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TCAD 仿真工具的使用

TCAD 仿真工具的使用. ——TSUPREM4 仿真. 主要内容. 工具简介. 主要内容. TSUPREM4 使用介绍. 一、工具简介. 1 、 TCAD 仿真工具介绍. 目前世界上有四套 TCAD 仿真工具： Tsuprem4 / Medici Silvaco ( Athena / Atlas) ISE ( Dios / Mdraw / Dessis) Sentaurus （ Process / Structure / Device ）

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TCAD 仿真工具的使用

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  1. TCAD仿真工具的使用 ——TSUPREM4仿真

  2. 主要内容 工具简介 主要内容 TSUPREM4使用介绍

  3. 一、工具简介 1、TCAD仿真工具介绍 • 目前世界上有四套TCAD仿真工具： • Tsuprem4 / Medici • Silvaco( Athena / Atlas) • ISE ( Dios / Mdraw / Dessis) • Sentaurus（Process / Structure / Device） • Medici 和 Atlas 都包含器件构建工具和器件仿真工具，在后两个软件中器件构建和器件仿真被拆分成两个独立的工具。

  4. 2、仿真方式 • 工艺仿真器件仿真 • 器件构建器件仿真 • Tsuprem4Medici • AthenaAtlas • DiosMdrawDessis（或 MdrawDessis） • ProcessStructureDevice（或 StructureDevice ） • Medici • Atlas • MdrawDessis • Structure  Device

  5. 二、 Tsuprem4使用介绍 1、Tsuprem4简介 • 可仿真杂质在垂直于晶圆表面的二维器件横截面中的注入和再分布。 • 可处理的工艺步骤有 • 离子注入 • 惰性环境杂质再分布 • 外延生长 • 硅和多晶硅氧化物和硅化物生成 • 不同材料的低温淀积和刻蚀等 • 可用的杂质类型包括 • 硼、磷、砷、锑等。

  6. 可处理的材料有 • 单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅 • 钛、硅化钛 • 钨、硅化钨 • 光刻胶、铝 • 用户自定义的材料（主要定义材料的功函数） • 可获得的输出信息包括 • 结构中不同材料层的边界 • 每层中杂质的分布 • 由氧化、热循环、薄膜淀积产生的应力等等。

  7. 2、Tsuprem4 命令语句分类 • （1）文件及控制命令 • （2）定义器件结构的命令 • （3）工艺步骤命令（Tsuprem-4的核心） • （4）输出命令 • （5）模型与系数设置命令

  8. 1、COMMENT命令 • 用于注释。若注释有多行，下一行前要加“+”符号。 • 为方便起见，可用“$”符号代替。 例1：COMMENT this is a short comment 或 $ this is a short comment

  9. 2、SOURCE命令 • 用于调用语句模块 • DOPLOT • SOURCE DOPLOT plot.2d scale y.max=5 y.min=-5 color silicon color=6 color polysili color=7 color oxide color=8 color aluminum color=9

  10. 工艺仿真过程 • 掩膜数据文件导入 • 网格定义 • 工艺步骤仿真 • 结构操作 • 保存及输出

  11. TSUPREM4使用介绍 1、掩膜数据文件导入： 下图是一个GGNMOS结构，各点横坐标已确定，文件ggnmos.tl1是其掩膜数据文件。 MASK IN.FILE=ggnmos.tl1

  12. TSUPREM4使用介绍 2、网格定义： • 网格定义的重要性： • 网格定义技巧： • 网格定义方法： • 整个工艺文件在进行任何结构操作之前必须先定义网格，后面的所有仿真计算都是在网格节点上进行的。 • 离子注入区域、PN结区域、表面区域规划细致的网格。 • 器件底部规划粗糙的网格。 • 自动生成网格（MESH命令） • 手动添加网格线（LINE命令）

