8 Silvaco TCAD工艺仿真工艺优化及工艺参数校准
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8 Silvaco TCAD工艺仿真工艺优化及工艺参数校准
• 继续校准以使计算值和实验值更接近
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2.3 薄层氧化参数校准的例子
默认参数 #---------- thin dry coeffs
oxide silicon dryo2 orient=111 thinox.0 =5.87e6 thinox.e =2.32 \ thinox.l=0.0078 thinox.p=1.0 th in o:e x0 kt th in ox :l thinox:p
Time (min)
#---------- thin dry coeffs oxide silicon dryo2 orient=111 thinox.0 =x1\ thinox.e =x2 thinox.l=x3 thinox.p=x4
时间和氧化层厚度曲线 （黑线为实际曲线）
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2.3 薄层氧化参数校准的例子（续）
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1.4.1 VWF 对节点进行展开
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11
1.4.2 运行后结果分析
• SPAYN（Statistical Parameter And Yield aNalysis）对 VWF仿真得到的多组数据进行后处理，比如回归分 析、相关分析、多维数据分析、直方图和散点图等 • SPAYN还可以画SPC（统计过程控制）图表和Wafer Map
oxide silicon dryo2 orient=111 thinox.0=7e6 thinox.e=2.32 \ thinox.l=0.0078 thinox.p=1.0 diffuse time=30 temperature=1000 dryO2 press=1 extract name="tox" thickness material="SiO~2" mat.occno=1 x.val=0.1
Silvaco TCAD 工艺仿真2
快速热退火（RTA）： Diffuse time=1 temp=1000 nitro press=1.5
高级的扩散模型：
Method pls
Diffuse time=1 hour temp=950 nitro c.phos=1e20 \
tsave=1 tsave.mult=10 dump.predep=predep
Method pls Diffuse time=1 hour temp=950 nitro \
c.phos=1e20 tsave=1 tsave.mult=10 \ dump.prefix=predep
tonyplot predep*.str tonyplot -overlay predep*.str
淀积，网格控制：
Rate.depo machine=MOCVD cvd dep.rate=0.1 u.m \
step.cov=0.75 tungsten
Deposit machine=MOCVD time=1 minute
20:55
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Silvaco学习
淀积的例子（网格）
go athena
Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20
Diffuse time=30 temp=1200 weto2
变温扩散：
Diffuse time=2 temp=800 t.final=1200 nitro press=2 Diffuse time=20 temp=1200 nitro press=2 Diffuse time=2 temp=1200 t.final=800 nitro press=2
Silvaco TCAD 工艺仿真2资料讲解
SVDP注入（s.oxide为屏氧厚度）：
Implant boron dose=1e13 energy=50 tilt=0 s.oxide=0.005
Monte Carlo注入：
Implant boron dose=1e13 energy=300 bca tilt=0 rotation=0
注入损伤：
优化
*
extract name="Tox" thickness oxide \ mat.occno=1 x.val=0
tonyplot quit
2
Silvaco学习
这一讲的安排
介绍各个工艺的参数及其意义 举例说明 这些工艺有：
离子注入，扩散，淀积，刻蚀，外延和抛 光
*
3
Silvaco学习
离子注入
Implant boron dose=1e14 energy=50 unit.damage dam.factor=0.1
*
6ห้องสมุดไป่ตู้
Silvaco学习
离子注入的例子
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20 init silicon c.boron=1e16 two.d
命令implant，参数及说明如下：
*
4
Silvaco学习
离子注入的参数及说明
离子注入的几何说明：
注入面：α 表面：∑
仿真面：β Tilt angle：θ Rotation angle：φ
*
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Silvaco学习
Implant boron dose=1e13 energy=50 tilt=0 s.oxide=0.005
Monte Carlo注入：
Implant boron dose=1e13 energy=300 bca tilt=0 rotation=0
注入损伤：
优化
*
extract name="Tox" thickness oxide \ mat.occno=1 x.val=0
tonyplot quit
2
Silvaco学习
这一讲的安排
介绍各个工艺的参数及其意义 举例说明 这些工艺有：
离子注入，扩散，淀积，刻蚀，外延和抛 光
