半导体工艺仿真指导书.docx

1、半导体工艺仿真指导书半导体工艺仿真实验指导书基于silvaco TCAD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silvaco TCAD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silvaco TCAD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、 silvaco TCAD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“Install License Server”选项，点击Next，即开始安装程序。图1.1 silvac

2、o TCAD 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. EDA Tools”，选择“Stop Server”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“sedatoolslibrpc.sflmserverd8.0.3.Rx86-nt”目录中。d) 在快捷方式中运行“Start Server”。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“SFLM Admin”再次打开。f) 输入b）中设置的密码，点击login，

3、并记录下方框中的“Machine IDs”。g) 打开_key 文件夹中Silvaco.lic文件，如图1.3所示，将“LM_HOSTIDS xxxxxxxxxNL_HOSTIDS” 中“xxxxxxxx”位置的内容替换为f）中记录的Machine IDs。图1.3 Silvaco.lic文件h) 将Silvaco.lic文件复制到目录sedatoolsetc下。i) 浏览服务器网页，选择左边的“Install new license”，弹出图1.4所示的“new license”窗口后，选择“Install Saved File”。图1.4 “new license”窗口j) 在如图1.5所

4、示的窗口中浏览sedatoolsetc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Machine IDs所示内容包含“NL_HOSTIDS”，则重新修改Silvaco.lic文件，删除Machine IDs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1.7 DeckBuild界面b) 在DeckBuild中的Edit目录下，选择“Preferences”打开work文

5、件夹设置窗口，在“working directory”标签中可以查看或修改当前工作目录。图1.8 work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

6、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“example loader”窗口。图1.13 “example loader”窗口在“example loader”窗口第一行的下拉菜单中可以选择MOS、BJT等器件或Athena-implant

7、等工艺类型，选定类型后可从下方列表中选取所需实例。二、 silvaco TCAD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： go athena#line x loc=0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006.tonyplot -overlay -st mos1ex02_1.log quit b) set作用：设置全局变量或tonyplot显示方式例子： set temp=1000difuse time=30 temp=$temp 此例中将“temp”设置为全局变量，在之后的仿真中声明“$temp”即可调用变量值。c) ton

8、yplot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 -overlay cv.log iv.log -set show.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： extract name=“gateox” thickness oxide mat.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“ga

9、teox”的参数，并输出。例子： extract name=“nxj” xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 提取 名称 nxj 结深 硅 材料截取点1个 x轴坐标0.1junc.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： structure outle=lename.str 保存当前结构为结构文件“lename.str”。 structure inle=lename.str 导入名为“lename.str”的结构文件

10、。 structure mirror left 对当前结构做镜像翻转。structure ip.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： xx轴yy轴location坐标位置spacing格点间距例子： line x loc=0.0 spacing=0.1line x loc=1.0 spacing=0.1line y loc=0.0 spacing=0.2line y loc=2.0 spacing=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： division

11、s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： deposit polysilicon thick=0.50 divisions=10 dy=0.1 ydy=0.02 min.dy=0.01 min.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INITIALIZEMATERIAL ORIENTATION=ROT.SUB=C.FRACTION=C.IMPURITIES=|RE

12、SISTIVITY=C.INTERST=C.VACANCY=BORON | PHOSPHORUS | ARSENIC | ANTIMONYNO.IMPURITYONE.D | TWO.D | AUTO X.LOCAT= CYLINDRICALINFILE= STRUCTURE | INTENSITYSPACE.MULT= INTERVAL.R=LINE.DATASCALE=FLIP.YDEPTH.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, AU

13、TO仿真维度c) 例子： init silicon c.boron=3.0e15 orientation=100 two.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。init silicon phosphor resistivity=10 orientation=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DIFFUSETIME=HOURS|MINUTES|SECONDSTEMPERATURE=T.FINAL=|T.RATE=DRYO2|WETO2|NITROGEN|INERTHCL.PC=PR

14、ESSURE=F.02=|F.H2=|F.H20=|F.N2=|F.HCL=C.IMPURITIES=NO.DIFFREFLOWDUMPDUMP.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：

15、 diffuse time=30 temp=1000 c.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。diffuse time=30 temp=1000 dryo2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。diffuse time=10 temp=1000 f.o2=10 f.h2=10 f.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IMPLANTGAUSS | PEARSON | FULL.LAT | MONTE

