半导体工艺学silvaco仿真实验报告.pdf

1、 2013 半导体工艺学半导体工艺学 silvacosilvaco 仿真实验报告仿真实验报告 电子电子 11021102 1121404911214049 浦探超浦探超 1 目录目录 一一、氧化氧化.2 25.1.1 硅的局部氧化工艺中鸟嘴效应的仿真.2 25.1.2 混合环境的氧化.3 25.1.5 LOCOS 工艺中多晶硅缓冲.4 25.1.9 沟槽侧墙向氧化的方向性.5 25.1.10 沟槽氧化过程中的无效区的形成.6 二二、扩散扩散.7 24.1.1 硼掺杂和退火.7 24.1.2 硼扩散的氧化增强效应.8 24.1.3 砷对晶格的损伤的扩散增强效应.9 24.1.7 发射极推进效应.

2、10 24.1.9 砷的激活.11 24.1.12 铟掺杂和退火.12 三三、离子注入离子注入.12 23.1.2 使用 SVDP 模型倾斜角的依靠性.12 23.1.3 使用 SVDP 模型掩蔽层厚度的依赖性.13 23.1.5 离子注入剂量对 P 沟道的影响.14 23.1.6 使用高能量掺杂倒掺杂阱的形成.15 23.1.8 磷穿过厚氮化硅层的掺杂.16 23.1.9 掺杂的横向蔓延.17 23.1.10 用高倾角形成 LDD 区.18 23.1.15 浅结的预非晶化效应.19 四四、光刻光刻.20 28.1.1 投影式光刻仿真.20 28.1.3 用相移掩膜技术（PSG）进行平坦光刻.

3、21 28.1.20 显影坚膜后的光刻胶流动模型.22 28.1.25 光学邻近修正掩膜板.23 五五、淀积淀积.24 27.1.1 淀积机器比较.25 27.1.9 沟槽的填充和平面化.25 27.1.17 传统淀积.26 27.1.19 互联的刻蚀、回流和金属化.28 六六、硅化物硅化物.28 26.1.6 使用钛化硅的自对准工艺.28 七七、刻蚀刻蚀.30 27.1.3 沟槽刻蚀：一种简单的方法.30 27.1.5 微负载效应.31 27.1.6 RIE 模型部件的比较.31 27.1.14 MOS 管 LDD 区的形成.32 八八、通孔互联通孔互联.33 27.1.13 金属化互联.3

4、3 九九、集成工艺集成工艺.34 2 27.1.28 多层 CMOS 结构.34 P57 Example MOS 工艺仿真实例.41 十十、实验心得实验心得.45 一一、氧化氧化 在升温环境里，通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应，可以在硅衬底上形成一层热生长的氧化层。硅片制造中氧化膜的作用有（1）保护和隔离，（2）钝化，（3）电解质材料，（4）掺杂掩蔽，（5）金属层之间的介质隔离。氧化膜的厚度依赖于它的用途。干法热生长氧化物的化学反应需要硅和氧化剂气体，在反应中消耗硅，湿氧的反应速度比干氧要快。在硅/二氧化硅界面存在不受欢迎的氧化电荷，这可使用 HCl 中和。热氧化物在线性阶段生长厚度约为

5、150A，随后是慢速的抛物线生长阶段。影响氧化生长速率的因素有：掺杂物、晶体晶向、压力和温度。二氧化硅可以使用生长或淀积的方法得到。E3E3：25.1.1 25.1.1 硅的局部氧化工艺中鸟嘴效应的仿真硅的局部氧化工艺中鸟嘴效应的仿真 这个例子验证了在硅的局部氧化工艺中，在氮化硅的掩膜下产生的鸟嘴效应的剖面演化过程，在硅衬底表面形成凹槽后再一系列的刻蚀。仿真结果：3 1Final profile of local oxidation in a shallow recess using simple models 结果分析：当氧扩散穿越已生长的氧化剂时，它是在各个方向上扩散的。一些氧原子纵向扩散