*
3
Silvaco学习
离子注入
Implant boron dose=1e14 energy=50 unit.damage dam.factor=0.1
*
6ห้องสมุดไป่ตู้
Silvaco学习
离子注入的例子
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20 init silicon c.boron=1e16 two.d
命令implant，参数及说明如下：
*
4
Silvaco学习
离子注入的参数及说明
离子注入的几何说明：
注入面：α 表面：∑
仿真面：β Tilt angle：θ Rotation angle：φ
*
5
Silvaco学习
Silvaco_TCAD_工艺仿真1解读
Silvaco学习
ATHENA工艺仿真软件
通过MaskViews 的掩模构造说明，工程师可 以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件 结构上的掩模版图变动的影响。
与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀
仿真器集成，可以在物理生产流程中进行 实际的分析。
与ATLAS 器件模拟软件无缝集成
07:38
8
Silvaco学习
可仿真的工艺 （Features and Capabilities）
Bake CMP Deposition Development Diffusion Epitaxy
• Etch • Exposure • Imaging • Implantation • Oxidation • Silicidation
采用默认参数，二维初始化仿真： Init two.d
工艺仿真从结构test.str中开始： Init infile=test.str
GaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向[100]： Init gaas c.selenium=1e15 orientation=100
硅衬底，磷掺杂，电阻率为10Ω.cm Init phosphor resistivity=10
定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivity …
初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
07:38
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Silvaco学习
初始化的几个例子
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Silvaco学习
工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作 6、Tonyplot显示
Silvaco_TCAD_工艺仿真1.
14 Silvaco学习
17:08
仿真初始化
工艺仿真中的初始化（initialize）可定义衬 底，也可以初始化仿真 定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivit y… 初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
具体描述请参见手册中 Table1.1 Features and Capabilities
17:08 9 Silvaco学习
ATHENA 的输入和输出
一维和二维结构 工艺步骤 GDS版图 掩膜层 电阻和CV分析
ATHENA
工艺模拟软件
E-test数据(Vt)分析 涂层和刻蚀外形 输出结构到ATLAS 材料厚度，结深 CD外形，开口槽
17:08
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Silvaco学习
工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作
6、Tonyplot显示
11 Silvaco学习
17:08
定义网格
网格定义对仿真至关重要 定义方式:
line x location=x1 spacing=s1 line x location=x2 spacing=s2 line y location=y1 spacing=s3 line y location=y2 spacing=s4
17:08
ATHENA工艺仿真软件
分析和优化标准的和最新的隔离流程，包 括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注 入方法——超浅结注入，高角度注入和为 深阱构成的高能量注入
17:08
仿真初始化
工艺仿真中的初始化（initialize）可定义衬 底，也可以初始化仿真 定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivit y… 初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
具体描述请参见手册中 Table1.1 Features and Capabilities
17:08 9 Silvaco学习
ATHENA 的输入和输出
一维和二维结构 工艺步骤 GDS版图 掩膜层 电阻和CV分析
ATHENA
工艺模拟软件
E-test数据(Vt)分析 涂层和刻蚀外形 输出结构到ATLAS 材料厚度，结深 CD外形，开口槽
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Silvaco学习
工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作
6、Tonyplot显示
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定义网格
网格定义对仿真至关重要 定义方式:
line x location=x1 spacing=s1 line x location=x2 spacing=s2 line y location=y1 spacing=s3 line y location=y2 spacing=s4
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ATHENA工艺仿真软件
