发之于心 察之于微 究之以底 亲而为之

1. 新一代工艺及器件仿真工具 Sentaurus 发之于心 察之于微究之以底 亲而为之

2. 课程内容 • Sentaurus TCAD介绍与概述 • Sentaurus Workbench介绍与使用 • Sentaurus Process Simulator介绍与使用 • Sentaurus Structure Editor介绍与使用 • Sentaurus Device Simulator介绍与使用 • Sentaurus其他工具介绍

3. TCAD概述 • 什么是 TCAD？ • TCAD计算机辅助技术(Technology Computer Aided Design) • Process Simulation；Device Simulation • TCAD工具有哪些？ • Sentaurus Workbench (SWB) • Sentaurus Process (sprocess) • Sentaurus Structure Editor (sde) • Sentaurus Device (sdevice) • Tecplot SV/Inspect

4. Synopsys公司简介 • Synopsys公司总部设在美国加利福尼亚州Mountain View，有超过60家分公司分布在北美、欧洲与亚洲。 • 2002年并购Avant公司后，Synopsys公司成为提供前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商。 • Sentaurus是Synopsys公司收购瑞士ISE(Integrated Systems Engineering)公司后发布的产品，全面继承了ISE TCAD,Medici和Tsuprem4的所有特性及优势。

5. TCAD概述 *_fps.cmd sprocess *_bnd.tdr • T4 / Medici • Sentaurus • ISE • Silvaco *_fps.tdr *_dvs.cmd • sde *_msh.tdr TCAD *_des.cmd • sdevice *.plt *.tdr Workbench (SWB)

6. TCAD概述 *_fps.cmd sprocess *_bnd.tdr • T4 / Medici • Sentaurus • ISE • Silvaco *_fps.tdr *_dvs.cmd • sde *_msh.tdr TCAD *_des.cmd • sdevice *.plt *.tdr Workbench (SWB)

7. Sentaurus Workbench介绍与使用 • Getting Started • Creating Projects • Building Multiple Experiments

8. SWB的工具特征 • Workbench基于集成化架构模式来组织、实施TCAD仿真项目的设计和运行，为用户提供了图形化界面，可完成系列化仿真工具软件以及诸多第三方工具的运行，以参数化形式实现TCAD项目的优化工程。

9. SWB的工具特征 • SWB被称为“虚拟的集成电路芯片加工厂” • SWB环境科集成Synopsys公司的系列化TCAD仿真工具，使用户在集成环境下实现TCAD仿真及优化。 • SWB基于现代实验方法学和现代实验设计优化的建模。用户可根据进程进行实验结果的统计分析、工艺及器件参数的优化。 • SWB支持可视化的流程操作，用户可方便地安排和检测仿真的动态过程。

10. Getting Started • 安装在137服务器下 • 利用putty软件在137中取得端口号： vncserver –geometry 1280x960 • 利用VNC软件登陆137服务器

11. Getting Started • 打开软件指令：source /opt/demo/sentaurus.env GENESISe& • 重装license指令 • su - （进入root，密码向机房管理员索取） • /opt/sentaurus09/linux/bin/lmdown –c /opt/license/synopsys.dat (关闭license) • /opt/sentaurus09/linux/bin/lmgrd –c /opt/license/synopsys.dat （安装license） • exit (退出root权限)

12. Creating Projects 主菜单 仿真工具菜单 项目编辑环境

13. Creating Projects

14. Creating Projects • 新建文件夹和项目

15. Creating Projects • 构造仿真流程 SE 网格策略和电极定义 SP 工艺仿真 SD 器件特性仿真 SE 器件绘制以 网格定义 SD 器件特性仿真

16. Creating Projects

17. Building Multiple Experiments

18. Building Multiple Experiments

19. Building Multiple Experiments

20. Building Multiple Experiments Parameter在cmd文件中的定义与使用:

21. TCAD概述 *_fps.cmd sprocess *_bnd.tdr • T4 / Medici • Sentaurus • ISE • Silvaco *_fps.tdr *_dvs.cmd • sde *_msh.tdr TCAD *_des.cmd • sdevice *.plt *.tdr Workbench (SWB)

22. Sentaurus Process Simulator • Synopsys Inc.的Sentaurus Process 整合了： • Avanti 公司的TSUPREM系列工艺级仿真工具（Tsupremⅰ，Tsupremⅱ，Tsupremⅲ只能进行一维仿真，到了第四代的商业版Tsuprem4能够完成二维模拟） • Avanti公司的Taurus Process 系列工艺级仿真工具； • ISE Integrated Systems Engineering公司的ISE TCAD工艺级仿真工具Dios（二维工艺仿真）FLOOPS-ISE（三维工艺仿真）Ligament（工艺流程编辑）系列工具，将一维、二维和三维仿真集成于同一平台。

