集成电路工艺模拟实验.doc

实验名称：集成电路工艺模拟； 实验性质：设计性实验；实验时间20105.24
实验 集成电路工艺模拟
一．实验目的
IC工艺模拟由运行IC工艺模拟器来实现。IC工艺模拟器由IC工艺模拟软件及能运行该软件的具有一定容量和速度的计算机等硬件组成。IC工艺模拟软件大致可分为3类：第一类，用来模拟离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主的所谓狭义的IC工艺模拟软件；第二类，用来模拟刻蚀、淀积等工艺的IC形貌模拟软件以及第三类，用来模拟固有的和外来的衬底材料参数及制造工艺条件参数的扰动对工艺结果影响的所谓IC工艺统计模拟软件。IC工艺模拟软件可用于模拟制造IC的全工序，也可用来模拟单类工艺或单项工艺。IC工艺模拟有优化设计IC制造工艺以及快速分析工艺条件对工艺结果影响等功能，也是虚拟制造IC的重要组成部分。
在工艺条件参数中，以离子注入、扩散和氧化工艺为例，一般包括：离子注入的能量、剂量和杂质种类等；预淀积或再分布扩散的温度、时间、杂质种类及需要给出的浓度、气氛或携带气体的种类和分压等；氧化的温度、时间，携带的氧化剂类别和分压等衬底材料参数一般包括衬底材料的晶向、掺杂类型和浓度等。必要的网格参数、扰动参数及输出参数等。有一些电学参数如方块电阻、阈值电压等由得出的杂质分布、氧化层厚度及已知的衬底材料参数按有关解析计算公式计算得出。
工艺模拟软件是在建立各种模拟模型的基础上用数值技术求解，编程得出来的。所以同一个工艺采用不同的模型，最后的模拟结果是不相同的。
SUPREM（Stanford University Process Engineering Models__斯坦福大学工艺模型）是第一个能模拟几乎全部IC制造工序的软件，它与1977年由美国Stanford大学IC实验室成功试制，由于存在数值不稳定，模型精度不够，未能使用。经过修改在1978 年6月完成了第二代文本，称为SUPREM II, 在SUPREM II程序中已仔细考虑了磷扩散空位模型、氧化增强扩散等，提高了模型精度；由于这些改进，使在SUPREM II成为国际上第一个能实用的IC工艺模拟软件。
SUPREM III是当今为硅工艺一维模拟的精度最高、功能最强的软件。在SUPREM III中又增加了氯化氢扩散模型和多晶硅、氮化硅以及多层结构的模拟等，可以模拟单步制造工艺，也可以模拟集成电路的整个生产过程，得到每步工艺后芯片的氧化层厚度、纵向杂质分布、薄层电阻、结深等工艺参数。该程序可在微机上运行。
让学生通过计算机仿真了解半导体工艺的流程以及工艺参数对器件性能的影响。通过使用SUPREM等工艺模拟软件，在实验室内搭建一个虚拟的半导体工厂，通过实验加深学生对课堂教学内容的理解。从而达到辅助课程教学的目的。
以廉价省时的计算机软实验，代替部分昂贵费时的硬实验，这是今后工业生产化中计算管理系统的重要课题。本实验目的是了解计算机工艺模拟原理和方法，使用SUPREM III进行工艺模拟练习。
二、 实 验 原 理
工艺模拟结果的正确与否，关键在于模型参数取值是否合理。PATER系统考虑了三种主要工艺一氧化、离子注入/退火及预淀积/推进的模型参数的提取。用户只需按菜单提示填写实验工艺条件及工艺测量数据，程序便自动提取模型参数，建立新模型并生成模型卡。供以后模拟时调用。这样保证了模拟结果与实测工艺数据的吻合。
不同的工艺需要提取不同的模拟参数。热氧化工艺模拟共有三个模型参数，即线性生长速率B/A，抛物线生长速率B及干氧快速生长因子FENH；离子注入/退火的模型中只含有一个模型参数即扩散系数Dsx;预淀积/推进工艺模型只考虑掺杂气氛浓度CONC的修正。
半导体生产工艺模拟的输入文件共包含三类语句：
（1） 预置语句。包括：标题语句（TITKE）、注释语句(COMMENT)、栅格语句(GRID)、衬底语句(SUBSTRATE)、结束语句(END)。
（2） 输入/输出语句。包括打印语句（PRINT）、绘图语句(PLOT)、贮存语句(SAVE)、装入语句(LOAD)。
（3） 工艺步骤/模型语句。包括工序语句（STEP）、模型语句(MODEL)。
这些语句各自包含若干参数，都有各自的语法格式（附录2）。在PATER系统中，有一个自动生成输入卡模块，用户只需按菜单提示，一步一步填写工艺卡，系统即会生成工艺模拟输入文件，进行模拟。故一般工艺人员无需专门学习，只要填写他们熟悉的工艺流程卡，就可以对单步或多步工艺进行模拟分析。
三、实验仪器
计算机，SUPREM III开发软件
四、实验内容
1、熟悉SUPREM III开发软件的操作方法，了解各级管理菜单及数据库文件的填写内容。
2、设计硅栅NMOS工艺的模拟步骤。输入一组工艺条件，用系统内部缺损模型参数进行模拟。即在某一温度下，改变时间，进行多次模拟分析。
3、 提取模拟参数。输入工艺试验条件及实测数据，提取模型参数，得到你所用设备的工艺模型参数。
4、 采用于2、相同的工艺条件，运用提取的模型参数，进行多次工艺模拟。
5、 打印输出文件，整理实验数据，得到工艺模型参数距工艺规律曲线。
五、实验报告要求
1、写出硅栅NMOS工艺的模拟设计程序。
2、打印输出图形
3、书写实验报告时要求结构合理，层次分明。

