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      基于TCAD的氧化工藝參數(shù)影響分析

      2020-09-06 13:22:45張照鋒董海青
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年11期
      關(guān)鍵詞:仿真器件工藝

      張照鋒 董海青

      摘 要:隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展,特征尺寸越來越小,工藝對器件參數(shù)的影響越來越明顯。該文通過TCAD工具模擬集成電路氧化工藝的過程,然后分別改變氧化的工藝參數(shù),分析氧化工藝參數(shù)對氧化結(jié)果的影響,進而在器件設(shè)計過程中合理地進行工藝優(yōu)化。

      關(guān)鍵詞:工藝;器件;仿真

      中圖分類號:TG174 文獻標志碼:A

      0 引言

      科技的發(fā)展帶動了電子、商務(wù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,各類新的設(shè)計、新的工藝集成電路不斷出現(xiàn),并且在軍、民等各個行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛,集成電路測試作為集成電路進行設(shè)計驗證和批產(chǎn)把關(guān)的重要環(huán)節(jié),其重要性與經(jīng)濟性日益凸現(xiàn)。

      TCAD是半導體集成電路工藝模擬和元器件模擬的基礎(chǔ)工具,可以模擬半導體集成電路的制造工藝,可以在模擬好的元器件上施加相應(yīng)的工作電壓和輸入信號,通過相關(guān)命令分析元器件的工作過程,進而判斷其相應(yīng)的參數(shù)是否符合要求,反過來對工藝過程進行優(yōu)化。

      模擬過程實際就是計算機在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上進行的,而TCAD是在一些具有物理含義的實驗模型及計算方程上實現(xiàn)的?,F(xiàn)實生活需用的物理模型結(jié)構(gòu)非常復雜,而且里面包含的信息量比較大,所以在仿真的時候為了便于觀察和計算,需要將其劃分成零散結(jié)構(gòu),半導體仿真就在這些劃分細微的網(wǎng)格上進行。

      1 工藝過程模擬

      工藝是集成電路制造過程中的重要環(huán)節(jié),特別是工藝特征尺寸越來越小的現(xiàn)在,7 nm甚至5 nm工藝已經(jīng)開始量產(chǎn),不斷縮小的特征尺寸對工藝提出了更加嚴格的要求,因此一定要先進行工藝模擬,即通過計算機EDA工藝分析并計算工藝過程,得出接近實際情況的理論數(shù)據(jù),然后再進行實際的工藝過程,這樣可以最大限度地減少因工藝誤差帶來的經(jīng)濟損失。

      1.1 創(chuàng)建初始結(jié)構(gòu)

      把Athena作為模擬器,在文本窗口輸入如下語句:

      go Athena

      然后創(chuàng)建一個0.6 um×0.8 um模擬區(qū)域及一個非均勻網(wǎng)格。

      line x loc = 0? ? ? spacing=0.1

      line x loc = 0.1? ?spacing=0.01

      line x loc = 0.2? ?spacing=0.01

      line x loc = 0.6? ?spacing=0.01

      line y loc = 0? ? ?spacing = 0.008

      line y loc = 0.2? spacing = 0.01

      line y loc = 0.4? spacing = 0.05

      line y loc = 0.6? spacing = 0.10

      line y loc = 0.8? spacing = 0.15

      1.2 定義襯底

      用structure命令保存結(jié)構(gòu)文件。語句如下:

      init silicon c.phos=1.0e14? orientation=100? two.d

      structure outfile=nmos.str

      1.3 氧化工藝

      氧化工藝對應(yīng)的模擬命令是Diffuse(氧化層也可以通過淀積和外延是得到),其中所有的參數(shù)中,與氧化有關(guān)的參數(shù)主要是以下5個。1)time,擴散時間,默認單位為min。2)temperture,擴散溫度,默認單位為℃。3)dryo2(干氧)、weto2(濕氧)、nitrogenous(摻鋁氧化)等氧化的氣體氛圍。4)hcl.pc,氧化劑氣流中HCL的百分比。5)pressure,氣體的分壓,默認是1 atm。

      對應(yīng)的命令語句為:

