半导体工艺模拟和器件仿真
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简介
• 提供了TCAD驱动的CAD环境，使半导体工艺可 以给所有阶段的IC设计提供强大的动力； 工艺模拟和器件仿真； SPICE模型的生成和开发； 互连寄生参数的极其精确的描述； 基于物理的可靠性建模以及传统的CAD； 所有功能整合在同一的框架中，为工程师在完整 的设计中任何阶段所做的更改而导致的性能、可 靠性等效结果提供直接的反馈。
磷穿透扩散
上隔离光刻
上隔离扩散
浓硼区光刻
低硼区光刻
基区扩散
基区光刻
浓硼扩散
低硼扩散
发射区光刻
发射区扩散
引线孔光刻
芯片钝化
背面金属化
背面减薄
铝电极制备
半导体工艺_CMOS工艺流程
半导体工艺_BCD工艺流程
N+衬底准备 低压MOS栅氧
淀积Poly NSD套刻 NSD注入 TOPSIDE光刻 长挡避氧化层 P_well套刻 P_well注入 P_well退火
Deckbuild命令
TONYPLOT命令
• 语法：
tonyplot -args
• 描述：
将仿真时生成的临时文件或仿真结果显示出来
• 示例：
tonyplot –overlay CV.log IV.log –set show.set
Silvaco文件类型及命令格式
文件类型
• • • • • • *.in 输入文件，deckbuild界面调用 *.str 结构文件，工艺仿真或器件编辑得到 *.log 仿真结果文件，存储仿真结果 *.set 显示设置文件，设置显示特定的内容 *.lay 掩膜文件，光刻时导入掩膜信息 其他文件还有：*.DAT、*.spec、*.opt 等
Silvaco文件类型及命令格式
命令格式
• 由command和parameter两部分组成 Command parameter1=<n> parameter2=<c> “n”代表数值，“c”代表字符串 • 命令可简写，以不与其他简写相冲突为原则 如：DEPOSIT可简写为DEPO，不区分大小写 • 命令和参数之间用空格分开 • 一行写不完的在行尾加“\” • “#”后是注释，仿真时不运行这一行的内容
Deckbuild命令
GO命令
• 语法：
go <simulator> | simflags=<simulator>
• 描述：
仿真器启用或切换，simflags指出仿真参数或程 序版本
• 示例：
go atlas go atlas simflags=“-V 5.0.8.R”
Deckbuild命令
Gate_oixde光刻
Poly光刻/刻蚀 ZP退火 PSD套刻
高压MOS栅氧
多晶氧化
Active光刻/腐蚀
P_body套刻 ZP套刻 淀积SiO2 淀积金属
场氧化
P_body注入 P_body退火 SiO2增密 源自文库ontact光刻
ZP注入 PSD注入 金属光刻/腐蚀
表面钝化
衬底减薄
背面金属化
半导体工艺_小结
需要用到信号源、示波器等。
特殊参数的测试
热特性、抗辐射特性、极限参数等的测试需要更复 杂的外围网络和更昂贵的仪器设备。
为什么要借助CAD软件进行工 艺模拟和器件仿真？？？
借助CAD软件的优点
对于工艺
• 可避免复杂的系统和高投入； • 每一步工艺的可视性强； • 开发周期短。
对于测试
• 可避免复杂的系统和高投入； • 可在工艺工程中进行分步测试； • 方便快捷。
TCAD简介
定义
TCAD－Technology Computer Aided Design 半导体工艺和器件的计算机辅助设计
商用的TCAD工具：
• Silvaco公司的Athena和Atlas • Avanti公司的Tsuprem/Medici • ISE公司的Dios/Dessis
Silvaco平台简介
工艺过程较复杂； 实际工艺中可视性不强； 每一步工艺存在偏差都会导致“全盘皆输” ； 各工艺步骤都会耗费昂贵的原材料； 基于实验开发新工艺需要较长的周期； 工艺设备(尤其是光刻设备)成本较高。
半导体器件测试
直流参数的测试
需要用到稳压源、晶体管特性图示仪、万用表等。
交流参数的测试
SET命令
• 语法：
set <variable> =[<value> | <expr>][nominal]
• 描述：
设置Tonyplot输出特定的结果或对全局的设置
• 示例：
set temp=1000 diffuse time=30 temp=$temp press=1.0 Tonyplot structure.str –set show.set
• • • • •
Silvaco仿真路线图
Silvaco软件架构
Athena简介
提供半导体工艺的数值和物理的二维模拟。 模拟各项集成电路制造工艺，如：热扩散、 离子注入、热氧化、薄膜淀积、刻蚀等。 所有关键制造步骤的快速精确模拟，包括 CMOS、Bipolar、SiGe、SOI、Ⅲ-Ⅴ、光 电子器件以及功率器件技术。 精确预测器件结构中的几何结构、掺杂剂量 分配、应力等。