23. Sentaurus Process • 在保留传统工艺级仿真工具卡与命令行运行模式的基础上，又作了诸多重大改进： • 增加、设置了一维模拟结果输出工具（Inspect）和二维、三维模拟结果输出工具（Tecplot SV）。Inspect 提供了一维模拟结果的交互调阅。而Tecplot SV 则实现了仿真曲线、曲面及三维等输出结果的可视化输出。（ISE TCAD的可视化工具Inspect和tecplot的继承） • 增加、设置了模型参数数据库浏览器（PDB），为用户提供修改模型参数及增加模型的方便途径；

24. Sentaurus Process • Sentaurus Process 还收入了诸多近代小尺寸模型。这些当代的小尺寸模型主要有： • 高精度刻蚀模型及高精度淀积模型； • 基于Crystal-TRIM 的蒙特卡罗（Monte Carlo）离子注入模型、离子注入校准模型、注入解析模型和注入损伤模型； • 高精度小尺寸扩散迁移模型等。 • 引入这些小尺寸模型，增强了仿真工具对新材料、新结构及小尺寸效应的仿真能力，适应未来半导体工艺技术发展的需求。

25. Sentaurus Process

26. Sentaurus Process • Print（Hello NMOS！）

27. Sentaurus Process

28. 关键词 SP器件结构说明语句 region：用于指定矩形网络中的矩形材料区域 Line：用于定义器件的矩形区域网格 Grid：执行网络设置的操作命令 Doping：定义分段的线性掺杂剖面分布 Refinebox：设置局部网格参数，并使用MGOALS库执行网络细化 Contact：设置器件仿真需要的电极结构信息。 SP的工艺步骤说明语句 Deposit：淀积语句 Diffuse：高温热扩散与高温氧化 Photo：光刻胶 Mask：定义掩膜光刻和离子注入所需要的掩膜类型 Etch：刻蚀 Strip：剥离 Implant：实现离子注入仿真的语句

29. 定义2D器件区域 #Hello NMOS Graphics on line x location= 0.0 spacing= 1.0<nm> tag=SiTop line x location=50.0<nm> spacing=10.0<nm> line x location= 0.5<um> spacing=50.0<nm> line x location= 2.0<um> spacing= 0.2<um> line x location= 4.0<um> spacing= 0.4<um> line x location=10.0<um> spacing= 2.0<um> tag=SiBottom line y location=0.0 spacing=50.0<nm> tag=Mid line y location=0.40<um> spacing=50.0<nm> tag=Right Initial 2D grid.

30. region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Mid yhi=Right init concentration=1.0e+15<cm-3> field=Phosphorus wafer.orient=100 （N形衬底） • 仿真区域初始化 • Boron注入 implant Boron dose=2.0e13<cm-2> energy=200<keV> tilt=0 rotation=0 implant Boron dose=1.0e13<cm-2> energy= 80<keV> tilt=0 rotation=0 implant Boron dose=2.0e12<cm-2> energy= 25<keV> tilt=0 rotation=0 （P阱） 常见掺杂杂质 N型：Phosphorus、Arsenic P型：Boron

31. 生长栅氧化层 • min.normal.size用来指定边界处的网格间距，离开表面后按照normal.growth.ratio确定的速率调整，accuracy为误差精度。 mgoals on min.normal.size=1<nm> max.lateral.size=2.0<um> \ normal.growth.ratio=1.4 accuracy=2e-5 ##-Note: accuracy needs to be much smaller than min.normal.size diffuse temperature=850<C> time=10.0<min> O2 • 生长多晶硅 deposit poly type=anisotropic thickness=0.18<um> （各向异性） mask name=gate_mask left=-1 right=90<nm> etch poly type=anisotropic thickness=0.2<um> mask=gate_mask etch oxide type=anisotropic thickness=0.1<um>

32. 注意点 • 掩膜版使用前必须要先定义，mask • Etch命令用来去除没有光刻胶保护的材料 • 多晶硅的二次氧化 • 为减小多晶硅栅表面的应力，需要再多晶硅上生长一层薄氧化层 diffuse temperature=900<C> time=10.0<min> O2 pressure=0.5<atm> \ mgoals.native • 默认pressure为1atm。 • Mgoals.native表示自动采用MGOALS对这层进行网格分布

33. Mgoals.native

34. 保存结构文件 • Sentaurus Process中使用struct命令来保存结构文件，同样可以使用Tecplot SV来调阅结构文件。保存格式有TDR和DF-ISE，这里使用TDR格式来保存 struct tdr=NMOS4