分析和优化标准的和最新的隔离流程，包 括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注 入方法——超浅结注入，高角度注入和为 深阱构成的高能量注入
SilvacoTCAD工艺仿真 ppt课件
注入损伤：
Implant boron dose=1e14 energy=50 unit.damage dam.factor=0.1
2020/4/24
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Silvaco学习
离子注入的例子
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20 init silicon c.boron=1e16 two.d
淀积BPSG： Deposit material=BPSG thick=.1 c.boron=1e20 c.phos=1e20
淀积，网格控制：
Rate.depo machine=MOCVD cvd dep.rate=0.1 u.m \ step.cov=0.75 tungsten
Deposit machine=MOCVD time=1 minute
抽取得到结深 Xj＝0.267678μm
把spac=0.02 换成0.1看有什么不同
2020/4/24
7
Silvaco学习
扩散
命令diffuse，参数及说明如下：
2020/4/24
8
Silvaco学习
2020/4/24
扩散的例句
磷的预沉积： Diffuse time=1 hour temp=1000 c.boron=1e20
Implant phosph dose=1e13 energy=50 \ tilt=7 unit.damage dam.factor=0.05
extract name="xj" xj material="Silicon” \ mat.occno=1 x.val=0.05 junc.occno=1
Implant boron dose=1e14 energy=50 unit.damage dam.factor=0.1
2020/4/24
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离子注入的例子
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20 init silicon c.boron=1e16 two.d
淀积BPSG： Deposit material=BPSG thick=.1 c.boron=1e20 c.phos=1e20
淀积，网格控制：
Rate.depo machine=MOCVD cvd dep.rate=0.1 u.m \ step.cov=0.75 tungsten
Deposit machine=MOCVD time=1 minute
抽取得到结深 Xj＝0.267678μm
把spac=0.02 换成0.1看有什么不同
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Silvaco学习
扩散
命令diffuse，参数及说明如下：
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Silvaco学习
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扩散的例句
磷的预沉积： Diffuse time=1 hour temp=1000 c.boron=1e20
Implant phosph dose=1e13 energy=50 \ tilt=7 unit.damage dam.factor=0.05
extract name="xj" xj material="Silicon” \ mat.occno=1 x.val=0.05 junc.occno=1
Silvaco TCAD工艺仿真模块及工艺仿真流程
器真仿入注诺卡托蒙 器SS真up仿rem艺4 工 硅 维 二
能功的块模物化硅 ATHEN件A 软 真 仿 艺 工 器真仿艺工料材存闪的进先
1.1.1 ATHENA
• 分析和优化标准的和最新的隔离流程，包括 LOCOS， SWAMI，以及深窄沟的隔离
• 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注入方法——超浅 结注入，高角度注入和为深阱构成的高能量注入
• 以物理为基础的刻蚀和淀积模型 • 带有各向异性性和各向同性刻蚀率的材质回流模型 • 干法刻蚀模式的光束扩散 • 微加载影响 • 由单向的，双向的，半球状的，轨道式的，以及圆锥形源引起
的淀积作用
.
9
1.1.6 光刻仿真器
• 投射，接近，和接触系统
• 模拟非平面的基础构造
• 相位移位，二元以及局部传动的掩模
.
21
2.3 工艺步骤
• 对具体的工艺进行仿真 • 这些工艺包括
Bake，CMP，Deposition，Development，Diffusion， Epitaxy，Etch，Exposure，Imaging，Implantation， Oxidation，Silicidation
• 本节课先简单介绍氧化（Oxidation）工艺
模型参数，b.mod|p.mod|as.mod, ic.mod|vi.mod
混杂参数，no.diff, refl. ow
23
2.3.2 Diffuse做氧化的例子
氧化时间30分钟，1200度，干氧
diffuse time=30 temp=1200 dryo2
氧化时间30分钟，1000度，氧气流速10sccm
• 命令:extract
.
25
2.4.1 自动生成提取语句
能功的块模物化硅 ATHEN件A 软 真 仿 艺 工 器真仿艺工料材存闪的进先
1.1.1 ATHENA
• 分析和优化标准的和最新的隔离流程，包括 LOCOS， SWAMI，以及深窄沟的隔离
• 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注入方法——超浅 结注入，高角度注入和为深阱构成的高能量注入
• 以物理为基础的刻蚀和淀积模型 • 带有各向异性性和各向同性刻蚀率的材质回流模型 • 干法刻蚀模式的光束扩散 • 微加载影响 • 由单向的，双向的，半球状的，轨道式的，以及圆锥形源引起
的淀积作用
.