16、CARLO | BCA CRYSTAL | AMORPHOUSIMPURITY ENERGY= DOSE= FULL.DOSETILT= ROTATION= FULLROTATION PLUS.ONE DAM.FACTOR=DAM.MOD= PRINT.MOM X.DISCR= LAT.RATIO1 LAT.RATIO2S.OXIDE=MATCH.DOSE|RP.SCALE|MAX.SCALESCALE.MOMANY.PEARSONN.ION= MCSEED= TEMPERATURE= DIVERGENCE=IONBEAMWIDTH= IMPACT.POINT= SMOOTH=SAMPLING

17、 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： implant phosph dose=1e14 energy=50 tilt=10此例中设定磷注入、注入剂量1e14、注入能量ene

18、rgy=50、入射角10。6、 淀积a) 命令与语法DEPOSITMATERIAL NAME.RESIST= THICKNESS=SI TO POLYTEMPERATURE=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 | SECONDSN.PARTICLE=OUTFILE=SUBSTEPS=VOIDb) 常用参数：MATERIAL淀积材

19、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： deposit alumin thick=0.03 divi=2此例中淀积厚度为0.03的铝，材料厚度纵向分为2层。deposit material=BPSG thickness=0.1 div=6 c.boron=1e20 c.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 MATERIALNAME.RESISTALL | DRYTH

20、ICKNESS=ANGLE= UNDERCUT=LEFT|RIGHT|ABOVE|BELOWP1.X=P1.Y=P2.X=P2.Y=START | CONTINUE | DONEX=Y=INFILE=TOP.LAYERNOEXPOSEDT.FACT=DT.MAX=DX.MULT=MACHINE=TIME=HOURS | MINUTES | SECONDSMC.REDEPOMC.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

21、向P1.X, P1.Y, P2.X, and P2.YT指定刻蚀区域坐标ALL刻蚀所有指定材料c) 例子： etch aluminium right p1.x=1.5此例中刻蚀x坐标1.5右侧的铝。etch oxide all此例中刻蚀所有氧化物。etch silicon thick=0.5此例中刻蚀硅材料厚度为0.5。etch oxide start x=1.5 y=0.0etch continue x=1.5 y=0.6etch continue x=3.5 y=0.6etch done x=3.5 y=0.0此例中以x=1.5 y=0.0；x=1.5 y=0.6；x=3.5 y=0.6；

22、x=3.5 y=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MASKNAME= REVERSE DELTA=ILLUMINATIONI.LINE|G.LINE|H.LINE|KRF.LASER|DUV.LINE|ARF.LASER|F2.LASER|LAMBDA=X.TILT=Z.TILT= INTENSITY=PROJECTIONNA=FLARE=PUPIL.FILTERCIRCLE | SQUARE | GAUSSIAN | ANTIGAUSSGAMMA=IN.RADIUS=OUT.RADIUS=PHASE=TRANSMIT=CLEAR.FILb) 常用参

23、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、 silvaco TCAD器件仿真操作图3.1 silvaco TCAD器件仿真流程1. 初始化网格a) 命令与语法mesh space.mult=b) 常用参数：location格点位置spacing格点间距c) 例子： x.mesh location=0.0 spacing=0.05此例中

24、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region number= b) 例子： region num=1 y.max=0.5 siliconregion num=2 y.min=0.5 y.max=1.0 x.min=0 x.max=1.0 oxideregion num=3 y.min=1.0 y.max=2.0 x.min=0 x.max=1.0 GaAs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electrode name= number=substrate b) 例子

25、： elec name=emitter x.min=1.75 x.max=2.0 y.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： doping uniform conc=1e16 n.type region=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： contact name=base common=collector 实现基极与集电极的短接6. 获取器件特性

26、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solve init初始化，所有电极电压加为0V；solve vbase=0.1基极电压加为0.1V；solve vdrain=0.0 vstep=0.05 vfinal=5.0 name=drain对漏极施加0-5V，步长为0.05V的扫描电压；solve vbase=0.1solve vbase=0.2.solve vbase=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；solve previous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solve vbase

27、=0 vstep=0.05 vfinal=2.0 name=base ac freq=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；solve vbase=0.7 ac freq=1e9 fstep=1e9 nfstep=10基极电压0.7V，交变频率以1GHz步长，从1GHz增加到11GHz；solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10solve prev ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=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

28、. 提取仿真结果a) 命令：extract extract-parametersb) 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 extract name=“chan_surf_conc” surf.conc impurity=“Net Doping”material=“Silicon” mat.occno=1 x.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；extract name=“n+ sheet rho” sheet.res material=“Silicon” mat.occn