集成电路工艺基础.docx

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教学单位:
电子信息学院
课程名称
:集成电路工艺基础
面向专业:
:电子科学与技术
电子科技大学中山学院
2013年9月
实验指导书
实验名称:
实验一使用ATHENA软件仿真MOS管工艺 学时安排:4学时
实验类别:
综合性实验要求:必做
一、实验目的和任务
随着IT产业的迅猛发展,微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出,而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。本实验是IC生产中工艺设计的利用计算机辅助仿真的环节,是基于微电子技术应用背景和《集成电路工艺基础》课程设置及其特点而设置的。其目的在于:通过本实验使学生能基本掌握IC工艺的通用流程,熟悉各单项工艺的基础知识;学****并掌握国际流行的工艺仿真软件ATHENA的使用方法,加深对课程知识的认识。
二、实验原理介绍
ATHENA是Silvaco公司开发的一种很优秀的半导体工艺模拟软件,最大的特点是可用于任何个人计算机(PC机)。Silvaco拥有包括芯片厂、晶圆厂、IC设计企业、IC材料业者、ASIC业者、大学和研究中心等在内的庞大的国内外用户群。许多世界知名Foundry包括台积电、联电、Jazz和X-FAB都和Silvaco有PDK的合作。
ATHENA是SilvacoTCAD中的工艺仿真组件,除此之外,这些组件还包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot,器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit。
三、实验设备介绍
工作站或微机终端 一台
局域网
1套
四、实验内容和步骤
仿真流程
DeckBuild是一个交互式、图形化的实时运行环境,在工艺和器件仿真中作为仿真平台。DeckBuild有仿真输入和编辑的窗口,也有仿真输出和控制的窗口。实验中所用软件为绿色版,在目录\Silvaco\lib\Deckbuild\\x86-。
图1-1为DeckBuild界面。顶部是工具栏、编辑菜单和命令条按钮。工具栏菜单有File、Command、Execution、Examples等。Command子菜单提供简单的抽取语句、显示当前结构和工艺优化的功能。工具栏下是新建、打开、保存、剪切、复制、粘贴和撤销等常用编辑操作。第三栏是命令条按钮,意义如下:Run-从上至下执行或执行到断点(即Stopatline的“line”时结束;Stop-执行完当前行就停止;
Next-运行下一行就停止;Continue-在之前停止运行的行开始往下运行;Initialize-从仿真历史初始化;Kill-立即结束;Line-重置当前行为选择的行;Stopatline-设置断点。
上部窗口是命令输入和编辑窗口。下部窗口是实时输出窗口,输出当前的仿真状态。底部是状态栏工作路径可由Edit〉Preferences〉WorkingDirectory进行查看或更改。
图1-1DeckBuild界面
定义网格在工艺仿真之前需要先定义衬底,在衬底的基础上再经过一系列工艺步骤来生成结构。SilvacoTCAD是基于网格计算的仿真工具,也就是在网格处计算其特性,而且网格点(node)的总数Np不能超过20000个。网格点的多少决定了仿真的精确程度和快慢,所以合理的定义网格分布很重要。
定义网格线的命令line,参数有x、y、location(通常简写成loc)和spacing。x和y参数设定网格线垂直于x轴或y轴,loc设定网格线在轴上的坐标,spacing设定网格线间的间距(loc和spacing的默认单位是“m)。如果在几个loc处的spacing都是一样大小,那么网格线就是均匀分布的。如果spacing不一样,那么软件会自动调整,尽量使loc的spacing和设定的值一样,这时网格线就不是均匀的了。
均匀网格的例子,结果如图1-2所示。
linexloc==
linexloc=1spacing=
lineyloc=0spacing=
lineyloc==
非均匀网格的例子,结果如图1-3所示。
linexloc==
linexloc=1spacing=
lineyloc=0spacing=
lineyloc==
对于图1-2和图1-3,衬底范围大小是一样的,除网格线的分布不一样外,网格点数也有差别(图1-2
为121个点,图1-3为546个点)。
图1-2均匀网格
图1-3非均匀网格
衬底初始化
网格定义了之后就是对衬底进行初始化,初始化的命令是initialize(可简写为init)。
工艺步骤
ATHENA工艺仿真器可以对很多工艺进行仿真,具体工艺步骤将在下一节会涉及到。
抽取特性
工艺仿真得到结果的形式有仿真得到的结构文件*.str,或是抽取的特性如材料厚度、结深、表
面浓度、方块电阻等等。Extrat有内建的一维QUICKMOS和QUICKBIP,可以在工艺仿真器重抽取得到器件结构的信息,如一维结电容(),一维电导(),阈值电压等。
结构操作
结构操作是用structure命令。Structure可以保存和导入结构,也可以对结构做镜像或上下翻
转。另外导入结构也可用init,即在启动仿真器ATHENA时由初始化导入结构。
Tonyplot显示
Tonyplot可视化工具用来显示当前的结构或是已经保持的结构文件的结构或掺杂等信息,也可
以按照某些设置(set文件)进行显示。
单项工艺
离子注入
语法:
IMPLANT
[GAUSS|PEARSON||MONTECARLO|BCA][CRYSTAL|AMORPHOUS]
IMPURITYENERGY=<n>DOSE=<n>[]
[TILT=<n>][ROTATION=<n>][FULLROTATION][][=<n>]
[=<c>][][=<n>][][][=<n>][||][][][=<n>][MCSEED=<n>][TEMPERATURE=<n>][DIVERGENCE=<n>][IONBEAMWIDTH=<n>][=<n>][SMOOTH=<n>][SAMPLING][DAMAGE][][][=<n>][=<n>][Z1=<n>][M1=<n>]
表1-1implant的主要参数及其说明
模里选样参数
说明
3USS,EC・
FUL[.

