新一代nm级集成工艺仿真工具_SenTaurusProcess
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1引言
随着集成电路制造工艺技术的迅速发展和日趋成熟,集成电路的集成度迅速攀升,制造流程及工艺步骤也日趋复杂。
通常,对于大尺寸器件(特别是分立器件),由诸多工艺因素造成的层间界面应力、杂质分布蠕动、空间量子效应及载流子非线性输运等小尺寸效应
[1]
都可以被忽略。
而对于小尺
寸器件,准确地预期及评价工艺制程后的良品率,实现其所谓的工艺级可制造性设计,则必须充分地考虑这些效应。
当前,硅集成电路制造工艺技术已经达到了nm级水平
[2]
,人们已经意识到,nm级器
件的设计与研发必须有相应的高精度工艺级仿真工具来支持。
新思科技推出的新一代集成工艺设计工具SenTaurusProcess解决了nm尺度的可制造性设计技术难题而突破了这一技术瓶颈。
本文所发布的技
新一代nm级集成工艺仿真工具
———
SenTaurusProcess于英霞,李惠军,侯志刚,张宪敏
(山东大学孟尧微电子研发中心,济南
250100)
摘要:介绍了新思科技(SynopsysInc.)最新推出的新一代nm级IC制程工艺设计工具——
—Sen-TaurusProcess的基本功能及其仿真领域,详细阐述了SenTaurusProcess功能的拓展。
对SenTau-rusProcess增加的模型库浏览器(PDB)、一维模拟结果输出(Inspect)及二、三维模拟结果输出
(TecplotSV)工具进行了介绍。
重点介绍了SenTaurusProcess所嵌入的诸多小尺寸模型。
关键词:集成电路;纳米层次;工艺仿真;可制造性设计中图分类号:TN402
文献标识码:A
文章编号:1671-4776(2007)05-0231-04
TheNewGenerationNano-LevelIntegratedProcessSimulationTool:SenTaurusProcess
YUYing-xia,LIHui-jun,HOUZhi-gang,ZHANGXian-min
(MengyaoMicroelectronicsR&DCenter,ShandongUniversity,Jinan250100,China)
Abstract:Thispaperintroducestheelementaryfunctionsandemulationaldomainsofthenewgenera-tionnano-levelICprocessdesigntool:SenTaurusProcess,whichwasrecentlyissuedbySynopsysInc..ItspecifiesthefunctionalextensionsofSenTaurusProcessandpresentsParameterDatabaseBrowser(PDB),1Dsimulatedresultsdeferenttools(Inspect)and2D/3Dsimulatedresultsdeferenttools(TecplotSV).ItemphasizesalotofsmallsizemodelsinsertedinSenTaurusProcess.Keywords:IC;nano-level;processsimulation;designformanufacturing(DFM)
收稿日期:2007-04-02
纳米器件与技术
NanoelectronicDevice&Technology
术内容均由新思科技授权。
2SenTaurusProcess工艺级仿真工具的特点[3]
SynopsysInc.最新推出的新一代TCAD工艺级仿真工具SenTaurusProcess,被业界誉为第五代集成电路制程级仿真软件,是目前集成电路制程级仿真软体中最为全面、最为灵活的多维(一维、二维、三维)工艺级仿真工具。
SenTaurusProcess面向当代nm级工艺制程,全面支持小尺寸效应的仿真,用于实现甚大规模(ULSI)集成电路的工艺级虚拟设计,可显著地缩短工艺级设计、工艺级优化乃至芯片产品的开发周期。
