drain
对漏极施加0-5V，步长为0.05V的扫描电压；
solvevbase=0.1
solvevbase=0.2
...
solvevbase=2.0
基极电压从0.1V加到0.2V，再逐步加到2V，可用于获取BE结I-V特性；
solveprevious
将之前计算所得结果用作当前计算的初始近似。
b）交流小信号特性
solvevbase=0vstep=0.05vfinal=2.0name=baseacfreq=1e6
频率不变，改变基极直流电压偏置，可用于获取特定频率下CV特性；
solvevbase=0.7acfreq=1e9fstep=1e9nfstep=10
基极电压0.7V，交变频率以1GHz步长，从1GHz增加到11GHz；
solvevbase=0.7acfreq=1e6fstep=2mult.fnfstep=10
solveprevacfreq=1e6fstep=2mult.fnfstep=10
基极电压0.7V，初始频率1MHz，频率每次增加变为原来的2被，最终频率1GHz；
7.提取仿真结果
a）命令：
extractextract-parameters
b）语法：
——表示字符串；
——表示整数；
竖线|——表示在左右的参数中选其一；
中括号[]——表示其中的参数为可选参数；
c）参数提取
extractname=“chan_surf_conc”surf.concimpurity=“Net
Doping”material=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.45
在x坐标0.45处选取1个材料截取点，提取名为“chan_surf_conc”对硅表面浓度；
extractname=“n++sheetrho”sheet.resmaterial=“Silicon”
mat.occn
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