  13. TSUPREM4使用介绍 自动生成网格： • MESH [GRID.FAC=<n>] • [DX.MAX=<n>] [DX.MIN=<n>] [DX.RATIO=<n>] • [LY.SURF=<n>] [DY.SURF=<n>] [LY.ACTIV=<n>] [DY.ACTIV=<n>] • [LY.BOT=<n>] [DY.BOT=<n>] [DY.RATIO=<n>] • [DX.MAX=<n>] [DX.MIN=<n>] [DX.RATIO=<n>] 分别表示X轴方向网格间最大间距、最小间距，间距之间的比例。 • [LY.SURF=<n>] [LY.ACTIV=<n>][LY.BOT=<n>] 分别表示Y轴方向器件表面、有源区、底部的厚度。 • [DY.SURF=<n>] [DY.ACTIV=<n>] [DY.BOT=<n>] 分别表示Y轴方向器件表面、有源区、底部的网格间距。 • [DY.RATIO=<n>] 表示Y轴方向器件有源区网格间距到底部网格间距的变化比例。

  14. TSUPREM4使用介绍 手动添加网格 LINE X LOC=0.0 SPAC=0.15 LINE X LOC=1.25 SPAC=0.05 LINE X LOC=1.5 SPAC=0.1 LINE Y LOC=0 SPAC=0.03 LINE Y LOC=0.5 SPAC=0.1 LINE Y LOC=1 SPAC=0.5 通过定义X、Y轴方向上网格位置与间距来形成一个结构，可以看到对于不同点之间网格间距定义的大小不一样，但是T4会自动进行调整，从而形成如图所示的结构。

  15. TSUPREM4使用介绍 3、工艺步骤仿真 • 结构初始化 • 外延生长 • 淀积 • 光刻胶曝光，移除已曝光光刻胶 • 离子注入 • 热扩散

  16. TSUPREM4使用介绍 结构初始化 有两种形式： • 读入已有结构： INITIALIZE IN.FILE=oldstr 2.建立新结构： 结构区间定义 INIT <100> impurity=boron i.conc=1E15

  17. TSUPREM4使用介绍 外延生长命令格式： • EPITAXY TIME=<n> TEMPERAT=<n> [ {T.RATE=<n> | T.FINAL=<n>} ] [IMPURITY=<c> {I.CONC=<n> | I.RESIST=<n>}] [ANTIMONY=<n>] [ARSENIC=<n>] [BORON=<n>] [PHOSPHOR=<n>] [ {CONCENTR | RESISTIV} ] THICKNES=<n> [SPACES=<n>] [SELECTIV] [BLANKET] • SELECTIV表示外延生长只在硅和多晶硅表面进行，BLANKET表示不管下面的材料是什么，生长的都是单晶硅。

  18. TSUPREM4使用介绍 外延生长命令 EPITAXY TIME=180 TEMPERAT=1100 + ANTIMONY=1E19 THICK=1.0 SPACES=10 语句开头：Epitaxy 温度定义： • 恒温：TIME=<n> TEMPERAT=<n> • 单段升温： • TEMPERAT=<n> T.RATE=<n> T.FINAL=<n> • TEMPERAT=<n> TIME=<n> T.FINAL=<n> • 多段升温：分多句Epitaxy语句来写

  19. TSUPREM4使用介绍 外延生长命令（续） EPITAXY TIME=180 TEMPERAT=1100 + ANTIMONY=1E19 THICK=1.0 SPACES=10 掺杂定义： 淀积厚度、垂直方向网格数目： • [ANTIMONY=<n>] [ARSENIC=<n>] • [BORON=<n>] [PHOSPHOR=<n>] • IMPURITY=<c> I.CONC=<n> • IMPURITY=<c> I.RESIST=<n> RESISTIV • THICKNES=<n> [SPACES=<n>]