SenTaurusProcess整合了Avanti的Tsuprem、TaurusProcess及ISE的DIOS系列工艺级仿真工具,吸纳了诸系列的优点。
首先,在界面交互方面做了诸多重大改进:设置了模型参数数据库浏览器(PDB)来修改模型参数或添加模型;设置了一维模拟结果输出工具(Inspect)和多维模拟结果输出工具(Tecplot_SV)来完成图形结果的可视化输出及可视化分析;将一维、二维及三维的工艺级仿真集成于同一平台;更为重要的是,SenTaurusPro-cess收入了诸多近代小尺寸模型,例如:高精度的刻蚀模型及淀积模型、基于Crystal-TRIM的蒙特卡罗(MonteCarlo)离子注入模型、离子注入校准模型、注入分析模型和注入损伤模型、小尺寸扩散迁移模型等。
所有这些,明显地增强了仿真工具对新材料、新结构和新效应的仿真能力。
3SenTaurusProcess的基本功能及功能拓展
SenTaurusProcess采纳了ISE的交互特点,与诸多交互工具相结合,拓展了仿真功能,并使其操作更为简便直观。
SenTaurusProcess是当今第一个提供全三维任选的工艺级仿真商用软件。
SenTau-rusProcess中嵌入的MGOALS库可与SenTaurusStructureEditor(器件结构编辑器)联用,建立三维器件结构非常方便。
显然,有了三维仿真的支持,使得诸如浅沟槽隔离(STI)时产生的寄生沟道效应、浅沟槽隔离(STI)时产生的应力效应、布线边缘粗糙诱发的尖端放电效应、小尺寸晶体管微结构边缘效应及外向反扩散效应等诸多小尺寸三维效应的仿真成为可能。
3.1SenTaurusProcess的仿真领域
使用SenTaurusProcess可实现以下工艺制程的仿真。
(1)各类分立器件(包括高频、高压、大功率等特种器件)、混合集成(BiCMOS)电路及甚大规模(ULSI-小尺寸、nm级)CMOS等所有硅基结构模式的器件或电路工艺制程。
(2)标准集成电路平面工艺制程中常规氧化、外延生长、硅化物生长、高低温腐蚀、选择性刻蚀、常规高温扩散、低温离子注入、汽相淀积等工艺流程的仿真及光刻胶性能的分析等辅助功能。
(3)用于改进、评估新的工艺结构设计方案。
例如:实现新的局域氧化隔离(LOCOS)结构、侧墙掩蔽隔离(SWAMI)结构、深沟槽隔离(DTI)和浅沟槽隔离(STI)等二维、三维结构的虚拟设计。
(4)离子注入过程中晶圆倾斜状态、晶圆旋转状态及屏蔽等多因素状态下的注入仿真;注入损伤程度的预测;针对无定型结晶靶、预非晶化注入靶(PAI)及氧化物靶的注入评估注入产生的沟道效应。
(5)SenTaurusProcess内嵌众多二级效应模型,可模拟杂质在多种影响因素条件下对扩散迁移造成的影响,包括氧化增强扩散(OED)效应、瞬态增强扩散(TED)效应、空隙聚积效应、掺杂激活及掺杂剂量损耗对杂质迁移行为的影响等。
(6)SenTaurusProcess可定量地研究氧化介质、硅化物在高温热环境的热生长、热匹配行为及各向异性刻蚀;可定量模拟复合性化合物淀积与基底介质产生的界面应力。
(7)SenTaurusProcess可模拟半导体表面的介电特性、构造MOS结构下的阈值电压变化及C-V特性。
(8)使用SenTaurusProcess可十分方便地架构各种器件的两维和三维结构,并进行基于特定结构下的工艺级制程仿真。
3.2SenTaurusProcess仿真工具的主要功能拓展SenTaurusProcess在实现全流程标准工艺仿
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真的基础上,基于关键工艺制程,在处理移动边界的硅化和氧化移动边界的再生网格时,增加了网格数据的保存及网格数据的重复调用功能。
SenTau-rusProcess引入了最为先进的刻蚀模型,可以实现多种材料的各向同性选择性刻蚀和各向异性选择性腐蚀,还可以模拟多重离子束Fourier刻蚀。
此外,用户定义的掩模参数、温度变化速率、气体流量参数和网格细化箱参数等全局性数据均可保存在专用数据库中,以TDR格式的文件保存。
数据库被修改后,系统会自动、快捷地生成新的输入文件。