离子注入模型选释’BCA(BinaryCollisionApproxiniaLLon)
迎定注入步讚中硅晶格结构,規认是CRYSTAL
对所有注入模型有效闊黏嶷
说明
[MPURITY
EXERGY
DOSE:
TILT
ROTATION

FULLDOSE
PLUSONE和DA\LFACTOR
PRIKTNOXj
A]ial牡iu且1注入模堂塗鬼
注入的亲底种类
注入能金出羽;。注入能宣和注入亲痕分布的峰值浓度位畫有关注入剂亘,单位cm-,单位度。默认宜是产
注入离子嵐和倩宾面〔器伴剖面)$2注入在所有的RdTATIOX角度都进行,可理解为注入时在靛转wafer折定TIL丁角度时对注入亂宣进行诟螯=
调整后DOSE=DOSE/cqs(TILT}
注入损枯计算■PLUNONE(I^)
输出所有离子或材料的动亘
平均离子朿竟匿扩畏丙了-•試认恒在0丄和0卫之间
^m

应定计算削离子矣it数=SAMPLINGS未指疋时维结冉規认^,,二维结构球认是农闾打
TEMPERATURE
注入时村底的温度
DIVERGEXCE
此帮甦设宦时丁]]/1变为丁』£丁一丿一DIVERGENCE/^.离子朿題散角度,規认值广
[
离于束注入到盍面的位置,X=(left+*L),Le为左边界,[■是总枝度 ”
IOXBEAMXVIDTF[
离于朿朿宽
SMOOTH
采用GBiissiai]^法平滑处理
SAMPLING
MonteCrki方法统计样本
DA\L4GE
扬怖汁算 ,


.

MnnteCarla/BCAiJA#^
名材料结珂的汁算方法,
扩散
语法:
DIFFUSE
TIME=<n>[HOURS|MINUTES|SECONDS]
TEMPERATURE=<n>[=<n>|=<n>]
[DRYO2|WETO2|NITROGEN|INERT][=<n>][PRESSURE=<n>]
[=<n>|=<n>|=<n>|=<n>|=<n>]
[=<n>][][REFLOW]
[DUMP][=<n>][TSAVE=<n>][=<n>]
[=<c>][=<c>][=<c>][=<c>][=<c>]
表1-2diffuse的主要参数及其说明
扩散步骤的参数
说明
TIME
110URSA11XU1E3,SECONDS
TEMPERATURE


护散的总时间
护散时间的单位,默认是MINUTES
氛围的温度(°C),
温度是变温时*设定疑终的温度
温度是变温时*设定温度的变化率
扩散氛围的参藪
说明
DRY02A\ET02JNITR0GENJINERT

PHASSURE
,]

扩散的气休氛围,NITROGEN作用同IMEKT
氧化剂气流中HC1的百分比
指定气筑的分压,单位是atnn默认值为1
气体的流速,此时不需定义DRYO2\\,
模型文件选择参数
说明
,
:VLMOD
3k 1Jt^,[j1iOSJ)^
等的路径”默认位直X:scclatool\lib\atlLCria\eversiori_iiim止crA\cuiiiiiion\pls
混杂参数
说明

REFLOW
氧化和硅优时忽略杂质扩散护散时表面回流
淀积
语法:
DEPOSIT
MATERIAL[=<c>]THICKNESS=<n>
[SITOPOLY][TEMPERATURE=<n>]
[DIVISIONS=<n>][DY=<n>][YDY=<n>][=<n>][=<n>]
[=<n>][=<n>][=<n>][=<n>][=<n>][=<n>][=<n>][=<n>]
[MACHINE=<c>][TIME=<n>][HOURS|MINUTES|SECONDS]
[=<n>][OUTFILE=<c>][SUBSTEPS=<n>][VOID]
表1-3deposit的主要参数及其说明
通用掺数
说明
MATERIAL