  20. TSUPREM4使用介绍 淀积命令格式： DEPOSITION { MATERIAL=<c> | SILICON | OXIDE | OXYNITRI | NITRIDE | POLYSILI | ALUMINUM | ( PHOTORES [ { POSITIVE | NEGATIVE } ] )} [ IMPURITY=<c> { I.CONC=<n> | I.RESIST=<n> } ] [ANTIMONY=<n>] [ARSENIC=<n>] [BORON=<n>] [PHOSPHOR=<n>] [ {CONCENTR | RESISTIV} ] THICKNES=<n> [SPACES=<n>]

  21. TSUPREM4使用介绍 淀积命令 DEPOSIT POLY THICK=0.2 PHOSPHOR=1E20 SPACES=5 • 语句开头：Deposit • 淀积材料和厚度定义 • 掺杂定义 • 垂直方向网格数目 • 注：如果淀积光刻胶，要指明是正胶还是负胶 • deposit photo negative thick=1.25 • deposit photo positive thick=2.0

  22. TSUPREM4使用介绍 刻蚀命令的格式： • ETCH [ { MATERIAL=<c> | SILICON | OXIDE | OXYNITRI | NITRIDE| POLYSILI | PHOTORES | ALUMINUM }] { ( TRAPEZOI [THICKNESS=<n>] [ANGLE=<n>] [UNDERCUT=<n>] ) | ( {LEFT | RIGHT} [P1.X=<n>] [P1.Y=<n>] [P2.X=<n>] [P2.Y=<n>] ) | ({START |CONTINUE |DONE} X=<n> Y=<n> ) | ISOTROPI | ( OLD.DRY THICKNESS=<n> ) | ALL | TOPOGRAP=<c>}

  23. TSUPREM4使用介绍 刻蚀 ETCH （Tsuprem4刻蚀模型） • 四种刻蚀模型：TRAPEZOI，OLD.DRY，ISOTROPI，ALL • TRAPEZOI是默认的模型（刻蚀掉梯形区域）。 • OLD.DRY模型已被TRAPEZOI所取代。 • ISOTROPI是各向同性刻蚀，刻掉THICKNESS范围内任意方向的材料（如：侧墙上的氧化层也可以刻掉）。 • ALL模型会刻蚀掉所有水平方向上的材料（不能刻掉垂直方向上的侧墙）。

  24. TSUPREM4使用介绍 刻蚀（Tsuprem4三种刻蚀方式） • 1、ETCH TRAPEZOI [THICKNES=<n>] [ANGLE=<n>] [UNDERCUT=<n>] • 2、ETCH {LEFT | RIGHT} [P1.X=<n>] [P1.Y=<n>] [P2.X=<n>] [P2.Y=<n>] • 例：ETCH NITRIDE LEFT P1.X=0.5 P2.Y=0 • （P1.Y缺省值为整个结构的最高点（-1），P2.X缺省值等于P1.X）

  25. TSUPREM4使用介绍 刻蚀（TSUPREM4三种刻蚀方式，续） 3、ETCH {START |CONTINUE |DONE} X=<n> Y=<n> • ETCH OXIDE START X=0.0 Y=0.0 • ETCH CONTINUE X=1.0 Y=0.0 • ETCH CONTINUE X=1.0 Y=1.0 • ETCH DONE X=0.0 Y=1.0

  26. TSUPREM4使用介绍 离子注入格式 IMPLANT DOSE=<n> ENERGY=<n> [TILT=<n>] [ROTATION=<n>] {IMPURITY=<c> | ANTIMONY | ARSENIC | BORON | BF2 | PHOSPHOR} [DAMAGE] IMPL.TAB=<C>|MONTECAR • DAMAGE定义点缺陷模型

  27. TSUPREM4使用介绍 离子注入 implant dose=4.0e12 energy=80 imp=phosphorus + tilt=7 rotation=30 impl.tab=phosphorus • 语句开头：implant • 注入杂质种类（硼B、氟化硼BF3、磷P、砷As、锑Sb、铟In） • 注入能量 • 注入剂量 • 硅片倾角 • 旋转角度 • 注入模型选择 （Table注入模型和Monte Carlo 注入模型）