35. LDD和Halo（晕环）注入前网格的细化 • min和max定义refinebox的范围 • Xrefine和yrefine定义refinebox的网格细化规则 • The first number specifies the spacing at the top or left side of the box, the second number defines the spacing in the center, and the last one at the bottom or right side of the box. refinebox silicon min= {0.0 0.05} max= {0.1 0.12} \ xrefine= {0.01 0.01 0.01} yrefine= {0.01 0.01 0.01} add refinebox remesh

36. LDD和Halo（晕环）注入 • LDD注入形成N-区域，为了有效抑制热载流子效应 • Halo注入目的是在源漏的边缘附近形成高浓度的硼掺杂区域，用来有效抑制有可能发生的短沟道效应 implant Arsenic dose=4e14<cm-2> energy=10<keV> tilt=0 rotation=0 （注入角、旋转角） implant Boron dose=0.25e13<cm-2> energy=20<keV> \ tilt=30<degree> rotation=0 implant Boron dose=0.25e13<cm-2> energy=20<keV> \ tilt=30<degree> rotation=90<degree> implant Boron dose=0.25e13<cm-2> energy=20<keV> \ tilt=30<degree> rotation=180<degree> implant Boron dose=0.25e13<cm-2> energy=20<keV> \ tilt=30<degree> rotation=270<degree> diffuse temperature=1050<C> time=5.0<s>

37. LDD和Halo（晕环）注入 制备前 LDD Halo

38. 侧墙制备 • 制备过程： • 在整个结构上淀积一层均匀的氧化硅层及氮化硅层．设置type=isotropic保证生长速率的各向同性．随后，将淀积的氧化层和氮化硅层刻蚀掉．刻蚀仅在垂直方向进行，则淀积在栅区边缘的材料并未被腐蚀掉，形成侧墙，以此作为源/漏注入时的掩膜． deposit oxide type=isotropic rate ={1} time=0.005 deposit nitride type=isotropic thickness=60<nm> etch nitride type=anisotropic thickness=84<nm> etch oxide type=anisotropic thickness=10<nm> struct tdr=SP 各相同性淀积 各相异性刻蚀

39. 制备结果

40. Source/Drain注入前网格再细化 refinebox silicon min= {0.04 0.05} max= {0.18 0.4} \ xrefine= {0.01 0.01 0.01} yrefine= {0.05 0.05 0.05} add refinebox remesh

41. Source/Drain注入 implant Arsenic dose=5e15<cm-2> energy=40<keV> \ tilt=7<degree> rotation=-90<degree> diffuse temperature=1050<C> time=10.0<s> struct tdr=SDim • 为了确保source和drain区域较低的电阻率，采用高剂量（5e15cm-2）。倾斜7°角防止沟道效应，离子注入过深

42. Source/Drain注入 注入前 注入以及退火后

43. 接触孔 • Isotropic（各向同性）刻蚀是为了把残留的金属刻蚀干净 deposit Aluminum type=isotropic thickness=30<nm> #0.2到1μm的部分被保护了下来 mask name=contacts_mask left=0.2<um> right=1.0<um> etch Aluminum type=anisotropic thickness=0.25<um> mask=contacts_mask etch Aluminum type=isotropic thickness=0.02<um> mask=contacts_mask

44. 翻转 • 由于漏源对称，所以翻转，加快设计周期 transform reflect left #TDR struct smesh=n@node@ 注意：n@node@的用法！根据节点自动编号， 便于流程化操作

45. NMOS结构

46. NMOS结构

47. TCAD概述 *_fps.cmd sprocess *_bnd.tdr • T4 / Medici • Sentaurus • ISE • Silvaco *_fps.tdr *_dvs.cmd • sde *_msh.tdr TCAD *_des.cmd • sdevice *.plt *.tdr Workbench (SWB)

48. Structure Editor的重要性 网格设置对方程(x-2)^2=0的数值解的影响

49. Sentaurus Structure Editor • SDE是SynopsysInc. TCAD Sentaurus系列工具中新增加的、具有器件结构编辑功能的集成化TCAD器件结构生成器。可与sprocess联用，弥补各自的不足。 • 在图形化用户界面（GUI-Graphic User Interface）下，交互可视地生成、编辑器件结构。 • 也可以在批处理命令模式下使用脚本语言来创建器件的结构设计。 • 系统的图形用户界面（GUI）与批处理命令脚本模式是可逆的 • 可视化的器件结构与参数化的器件结构相对应

50. Sentaurus Structure Editor • 包含以下几个工具模块： • 二维器件编辑（Device Editor）模块 • 三维器件编辑（Device Editor）模块 • Procem三维工艺制程仿真模块 • 具有的主要特征如下： • 具有优秀的几何建模内核，为创建可视化模型提供了保障 • 拥有高质量的绘图引擎和图形用户界面（GUI） • 共享DFISE和TDR输入和输出的文件格式