3.2.1关于SenTaurusProcess的数据库浏览器通常,SenTaurusProcess使用缺省模型,缺省模型参数保存在属性数据库中。
数据库浏览器(PDB)实现了属性数据库的图形化表示。
SenTau-rusProcess设置和定义模型及相关参数可以通过PDB来完成,用户使用PDB可以交互式地设置和编辑模型参数,可动态地在PDB中确定仿真所使用的模型并将暂时不使用的模型保存起来随时设置。
用户还可以使用Alagator脚本语言定义新模型,以满足特殊仿真需求。
图1即为SenTaurusProcess的数据库浏览器(PDB)界面。
图1给出了氧化层与硅界面处空穴表面复合率的缺省表达式,该表达式为
[SurfDiffLimitOxide_SiliconSiVac0.0]
上式被称为Tcl表达式,它是基于空穴在硅中的缺省扩散率,使用一个函数来实现的。
通常情况下,可以对该表达式进行编辑和修改以满足设计者的需求。
这里需要强调的一点是:设计中使用的模型和参数的修改并不总是在数据库浏览器中实现的,若用户只需在本次设计中修改模型及参数,则不必修改模型库中的缺省设置,而只需在SentaurusPro-cess的输入文件中使用卡命令实现即可。
3.2.2关于SentaurusProcess的结果分析工具3.2.2.1一维结果分析工具———Inspect
Inspect是用来查看和分析一维曲线的交互工具,具有方便的图形用户界面和交互语言,便于用户对曲线进行绘制和编辑。
SenTaurusProcess提供了与Inspect的接口信息,用户可以在SentaurusProcess的输入文件中使用SetPlxList和WritePlx命令将任意感兴趣点的掺杂信息保存到一个扩展名为.plx的DF-ISE格式的文件中,然后在Inspect工具界面下,通过调用该文件来绘制所需要的掺杂浓度分布曲线。
图2为Inspect工具界面,用户可以在该界面下根据需要对曲线、坐标轴、图例和网格等进行设置,以增加可视化程度,这显然比TSUPREM-Ⅳ的命令行传统交互方式要简便、直观。
3.2.2.2结构及数据分析工具———TecplotSVSentaurusProcess工艺仿真流程中生成的结构信息和数据信息是通过TecplotSV工具来查看的。
用户可以将结构信息和数据信息通过相应的命令保存到一个TDR格式或者DF-ISE格式的文件中,然后在Tecplot_SV界面下通过调用该文件得到相应的结构和数据信息,并对其进行分析和编辑。
图3为TecplotSV工具的使用界面,用户可以在该界面下根据需要得到不同结构、不同杂质的浓度分布
图1SentaurusProcess数据库浏览器界面示意图2Inspect工具界面示意
纳米器件与技术NanoelectronicDevice&
Technology
情况、等位线分布情况和仿真网格设置情况等。
4SenTaurusProcess的模型升级
SenTaurusProcess收入了诸多小尺寸效应模
型,如热载流子效应、隧道击穿效应、弹道输运效应、弱局域化效应、相位干涉效应、单电子效应及库仑阻断效应等。
与Tsuprem及TaurusProcess系列工艺制程级仿真工具不同,SenTaurusProcess提高了现代集成电路工艺制程设计过程的即时性和交互性,用户通过PDB来进行模型的选择和定义,使用PDB可快捷地定义缺省模型或定义新的模型。
SenTaurusProcess在收入诸多小尺寸效应模型
的基础上,对诸多经典的工艺制程模型进行了修正和完善,以下就其几个重要模型的升级略作阐述。
4.1注入模型
在SenTaurusProcess中,可以使用解析注入
或蒙特卡罗(MC)注入方法[4]
来计算注入离子
的分布情况和注入损伤。
解析注入模型使用简单的高斯分布和泊松分布以及先进的双泊松分布来模拟注入过程,注入损伤则根据Hobler模型进行计算。
蒙特卡罗注入模型可以处理解析注入模型无法涵盖的情况,例如窄沟槽侧墙掺杂,注入损伤可通过计算点缺陷浓度进行分析。
蒙特卡罗模型还能够模拟分子注入和超浅结工艺,更好地满足了现代小尺寸器件工艺制程的要求。
为满足现代器件工艺制程模拟的技术需求,注入过程的仿真引入了掺杂剂量控制模型、有效沟道抑制模型、杂质剖面改造模型[5]
、无定形靶预注
入模型(PAI)及点缺陷模型等。