半导体工艺
薄膜生长工艺
• 热氧化工艺 • 淀积工艺
光刻和刻蚀工艺 掺杂工艺
• 热扩散 • 离子注入
减薄及背面金属化
微电子芯片制造现场
微电子工艺线的空气处理系统结构图
半导体工艺_Bipolar工艺流程
P型衬底 埋层氧化 埋层光刻 埋层扩散 磷穿透光刻 N型硅外延 下隔离扩散 下隔离光刻
Athena的模块及功能
Athena输入/输出
主要工艺步骤
Deposit-淀积 Implant-注入 Diffuse-扩散 Oxide-氧化 Etch-刻蚀 OPTOLITH-光刻
Deposit参数设置界面
Implant参数设置界面
Diffuse参数设置界面
Diffuse & Oxide参数设置界面
Etch参数设置界面
OPTOLITH
参数定义
• • • • • 定义掩膜结构 曝光系统：角度、光线分布、范围 成像控制：计算窗口，光强分布 定义材料特性：衬底和光刻胶在特定波长的折射率 光阻特性
工艺过程
• 坚膜(Bake) • 曝光(Expose)
Atlas简介
能准确描述以物理学为基础的器件电学、光 学和热学性能。 解决芯片的成品率和工艺变动问题，对器件 进行优化。 包括CMOS、Bipolar、高压功率器件、Ⅲ-Ⅴ 、Ⅱ-Ⅵ、VCSEL、TFT、光电子、激光、 LED、CCD、传感器、熔丝、NVM、铁电 材料、SOI、Fin-FET、HEMT和HBT
Atlas模块及功能
Atlas输入/输出
Deckbuild简介
菜单 文本输入窗口
仿真输出窗口 执行按钮
Deckbuild命令
Extract命令
• 语法：
extract name parameters
• 描述：
提取仿真中得到的相关信息
• 示例：
extract name=“j1 depth” xj material=“Silicon” \ mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1
半导体工艺模拟和器件仿真
ASIC芯片完整设计流程
设计要求 系统设计 行为设计 系统模拟 行为模拟 逻辑模拟 电路模拟 版图验证
前端设计 后端设计
工艺设计 器件设计
逻辑设计 电路设计 物理设计
工艺模拟
器件模拟
制版流片
目录
半导体工艺 半导体器件测试 为什么要借助CAD软件进行工艺模拟和器 件仿真 TCAD简介 Silvaco平台简介 Deckbuild简介 Silvaco文件类型及命令格式
• 提供了TCAD驱动的CAD环境，使半导体工艺可 以给所有阶段的IC设计提供强大的动力； 工艺模拟和器件仿真； SPICE模型的生成和开发； 互连寄生参数的极其精确的描述； 基于物理的可靠性建模以及传统的CAD； 所有功能整合在同一的框架中，为工程师在完整 的设计中任何阶段所做的更改而导致的性能、可 靠性等效结果提供直接的反馈。
磷穿透扩散
上隔离光刻
上隔离扩散
浓硼区光刻
低硼区光刻
基区扩散
基区光刻
浓硼扩散
低硼扩散
发射区光刻
发射区扩散
引线孔光刻
芯片钝化
背面金属化
背面减薄
铝电极制备
半导体工艺_CMOS工艺流程
半导体工艺_BCD工艺流程
N+衬底准备 低压MOS栅氧
淀积Poly NSD套刻 NSD注入 TOPSIDE光刻 长挡避氧化层 P_well套刻 P_well注入 P_well退火
Deckbuild命令
TONYPLOT命令
• 语法：
tonyplot -args
• 描述：
将仿真时生成的临时文件或仿真结果显示出来
• 示例：
tonyplot –overlay CV.log IV.log –set show.set
Silvaco文件类型及命令格式
文件类型
• • • • • • *.in 输入文件，deckbuild界面调用 *.str 结构文件，工艺仿真或器件编辑得到 *.log 仿真结果文件，存储仿真结果 *.set 显示设置文件，设置显示特定的内容 *.lay 掩膜文件，光刻时导入掩膜信息 其他文件还有：*.DAT、*.spec、*.opt 等
Silvaco文件类型及命令格式
命令格式
• 由command和parameter两部分组成 Command parameter1=<n> parameter2=<c> “n”代表数值，“c”代表字符串 • 命令可简写，以不与其他简写相冲突为原则 如：DEPOSIT可简写为DEPO，不区分大小写 • 命令和参数之间用空格分开 • 一行写不完的在行尾加“\” • “#”后是注释，仿真时不运行这一行的内容
Deckbuild命令
GO命令
• 语法：
go <simulator> | simflags=<simulator>
• 描述：
仿真器启用或切换，simflags指出仿真参数或程 序版本
• 示例：
go atlas go atlas simflags=“-V 5.0.8.R”