      干氧 diffus time=11 temp=925.717? dryo2 press=1.00 hcl.pc=3

      濕氧 diffus time=11 temp=925.727 weto2 press=1.00 hcl.pc=3

      使用Extract語句可以提取氧化出來的柵氧化層的厚度,Extract可以快速容易地得到仿真值并控制值或者曲線。具體命令語句:

      提取名稱為"gateoxide"材料為SiO~2在mat.occno=1? x.val=0.3處提取。

      2 氧化工藝參數(shù)模擬

      氧化工藝的參數(shù)主要包括氧化類型(干氧氧化和濕氧氧化)、氧化時間、氧化溫度、氧化的環(huán)境壓力等。

      2.1 氧化類型的模擬

      氧化工藝分為干氧氧化和濕氧氧化,在其他的氧化工藝參數(shù)相同的前提下,不同的氧化類型得到的氧化工藝的結(jié)果是不一樣的。

      設(shè)定氧化的時間為60 min,氧化溫度為1 100℃,氧化的環(huán)境壓力為1atm。

      干氧氧化的命令語句為:

      diffus time=60 temp=1100? dryo2 press=1.00 hcl.pc=3

      濕氧氧化的命令語句為:

      diffus time=60 temp=1100? weto2 press=1.00 hcl.pc=3

      氧化完成之后,用參數(shù)提取命令Extract提取氧化層的厚度,然后進行數(shù)據(jù)對比。

      2.2 氧化時間的模擬

      其他氧化條件不變,改變氧化的時間,分別進行模擬,可以得出不同氧化時間下的氧化層厚度值。

      干氧氧化時,分別設(shè)定氧化溫度為1 100℃,1 atm,氧化時間分別設(shè)定為20 min,40 min,60 min,80 min,100 min,120 min。

      濕氧氧化時,分別設(shè)定氧化溫度為1 100℃,1 atm,氧化時間分別設(shè)定為20 min,40 min,60 min,80 min,100 min,120 min。得到的氧化后果結(jié)果見表1。

      分析對比2組數(shù)據(jù),厚度隨氧化時間變化的曲線如圖1所示。

      由圖1可以看出,隨著氧化時間的變化,干氧氧化和濕氧氧化對應(yīng)的氧化層厚度的變化趨勢是不一樣的,明顯可以看出,濕氧氧化時隨著時間的變化氧化層厚度增加的更快。

      2.3 氧化溫度模擬

      其他氧化條件不變,改變氧化的溫度,分別進行模擬,可以得出不同氧化溫度下的氧化層厚度值。

      干氧氧化時,分別設(shè)定氧化時間為60 min,1atm,氧化溫度分別設(shè)定為700 ℃,800 ℃,900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃,1 200 ℃。

      濕氧氧化時,分別設(shè)定氧化時間為60 min,1atm,氧化溫度分別設(shè)定為700 ℃,800 ℃,900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃,1 200 ℃。

      得到的氧化層厚度結(jié)果見表2。

      分析對比2組數(shù)據(jù),厚度隨氧化時間變化的曲線如圖2所示。

      由圖2可以看出,隨著氧化溫度的變化,干氧氧化和濕氧氧化對應(yīng)的氧化層厚度的變化趨勢是不一樣的,明顯可以看出,濕氧氧化時隨著時間的變化氧化層厚度增加的更快。

      3 結(jié)論

      由圖1和圖2可以看出,隨著氧化時間和氧化溫度的變化,濕氧氧化時氧化層的厚度變化趨勢更快,即氧化層厚度增加的更快,因此在實際工藝過程中,如果需要更厚的氧化層,應(yīng)當首先考慮濕氧氧化。如果需要不厚的氧化層,應(yīng)該首先考慮干氧氧化。

      參考文獻

      [1]張淵.半導體制造工藝(第2版)[M].北京:機械工藝出版社,2015.

      [2]王蔚.集成電路制造技術(shù)-原理與工藝[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

      [3]肖國玲.微電子制造工藝技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.

      [4]鄧善修.集成電路制造工藝員(中級)[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2007.

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