  28. TSUPREM4使用介绍 热扩散格式 • DIFFUSION TIME=<n> [CONTINUE] [TEMPERAT=<n>] [ {T.RATE=<n> | T.FINAL=<n>} ] [ { DRYO2 | WETO2 | STEAM | N2O | INERT| ( [F.O2=<n>] [F.H2O=<n>] [F.N2O=<n>][F.H2=<n>] [F.N2=<n>] [F.HCL=<n>] )}]

  29. TSUPREM4使用介绍 热扩散 DIFFUSION TIME=30 TEMP=800 T.FINAL=1000 F.O2=4 F.HCL=0.03 仿真氧化、退火等高温下的工艺步骤。 • 语句开头：Diffusion • 温度及时间定义： • TIME=<n>定义该步骤持续时间。 • TEMPERAT=<n>是该步骤起始温度，T.RATE=<n>是温度随 时间增长速率，T.FINAL=<n>是截止温度。 • T.FINAL= TEMPERAT+ TIME*T.RATE。 • 气体氛围及各自的流量 DRYO2 | WETO2 | STEAM | N2O | INERT| ( [F.O2=<n>] [F.H2O=<n>] [F.N2O=<n>][F.H2=<n>] [F.N2=<n>] [F.HCL=<n>]）

  30. TSUPREM4使用介绍 氧化及扩散模型的选择 • METHOD [ {ERFC | ERF1 | ERF2 | ERFG | VERTICAL |COMPRESS | VISCOELA | VISCOUS} [ {PD.FERMI | PD.TRANS | PD.FULL} ]

  31. TSUPREM4使用介绍 氧化及扩散模型的选择 ERFC | ERF1 | ERF2 | ERFG • ERFC最简单、仿真速度最快，适用于掺杂对氧化速率的 影响可忽略的情况，在结构表面平整或近似平整的条件下 也可用于局部氧化。 • ERF1、ERF2是ERFG的子集。 • ERFG模型适用于那些在氧化层上将会继续生长氮化物的硅表面生长氧化层。 • 氮化物层厚度与衬底表面氧化层厚度相比较，如果氮化物层厚度较小，则选择ERF1模型；相反，则选择ERF2模型。

  32. TSUPREM4使用介绍 氧化及扩散模型的选择 VERTICAL |COMPRESS | VISCOELA | VISCOUS • VERTICAL模型适用于局部氧化及结构表面平整的氧化，不能用在沟道、多晶硅氧化。 • COMPRESS把粘性流动及结构表面晶向变化的因素考虑在内，但不考虑应力的影响。 • VISCOELA用了与COMPRESS相同的弹性系数，与VISCOUS模型相同的粘性系数与应力相关参数，能计算应力的粗略值。 • VISCOUS能够精确地计算应力，但仿真速度很慢。 • 结构平整 • 氧化步骤少 • 对氧化层形状没有精确的要求。

  33. TSUPREM4使用介绍 点缺陷模型 PD.FERMI | PD.TRANS | PD.FULL • PD.FERMI最快、最简单，既不考虑非平衡态点缺陷浓度（以下简称A）对杂质扩散（以下简称B）的影响，也不考虑杂质扩散（B）对点缺陷浓度分布(A)的影响； • PD.TRANS在二维平面上对点缺陷的产生、扩散及再结合进行仿真，它考虑A对B的影响，不考虑B对A的影响。 • PD.FULL既考虑A对B的影响，也考虑B对A的影响。 • 如果要考虑大注入效应或离子注入对晶格破坏的影响，就必须用PD.FULL模型。

  34. TSUPREM4使用介绍 4、结构操作 • 裁剪、镜像对称当前结构 • 为当前结构添加电极

  35. TSUPREM4使用介绍 裁剪、镜像对称当前结构 • STRUCTURE [TRUNCATE{({RIGHT| LEFT} X=<n> ) |( {BOTTOM | TOP} Y=<n> )}] [ REFLECT [ {RIGHT | LEFT} ] ] • TRUNCATE、REFLECT分别表示裁剪、镜像对称 • 例：STRUCTURE TRUNCATE RIGHT X=1.2 + REFLECT RIGHT