Deckbuild命令
Gate_oixde光刻
Poly光刻/刻蚀 ZP退火 PSD套刻
高压MOS栅氧
多晶氧化
Active光刻/腐蚀
P_body套刻 ZP套刻 淀积SiO2 淀积金属
场氧化
P_body注入 P_body退火 SiO2增密 源自文库ontact光刻
ZP注入 PSD注入 金属光刻/腐蚀
表面钝化
衬底减薄
背面金属化
半导体工艺_小结
需要用到信号源、示波器等。
特殊参数的测试
热特性、抗辐射特性、极限参数等的测试需要更复 杂的外围网络和更昂贵的仪器设备。
为什么要借助CAD软件进行工 艺模拟和器件仿真？？？
借助CAD软件的优点
对于工艺
• 可避免复杂的系统和高投入； • 每一步工艺的可视性强； • 开发周期短。
对于测试
• 可避免复杂的系统和高投入； • 可在工艺工程中进行分步测试； • 方便快捷。
TCAD简介
定义
TCAD－Technology Computer Aided Design 半导体工艺和器件的计算机辅助设计
商用的TCAD工具：
• Silvaco公司的Athena和Atlas • Avanti公司的Tsuprem/Medici • ISE公司的Dios/Dessis
Silvaco平台简介
工艺过程较复杂； 实际工艺中可视性不强； 每一步工艺存在偏差都会导致“全盘皆输” ； 各工艺步骤都会耗费昂贵的原材料； 基于实验开发新工艺需要较长的周期； 工艺设备(尤其是光刻设备)成本较高。
半导体器件测试
直流参数的测试
需要用到稳压源、晶体管特性图示仪、万用表等。
交流参数的测试
SET命令
• 语法：
set <variable> =[<value> | <expr>][nominal]
• 描述：
设置Tonyplot输出特定的结果或对全局的设置
• 示例：
set temp=1000 diffuse time=30 temp=$temp press=1.0 Tonyplot structure.str –set show.set
• • • • •
Silvaco仿真路线图
Silvaco软件架构
Athena简介
提供半导体工艺的数值和物理的二维模拟。 模拟各项集成电路制造工艺，如：热扩散、 离子注入、热氧化、薄膜淀积、刻蚀等。 所有关键制造步骤的快速精确模拟，包括 CMOS、Bipolar、SiGe、SOI、Ⅲ-Ⅴ、光 电子器件以及功率器件技术。 精确预测器件结构中的几何结构、掺杂剂量 分配、应力等。
半导体工艺
薄膜生长工艺
• 热氧化工艺 • 淀积工艺
光刻和刻蚀工艺 掺杂工艺
• 热扩散 • 离子注入
减薄及背面金属化
微电子芯片制造现场
微电子工艺线的空气处理系统结构图
半导体工艺_Bipolar工艺流程
P型衬底 埋层氧化 埋层光刻 埋层扩散 磷穿透光刻 N型硅外延 下隔离扩散 下隔离光刻
Athena的模块及功能
Athena输入/输出
主要工艺步骤
Deposit-淀积 Implant-注入 Diffuse-扩散 Oxide-氧化 Etch-刻蚀 OPTOLITH-光刻
Deposit参数设置界面
Implant参数设置界面
Diffuse参数设置界面
Diffuse & Oxide参数设置界面
Etch参数设置界面
OPTOLITH
参数定义
• • • • • 定义掩膜结构 曝光系统：角度、光线分布、范围 成像控制：计算窗口，光强分布 定义材料特性：衬底和光刻胶在特定波长的折射率 光阻特性
工艺过程
• 坚膜(Bake) • 曝光(Expose)
Atlas简介
能准确描述以物理学为基础的器件电学、光 学和热学性能。 解决芯片的成品率和工艺变动问题，对器件 进行优化。 包括CMOS、Bipolar、高压功率器件、Ⅲ-Ⅴ 、Ⅱ-Ⅵ、VCSEL、TFT、光电子、激光、 LED、CCD、传感器、熔丝、NVM、铁电 材料、SOI、Fin-FET、HEMT和HBT
Atlas模块及功能
Atlas输入/输出
Deckbuild简介
菜单 文本输入窗口
仿真输出窗口 执行按钮
Deckbuild命令
Extract命令
• 语法：
extract name parameters
• 描述：
提取仿真中得到的相关信息
• 示例：
extract name=“j1 depth” xj material=“Silicon” \ mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1
半导体工艺模拟和器件仿真
ASIC芯片完整设计流程
设计要求 系统设计 行为设计 系统模拟 行为模拟 逻辑模拟 电路模拟 版图验证
前端设计 后端设计
工艺设计 器件设计
逻辑设计 电路设计 物理设计
工艺模拟
器件模拟
制版流片
目录
半导体工艺 半导体器件测试 为什么要借助CAD软件进行工艺模拟和器 件仿真 TCAD简介 Silvaco平台简介 Deckbuild简介 Silvaco文件类型及命令格式