6、进入硅，另一些氧原子横向扩散。这意味着在氮化硅掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘。这就是 LOCOS氧化工艺中的“鸟嘴效应”。这种现象是 LOCOS 氧化工艺中不受欢迎的副产物。氧化物较厚时，“鸟嘴效应”更显著。为了减小氮化物掩膜和硅之间的应力，在它们之间热生长一层薄氧化层垫氧。或者可以使用浅槽隔离技术来代替 LOCOS，这样就可以避免“鸟嘴效应”。25.1.25.1.2 2 混合环境的氧化混合环境的氧化 这个例子示范了 SSUPREM4 在混合气体环境下的氧化能力。在氧气、水蒸气、氮气和氢气气流在扩散过程中分别详细阐述了各自

7、的比例。在氧化过程中 SSUPREM4 被循环用了多次，在每次循环过程中，不同的气体组合比例都作了详细说明。仿真结果：4 2 1D results of oxide thickness as a function of gas flow rates defined in SSUPREM4 结果分析：实验描述的是当气流中通过四种不同浓度比的由氧气、水、氢、氮构成的混合气体时Si 氧化成 SiO2 的不同程度，其中参数 F.O2,F.H2O,F.H2,F.N2 是每个气流中流的氧气、水、氢、氮的扩散语句。由图可以看出，不同的气体比例会得到不同的氧化效果。潮湿的氧化环境水蒸气在二氧化硅中扩散的更快、

8、溶解度更高，更有利于硅氧化生长速率的加快。而无论是何种程度的氧化，二氧化硅的生长都是要消耗硅的，氧化生长的越多，硅消耗的越多。硅消耗的厚度占氧化物总厚度的 0.46。氧化物生长发生在氧分子通过已生成的二氧化硅层运动进入硅片的过程中。25.1.525.1.5 LOCOSLOCOS 工艺中多晶硅缓冲工艺中多晶硅缓冲 这个例子演示了在 SSUPREM4 用 PBL 结构的模型。这种结构在衬底硅上淀积形成硅、二氧化硅、多晶硅和氮化硅的夹层结构。氮化硅形成的图案暴露的区域会被氧化。调用TONYPLOT 来展示这种材料的结构氧化的优先级。仿真结果：5 3 3Poly Buffered LOCOS show

9、s simultaneous lifting and oxidation of the floating polysilicon region 结果分析：这种结构在湿氧下、1000 摄氏度被氧化 120 分钟。这种氧化在仿真过程完全消耗在多晶硅暴露的部分，并且抬高了余下的多晶硅和氮化硅。25.1.925.1.9 沟槽侧墙向氧化的方向性沟槽侧墙向氧化的方向性 这个例子展示了圆片的方向会影响在沟槽侧向的生长速率。这种方向被规定为 xyz：100、110 和 111 三个方向。圆片的旋转参数被规定为：rot.sub。这种方式描述的参数 grid.ox 和 gridinit.ox 用来提高生长的氧化层

10、网格密度。仿真结果：6 4 Orientation Dependence in oxidation 结果分析：上图中红线代表忽略晶向影响的情况，绿线代表考虑晶向影响的情况。实验表明，在氧化生长的线性阶段侧墙的生长氧化受到硅晶向的影响。而在抛物线阶段侧墙的生长氧化几乎不受硅晶向的影响。25.1.1025.1.10 沟槽氧化过程中的无效区的形成沟槽氧化过程中的无效区的形成 这个例子描述了 SSUPREM4s 在考虑氧化物向前延伸接触后导致无效区的残生是的氧化能力。当氧化一个窄沟槽时直到氧化的前表面接触。在氧化过程中 SSUPREM4，在每个步骤之后都保存结构。这些保存的结构和最后的结构被用于显示移

11、动的边界变化过程。仿真结果：7 5Voids can be formed during oxidation 结果分析：上图演示的是沟槽夹断现象。在用 PECVD 进行淀积的时候，随着淀积过程的不断进行，膜在间隙入口出产生夹断现象，并且导致在间隙填充中的空洞，影响电学特性和长期可靠性。为了避免这一现象的产生，我们可以采用 HDPCVD 进行淀积。HDPCVD 即高密度等离子体 CVD，它的主要优点在于可以在 300 到 400 摄氏度较低的淀积温度下，制备出能够填充高深宽比间隙的膜。二二、扩散扩散 扩散是物质的一个基本性质，描述了一种物质在另一种物质中的运动情况。原子、分子和离子的运动造成由浓度