下面我们以-硅栅NMOS工艺的模拟为例了解SUPREM III的具体应用。
(a)工艺步骤
n 步骤一 衬底，硅单晶，高阻，P型，晶向 <100>
n 步骤二 生长40nm SiO2
n 步骤三 在SiO2顶部淀积80nm Si4N3层、
n 步骤四 剥去有源区外的氮化物
n 步骤五 离子注入B以增加场区表面的P型掺杂
n 步骤六 场区氧化，湿氧气氛，3小时，1000°C
n 步骤七 腐蚀有源区硅表面
n 步骤八 离子注入B，为置器件的阈值电压
n 步骤九 生长40nm栅氧化层
n 步骤十 淀积0.5um多晶硅层
n 步骤十一 在预淀积炉中用POCL3作为磷掺杂剂的源
n 步骤十二 腐蚀掉栅区域外的多晶硅
n 步骤十三 离子注入As以形成源和漏区
n 步骤十四 源和漏驱入扩撒：干氧气氛，30分钟，1000°C
n 步骤十五 开栅、源和漏的接触孔
n 步骤十六 用CVD法在圆片表面淀积掺磷SiO2（磷硅玻璃）
n 步骤十七 回溶磷硅玻璃，1000°C，30分钟、
n 步骤十八 再打开接触孔并淀积AL
(b)输入文件
n 用六个文件模拟硅栅NMOS器件制造工艺。
n 文件一 模拟器件有源区的初始加工直至栅和源/ 漏区加工工艺的分岔点
n 文件二 以第一个文件结果为起点，完成栅区的工艺加工
n 文件三 以第二个文件结果为起点，完成源/漏区的加工工艺
n 文件四 基于栅区模拟结果执行电参数计算
n 文件五 与第一个文件相似，但是模拟器件的场区工艺加工
n 文件六 完成场区的工艺加工
n
n 实验程序：
n go ssuprem3
n TITLE: NMOS Device: Isolation Region
n # Initialize silicon substrate.
n Initialize <100> Silicon c.Boron=1e15 Thick=4.0 dX=.01 Spaces=400
n # Grow pad oxide, 400A.
n Diffusion Temperature=1000 Time=40 DryO2
n # Implant boron to increase field region doping.
n Implant Boron dose=1e13 energy=150
n # Grow field oxide.
n Diffusion Temperature=1000 Time=180 WetO2
n # Extract field oxide thickness
n #
n extract name="fieldox" thickness material="SiO~2" mat.occno=1
n # Implant boron to shift the enhancement threshold voltage.
n Implant Boron Dose=4e11 Energy=50
n # Grow gate oxide
n Diffusion Temperature=1050 Time=30 DryO2 HCL%=3
n # Deposit polysilicon
n Deposit Polysilicon Thickness=0.5 Temperature=600
n # Heavily dope the polysilicon using POCl3
n Diffusion Temperature=1000 Time=25 dTmin=.3 Phosphorus Solidsol
n TonyPlot -ttitle "s3ex02.in: Initial Isolation Structure"

n # Final isolation region processing.
n # Etch polysilicon and oxide over source/drain regions.
n Etch Polysilicon
n Etch Oxide Amount=.0700
n # Implant Arsenic for source/drain regions.
n Implant Arsenic Dose=5E15 Energy=150
n # Drive-in Arsenic and re-oxidize source/drain regions.
n Diffusion Temperature=1000 Time=30 DryO2
n # Deposit Phosphorus doped SiO2 using CVD.
n Deposit Oxide Thickness=.7500 Phosphorus Concentration=1e21
n # Reflow glass to smooth surface and dope contact holes.
n Diffusion Temperature=1000 Time=30
n # Deposit Aluminum.
n Deposit Aluminum Thickness=1.2 Spaces=10
n # Extract integrated Boron concentration in the field region
n extract name="Chemical_Boron" 1.0e-04 * (area from curve(depth,impurity="Boron" material="Silicon" mat.occno=1))
n # Extract Field Threshold Voltage
n extract name="Vt" 1dvt ntype bias=0.0 bias.step=0.5 bias.stop=60
n TonyPlot -ttitle "s3ex02.in: Final Isolation Structure"
n # Save the structure.
n Structure outfile=s3ex02.str
n #
n quit