  36. TSUPREM4使用介绍 裁剪、镜像对称当前结构 • 例：STRUCTURE REFLECT LEFT

  37. TSUPREM4使用介绍 添加电极 • ELECTRODE [NAME=<c>] [{(X=<n>[Y=<n>]) |BOTTOM}] • 为MOS管添加电极的实例： ELECTRODE X=0.1 Y=0.1 NAME=Source ELECTRODE X=1.2 Y=0.1 NAME=Gate ELECTRODE X=2.3 Y=0.1 NAME=Drain ELECTRODE BOTTOM NAME=Bulk

  38. TSUPREM4使用介绍 5、保存及输出 • 保存网格及结果信息 • 读入网格及结果信息 • 读取输出结果

  39. TSUPREM4使用介绍 保存文件、读入文件 • SAVEFILE OUT.FILE=<c> (TIF [TIF.VERS=<c>]) | (MEDICI [POLY.ELE] [ELEC.BOT]] ) • MEDICI表示将结果保存为能被MEDICI识别的文件 • POLY.ELE表示在输出文件中多晶硅区域将转化成电极 • ELEC.BOT参量表示在结构底部引出电极 • LOADFILE IN.FILE=<c> { ( [SCALE=<n>] [FLIP.Y] ) | TIF }

  40. TSUPREM4使用介绍 • 输出 • 结深打印及层次信息（SELECT、PRINT.1D） • 一维浓度分布图 (SELECT、PLOT.1D) • 二维结构图 (PLOT.2D、COLOR) • 网格图 (PLOT.2D) • 绘制等浓度线 (SELECT、PLOT.2D、FOREACH、 CONTOUR) • 应力图绘制（SELECT、PLOT.2D） • 不同VBS下的阈值电压仿真（ELECTRICAL、PLOT.1D） • 结电容C-V特性（ELECTRICAL、 PLOT.1D ）

  41. TSUPREM4使用介绍 SELECT • 计算打印或绘图的数据，也可添加图表标题、坐标标签。 • 格式：SELECT [Z=<c>] [LABEL=<c>] [TITLE=<c>] • Z=<c>定义一个数学表达式，如果表达式中有空格，整个表达式一定要用括号括起来，LABEL=<c>放置一维图表的y坐标标签或三维图表的z坐标标签，TITLE=<c>添加图表标题。

  42. TSUPREM4使用介绍 PRINT.1D • 打印SELECT语句中定义的Z沿结构某一方向的值，也可以打印各层厚度以及完整的掺杂信息。 • PRINT.1D { X.VALUE=<n> | Y.VALUE=<n> } [SPOT=<n>] [LAYERS] [X.MIN=<n>] [X.MAX=<n>] • X.VALUE=<n> | Y.VALUE=<n>表示打印的信息 是沿哪一方向的值，LAYERS打印出器件各层中Z的信息。

  43. TSUPREM4使用介绍 CONTOUR • 绘制等浓度线。 • 格式： CONTOUR VALUE=<n> [LINE.TYP=<n>] [COLOR=<n>] [SYMBOL=<n>] • VALUE=<n> 表示Z的值， • LINE.TYP=<n>表示线条类型， • COLOR=<n> 表示线条颜色， • SYMBOL=<n>表示在线条上加小标记。