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1.1.6 光刻仿真器
• 投射，接近，和接触系统
• 模拟非平面的基础构造
• 相位移位，二元以及局部传动的掩模
.
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2.3 工艺步骤
• 对具体的工艺进行仿真 • 这些工艺包括
Bake，CMP，Deposition，Development，Diffusion， Epitaxy，Etch，Exposure，Imaging，Implantation， Oxidation，Silicidation
• 本节课先简单介绍氧化（Oxidation）工艺
模型参数，b.mod|p.mod|as.mod, ic.mod|vi.mod
混杂参数，no.diff, refl. ow
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2.3.2 Diffuse做氧化的例子
氧化时间30分钟，1200度，干氧
diffuse time=30 temp=1200 dryo2
氧化时间30分钟，1000度，氧气流速10sccm
• 命令:extract
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2.4.1 自动生成提取语句
半导体工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD教程
2021/6/27
浙大微电子
11/118
– 为了预览所定义的网格，在网格定义菜单中选择View键， 则会显示View Grid窗口。
– 最后，点击菜单上的WRITE键从而在文本窗口中写入网 格定义信息。
2021/6/27
浙大微电子
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定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结
介绍网格定义的方法。
2021/6/27
浙大微电子
8/118
• 在0.6μm×0.8μm的方形区域内创建非均匀网格 − 在网格定义菜单中，Direction栏缺省为X方向；点击 Location栏，输入值0，表示要插入的网格线定义点在位置0； 点击Spacing栏，输入值0.1，表示相邻网格线定义点间的网格 线间距为0.1。当两个定义点所设定的网格线间距不同时，系统 会自动将网格间距从较小值渐变到较大值。 − 在Comment栏，键入注释行内容“Non-Uniform Grid （0.6um x 0.8um)”，如图所示；
② 点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中。在 这个Extract语句中，mat.occno（=1）为说明层数的
2021/6/27
浙大微电子
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参数。由于这里只有一个二氧化硅层，所以这个参数 是可选的。然而当存在有多个二氧化硅层时，则必须 指定出所定义的层。
③ 点击Deckbuild控制栏上的Cont键，继续进行ATHENA 仿真。Extract语句运行时的输出如图所示；从运行输出 可以看到，我们测量的栅极氧化层厚度为131.347Å。
⑤ 检查temp=<variable>和press=<variable>这两项。 然后，点击Apply。添加的最优化参数将如下右图所示 被列出 ；
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• TCAD中的工艺参数来源于
物理化学理论 Fab厂的经验数据
• 仿真和实验难免存在偏差！
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2.2 参数校准的思路
• 寻找实际生产中可测试的工艺结果及影响结果的 工艺参数 • 找出工艺仿真的模型方程 • 实际工艺的参数和结果按照模型方程的形式进行 拟合 • 拟合的参数替换模型中默认参数
• 继续校准以使计算值和实验值更接近
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2.3 薄层氧化参数校准的例子
默认参数 #---------- thin dry coeffs
oxide silicon dryo2 orient=111 thinox.0 =5.87e6 thinox.e =2.32 \ thinox.l=0.0078 thinox.p=1.0 th in o:e x0 kt th in ox :l thinox:p
参数校准→系数 工艺优化 → 条件
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1.2.1 Optimizer的优化设置
• 误差范围，寻找次数
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1.2.2 Optimizer的待优化参数
步骤：
go athena
line x loc=0.0 spac=0.02 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.02 line y loc=2.0 spac=0.20 init two.d diffuse time=30 temp=1200 dryo2 extract name="Tox" thickness oxide \ mat.occno=1 x.val=0
步骤：
1、框住待优化的目标（通常是extract） 那一行， 2、在Optimizer>Mode框中选择Targets 3、Edit>Add 4、弹出优化目标（Tox）的面板 5、设置目标值
extract name="Tox" thickness \
oxide mat.occno=1 x.val=0
Time (min)
#---------- thin dry coeffs oxide silicon dryo2 orient=111 thinox.0 =x1\ thinox.e =x2 thinox.l=x3 thinox.p=x4
时间和氧化层厚度曲线 （黑线为实际曲线）
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2.3 薄层氧化参数校准的例子（续）