12、高的地方向浓度低的地方进行扩散。在半导体制造中，利用高温扩散驱动杂质穿过硅晶格。硅中固态杂质的热扩散需要三个步骤：预淀积、推进和激活。扩散分为恒定表面源扩散和有限表面源扩散，且两者扩散在扩散过程中分别满足余误差函数分布和高斯分布 E3E3：24.1.1 24.1.1 硼掺杂和退火硼掺杂和退火 这个例子给了一个简单的掺杂和退火的示范。硼是用来掺杂和剖面的扩散。由于掺杂没有掩膜，ATHENA/SSUPREM4 保留在 1D 模式。对于退火是用默认的 fermi 掺杂模式，在中等掺杂和惰性气体的条件下。在完成掺杂的计算后，TONYPLOT 用来描绘结构的 1D 图形。仿真结果：8 6 Boron I

13、mplant and Anneal using FERMI Model 结果分析：上图实验为硼的注入和退火的过程。红、绿、蓝线分别表示硼、磷以及净掺杂。注入后形成高斯分布。随着硼浓度的下降，净掺杂浓度等于磷的浓度。离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片，杂质通过与硅片发生原子级的高能碰撞，才能被注入。离子注入会将原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格。退火能够加热被注入硅片，修复晶格缺陷，还能使杂质原子移动到晶格点，将其激活，最小化杂质扩散。24.1.224.1.2 硼扩散的氧化增强效应硼扩散的氧化增强效应 这个例子示范了 OED 的扩散模型。当在氧化气氛中的扩散，在硅衬底以 si 被氧化的速率函数

14、一致的速率注入了点缺陷，点缺陷的注入使扩散速率增长通常称为 OED。仿真结果：9 7Effect of Oxidation Enhanced Diffusion with TWO.DIM Model compared to the default FERMI Model 结果分析：扩散工艺有二步，第一步为恒定表面浓度的扩散，第二步为有限源的扩散。在杂质浓度很高时，扩散系数不再是常数，而与掺杂浓度相关。该实验演示了氧化增强扩散（OED）的模型。对硼来说，其在硅中的扩散可以通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大量硅间隙原子注入，增加了硼的扩散系数。有利于扩散的进行。24.1.324.1.3

15、 砷对砷对晶格的损伤的晶格的损伤的扩散扩散增强效应增强效应 这个例子示范了重离子砷掺杂典型的 MOS 的源漏或三极管的发射极处理典型的重离子砷掺杂对晶格产生的扩散增强效应。扩散增强是在重掺杂下由于缺陷的引入是 TED 和 RTA效应的原因。仿真结果：10 8 Effect of Implant Damage Enhanced Diffusion with FULL.CPL Model compared to the default FERMI Model.结果分析：杂质在硅原子间穿行，会在晶格中产生一条受损伤的路径，损伤的情况决定于杂质离子的轻重。上图为重离子注入造成晶格损伤，重离子每次与硅原

16、子碰撞都会转移许多能量，并沿相对较小的散射角度偏转。每个位移硅原子也会产生大量的位移。重离子注入造成的晶格损伤需要进行 RTA 来进行修复晶格损伤。使扩散效应增强。另外，还能使杂质原子移动到晶格点，将其激活。24.1.724.1.7 发射极推进效应发射极推进效应 这个例子示范了使用 FULL.CPL 模型仿真发射极推进效应。仿真结果：11 9 Emitter Push Effect 结果分析：本实验演示的是硼掺杂发射极的推进效应。在磷发射区下的硼比旁边的硼扩散得快，导致基区宽度改变。硼扩散增强是由于磷与空位相互作用形成的 PV 对分解所带来的复合效应。硼附近 PV 对的分解会增加空位的浓度，加快了硼扩散的速度。24.1.924.1.9 砷的激活砷的激活 这个例子示范了的砷的活化模型。这个模型是基于聚集砷掺杂剂，默认的其他种掺杂剂激活模型是基于固溶度的。仿真结果：10Arsenic Activation at low and high temperatures 12 结果分析：TONYPLOT 仿真出的结果表明高温和激活的砷会增强扩散效应 24.1.1224.1.12 铟掺杂和退火铟掺杂