以掺杂剂量控制模型为例,可用来对注入进程精确地控制,实现
nm级器件中的杂质分布蠕动和空间量子效应的精
确描述。
有效沟道抑制模型和杂质剖面改造模型可以有效地描述短沟道效应及器件特征尺寸递减过程中的次级效应。
无定形预注入模型用以修正注入损伤所形成的沟道尾部效应,与点缺陷模型结合起来描述注入过程的损伤和缺陷行为。
4.2扩散模型
SenTaurusProcess给出的杂质选择性扩散模型
和杂质激活模型,可更好地模拟杂质的扩散和迁移。
杂质选择性扩散模型基于蒙特卡罗数值分析,适于模拟特征尺寸小于100nm的工艺制程。
杂质选择性扩散模型主要引入了杂质活化效应对杂质迁移的影响,间接涵盖了工艺制程中工艺缺陷对杂质迁移的影响。
杂质活化模型则主要考虑了掺杂过程中,缺陷、氧空位及硅化物界面态所诱发的杂质激活效应。
杂质激活模型可以对由于杂质激活效应而引起的理论偏差进行补偿或修改。
现代掺杂技术对低剂量、高迁移的技术要求,SenTaurusProcess给出了一种激光退火模型,该模型能够对扩散过程中的非均匀热分布进行模拟,从而更加精确地计算器件中的应力分布和热传输延迟。
此外,SenTaurus
Process通过点缺陷平衡浓度修正公式,对应力引
发的点缺陷浓度变化规律建模,从而更加精确地计算杂质迁移过程中点缺陷的影响,满足了纳米器件对点缺陷激活杂质迁移的仿真要求。
SenTaurus
Process还对杂质扩散因子进行了修正,引进了五
步流(fivestream)扩散模型和点缺陷{311}模型、小间隙结团(SMICs)模型和杂质缺陷结团模型等。
4.3应力模型
SenTaurusProcess基于现代工艺制程设计要
求,对应力模型作了较大改进,考虑了晶格失配、各向异性、界面应力等诸多因素的影响。
例如:引入SiGe来调节和控制沟道区应力
[6]
,增强驱动电
流,便可以使用新一代应力模型来实现这一仿真要求。
SenTaurusProcess中晶格失配的调整功能适用于SiC、GaN和AlGaN衬底。
SenTaurusProcess中
图3
Tecplot_SV工具界面示意
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(下转第245页
)
含有各向异性弹力模型,这需要对硅特定晶向的弹力变化精确建模。
机械应力建模的实际意义在于解决晶圆片的扭曲所造成的结构变形问题。
5结束语
SenTaurusProcess较前期的诸多工艺级仿真工具有了显著的改进,突出表现在界面交互工具配套完善、交互性增强;设计流程的自主化、实时性更强。
SenTaurusProcess所设置的PDB及模拟结果输出工具(Inspect、Tecplot_SV)等支撑技术则充分地做到了这一点。
SenTaurusProcess所收入的诸多近代小尺寸模型,增强了集成工艺仿真工具对新材料、新结构,特别是小尺寸效应的仿真能力。
综上所述,SenTaurusProcess明显地提高了该软件的工程化应用水平。
参考文献:
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作者简介:
于英霞(1982—),女,山东烟台人,山东大学信息科学与工程学院在读硕士研究生,主要研究方向为超大规模集成电路制造工艺技术及SOC一体化TCAD设计与优化,E-mail:yuyingxi-a1@163.com;
李惠军(1952—),男,山东日照人,山东大学孟尧微电子研发中心教授,主要研究方向为超大规模集成电路制造工艺技术的研究,超大规模集成电路SOC芯片的一体化设计、仿真与优化,曾获山东省教委、山东省科委科技进步一等奖、二等奖各一项,山东省教学成果一等奖、二等奖各一项,独立编著、主编著作5部,E-mail:lihj@sdu.edu.cn。
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作者简介:
于忠玺(1982—),男,山东文登人,工学学士,主要研究方向纳米材料和光电薄膜材料,E-mail:cb11211@hotmail.com。
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