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1.4.1 VWF 对节点进行展开
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1.4.2 运行后结果分析
• SPAYN（Statistical Parameter And Yield aNalysis）对 VWF仿真得到的多组数据进行后处理，比如回归分 析、相关分析、多维数据分析、直方图和散点图等 • SPAYN还可以画SPC（统计过程控制）图表和Wafer Map
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1.4.3 VWF的分析
• 统计分析 • 目标结果和参数的自动拟合
VWF只有Linux版本！
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2 工艺参数校准
第一部分 第二部分 第三部分
工艺优化 工艺参数校准
总结
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2.1 为什么要对工艺参数进行校准
• 工艺偏差的来源
设备类型不同 设备状态改变 人员操作
扫描方式可控性差 只能得到一种组合
工艺步骤
（需要优化工艺条件）
提取结果
（优化目标）
改 变 工 艺 条 件 NO
满足要求？ YES 优化完成
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1.4 VWF简单介绍
• Virtual Wafer Fab
VWF可以在从工艺仿真到SPICE电路性能仿真的整个流程中使用， 也可以在其中的一部分使用 灵活的系统允许自定义实验；实验中的掩模、工艺参数、器件 参数、电路参数或调整系数的任意组合均可定义为输入变量
定义实验时，可通过DOE实验设计(如Box Behnken)来自动修改输 入参数，或通过优化算法（如Levenberg-Marquardt算法）来手工 修改输入参数 可在整个流程中测量输出响应值，包括工艺特性（如氧化厚 度）、器件特性（如阈值电压）或者电路特性（如上升时间）等
一份完整的输入响应和实测输出响应工作表可导出至SPAYN，用 于额外的统计分析，或导出至TonyPlot用于查看
go athena line x loc = 0.0 sapcing=0.25 line x loc = 0.25 spacing=0.25 line y loc = 0 spacing = 0.001 line y loc = 0.50 spacing = 0.02
init silicon c.phos=1.0e14 orient=111
1、框住待优化的工艺（此处是diffuse） 参数那一行 2、在Optimizer>Mode框中选择Parameter， 3、Edit>Add即弹出参数选择面板 4、设置参数的扫描范围
tonyplot
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1.2.3 Optimizer的优化目标
go athena line x loc=0.0 spac=0.02 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.02 line y loc=2.0 spac=0.20 init two.d diffuse time=30 temp=1200 dryo2
主要内容
第一部分 第二部分 第三部分
工艺优化 工艺参数校准 总结
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1 工艺优化
第一部分 第二部分 第三部分
工艺优化 工艺参数校准 总结
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1.1 优化工具Optimizer
• 寻找合适的工艺参数——工艺优化 • 工艺优化工具Optimizer • 启动方式：Command>Optimizer… • 可以对多个参数同时优化 • 优化不限于工艺 • Y=A * X + B * X^2 …
方程形式
400 350
Tox (angstroms)
R = thi0 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 30
实验结果拟合后的参数
R = thinox:0 ¢e
th in o:e kt
e
x0 th in ox :l
P thinox:p
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3 总结
第一部分 第二部分 第三部分
工艺优化 工艺参数校准 总结
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3 总结
• 本课的主要内容
工艺优化Optimizer和VWF
工艺参数校准
• 下一课主要内容
器件仿真器 器件仿真流程
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欢迎提问
谢谢！
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oxide silicon dryo2 orient=111 thinox.0=7e6 thinox.e=2.32 \ thinox.l=0.0078 thinox.p=1.0 diffuse time=30 temperature=1000 dryO2 press=1 extract name="tox" thickness material="SiO~2" mat.occno=1 x.val=0.1
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1.2.4 优化…
当待优化的参数，优化的目标设置好后， 在Optimizer>Mode框中选择Results， 点击Optimizer即开始优化 OK！ (^_^)
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1.3 Optimizer的优点及不足
• Optimizer可以扫描特定参数以得到满意的结果
目标结果 工艺参数
• Optimizer的不足：