  44. TSUPREM4使用介绍 PLOT.1D • 绘制SELECT语句中定义的Z在结构的某一方向上随位置变化的函数图形或电学参数特性图。 • 格式： PLOT.1D { X.VALUE=<n> | Y.VALUE=<n> } |ELECTRIC } [BOUNDARY] [CLEAR] [AXES] [SYMBOL=<n>] [CURVE] [LINE.TYP=<n>] [COLOR=<n>] [LEFT=<n>] [RIGHT=<n>] [BOTTOM=<n>] [TOP=<n>] [X.OFFSET=<n>] [X.LENGTH=<n>] [X.SIZE=<n>] [Y.OFFSET=<n>] [Y.LENGTH=<n>] [Y.SIZE=<n>] [T.SIZE=<n>]

  45. 不同点缺陷模型对于杂质注入的扩散分布影响

  46. TSUPREM4使用介绍 PLOT.2D • 绘制器件结构的二维图形。 • 格式：PLOT.2D [X.MIN=<n>] [X.MAX=<n>] [Y.MIN=<n>] [Y.MAX=<n>] [CLEAR] [AXES] [BOUNDARY] [L.BOUND=<n>] [C.BOUND=<n>] [GRID] [L.GRID=<n>] [C.GRID=<n>] [FLOW] VLENG=<n> [VMAX=<n>] [STRESS][L.COMPRE=<n>] [C.COMPRE=<n>] [L.TENSIO=<n>] [C.TENSIO=<n>] [DIAMONDS] [X.OFFSET=<n>] [X.LENGTH=<n>] [X.SIZE=<n>] [Y.OFFSET=<n>] [Y.LENGTH=<n>] [Y.SIZE=<n>] [T.SIZE=<n>] 绘制网格图 绘制材料漂移速度矢量图 绘制应力图

  47. TSUPREM4使用介绍 COLOR • 用不同颜色填充二维结构图的不同区域。 • 格式：COLOR [COLOR=<n>] [MIN.VALU=<n>] [MAX.VALU=<n>] [ { MATERIAL=<c> | SILICON | OXIDE | OXYNITRI | NITRIDE | POLYSILI| ALUMINUM | PHOTORES}] • MIN.VALU=<n>、MAX.VALU=<n>表示在Z值 （SELECT语句中定义）的（MIN.VALU，MAX.VALU） 范围内填充颜色。MATERIAL=<c>等表示对指定材料填 充颜色。

  48. TSUPREM4使用介绍 ELECTRICAL • 提取电学参数。 • 格式：ELECTRICAL [X=<n>] ( {V=<c> | (VSTART=<n> VSTOP=<n> VSTEP=<n>)} ( JCAP [JUNCTION=<n>] ) | ( { ( MOSCAP [HIGH] [LOW] [DEEP] ) | ( THRESHOLD [VB=<n>] ) } {NMOS | PMOS} [OUT.FILE=<c>]

  49. ELECTRICAL • 提取的电学参数包括扩散电阻、沟道电阻、结电容、 MOS电容 • V=<c> | (VSTART=<n> VSTOP=<n> VSTEP=<n> 表示电压变化的初始值、终值、步长。 • JCAP [JUNCTION=<n>] 表示在X=<n>处需要分析的结电容数目，并自下而上进行标号。 • MOSCAP [HIGH] [LOW] [DEEP] 分别表示在低频、高频、深耗尽三种情况下分析MOS电容特性。 • THRESHOLD [VB=<n>] 表示在体源之间偏压为VB的情况下分析开启电压。 • NMOS | PMOS 选择器件类型。

  50. TSUPREM4使用介绍 结深打印及层次信息 • 结深打印： SELECT Z=DOPING PRINT.1D SPOT=0 • spot=0：杂质的净掺杂浓度为0处，即找到PN结的交界处，也就是注入杂质的扩散结深。 • 打印层次信息： SELECT Z=DOPING PRINT.1D LAYERS ** Printing along X.VALUE=0: Value is 0 at 0.498930 microns. Num Material Top Bottom Thickness Integral 1 oxide -0.0078 0.0045 0.0123 2.5782e+12 2 silicon 0.0045 0.4989 0.4944 1.9716e+15 3 silicon 0.4989 200.0000 199.5011 -8.1086e+11

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