1'HICKXESStemperature
淀积的材料
淀积光刻胶的类型
淀积的厚度(何町

网格控制裁数
,这些参数是DIVISIONS,
=
淀积的掺杂参数
说明

^BACTIONJ:\fftACT10NGR51ZE

淀积层的杂质浓度{mi-3)
,^淀积层顶部的亲质浓度
淀积层空除的浓度
^.只是是空隙浓度
淀积层的空位浓度
作用利FWACAMCY类似,只是是空位浓度

作用和tVACANCY类似,只是是元素组分
淀积多晶硅的晶粒尺寸+
,只是是务晶硅的晶粒尺寸
ELITE淀积模翹参数
说明
MACHINE 淀积隹用的机器名’
TIME 淀积的忖间
HOURS:MINUTES:SECONDSTlblE的单位,默认是陋INI/TE百
X」\ABT1CLE MonteCarlo淀积时计算弹道颗粒数
OUmLE 将MonteCarlo颗粒位置的倍息存入文件
SVBSTEPS ELITE模型的分歩淀积的每一步
VOID 指定淀积材料未填充时空晾的形成
刻蚀
语法:
ETCH[MATERIAL][]
[ALL|DRY][THICKNESS=<n>][ANGLE=<n>][UNDERCUT=<n>]
[LEFT|RIGHT|ABOVE|BELOW][=<n>][=<n>][=<n>][=<n>]
[START|CONTINUE|DONE][X=<n>][Y=<n>]
[INFILE=<c>][][NOEXPOSE][=<n>][=<n>]
[=<n>][MACHINE=<c>][TIME=<n>][HOURS|MINUTES|SECONDS]
[][=<n>][=<n>][=<c>]
表1-4etch的主要参数及其说明
几何刻蚀参数
说明
MATERIAL
被刻蚀的材料

刻蚀光刻胶的类型
ALL
指定的材料完全被刻蚀
DRY
刻蚀表面形貌不变’整体下降THICKNESS大小。如果九NGLE和UNDERCUT设定了,则表面形貌会受其影响
TI11CKXES3
干法刻蚀的刻蚀厚度(pm)
ANGLE
侧墻倾斜角度〔度n默认为如。,即垂直
UNDERCUT
掩膜下刻蚀延伸的距离(li-m),默认值为0
LEFT:RIGHT:ABOVE:BELOW
梯形刻蚀*:P£¥指定
PLX,?,
捋定left/right/abo^/bcl^刻蚀的位置。伽),i订参数不可省
START:CONTINURDONE
任意的刻飯,由一吐点(参数X,Y指明位置〕连成的线组成的区域
INFILE
由输入文件说明刻蚀剖面

只有表层材料被刻蚀
NOEXPOSE
新得到的表面不会导致并发的氧化或淀积
ELITE组件的物理刻蚀参数
说明
MACHINE
刻蚀机器
TIM£
刻蚀的时间

刻蚀时间的单位

说明

仿真时考虑重淀积,.默认值皿坨

表面平滑的水平

MonteCarlo刻蚀和重淀积的时间步骤控制
当需要更高级的模型时可以采用ELITE组件。仿真特性有WetEtch,PlasmaEtch和MonteCarloPlasmaEtch。‘machine知识定义工艺设备、试剂和气体等工艺的共同参数。在后续工艺中可以采用这些共同的参数对不同材料、不同工艺条件进行仿真。
集成工艺
上节讲到的一些单项工艺,如何组合形成我们常用的器件的生产工艺?这里有两个问题:一、由哪些单项工艺组合得到;二、这些工艺的参数又是怎样得到的。下面以常用的MOS管为例,学****仿真流程的组织,仿真注释,适时保存、显示结构以及抽取特性可以提供更详尽的各阶段的仿真结果。
MOS管的仿真程序:
goathena
#Establishthegridlocationsanddensities
linexloc=0spac=====
linexloc==
#
lineyloc==
lineyloc==
lineyloc==
lineyloc==
#
initorientation===2
#pwellformationincludingmaskingoffofthenwell
#
diffustime=30temp=1000dryo2press==3
#
etchoxidethick=
#
#P-wellImplant
implantborondose=8e12energy=100pears
#
diffustemp=950time=100weto2hcl=3
#
N-wellimplantnotshown
welldrivestartshere
diffustime=50temp====3
#
diffustime=220temp=1200nitropress=1
#
diffustime=90temp==-=1
#
etchoxideall
#sacrificial“cleaning”oxide
diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3
#
etchoxideall
#gateoxidegrownhere
diffustime=11temp=925dryo2press==3
#
#Extractadesignparameter
extractname=“gateox”==
#
#vtadjustimplant
implantborondose==10pearson
#
depopolythick==10
#
#fromnowonthesituationis2-D
#
=
#
methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=
#
implantphosphordose==20pearson
#
depooxidethick==8
#
etchoxidedrythick=
#
implantarsenicdose==50pearson
methodfermicompress
diffusetime=1temp=900nitropress=