12

Введение в среду приборно-технологического моделирования ise tcad. Программа технологического моделирования dios.

Цель работы: Познакомиться с программой технологического моделирования DIOS. Провести одномерное моделирование распределения основных примесей (бора, мышьяка и фосфора) после ионного легирования и отжига. Получить распределения примеси в зависимости от энергии и дозы внедряемых атомов, а также от режимов отжига.

Теоретическая часть.

Введение

Системы приборно-технологического моделирования применительно к кремниевой интегральной технологии развиваются уже около 30 лет. Первым общепризнанным программным продуктом такого рода была программа технологического моделирования SUPREM. Более поздние ее версии и сейчас определяют мировой стандарт в этой области.

Дальнейшее развитие приборно-технологического моделирования шло в направлении интеграции программных средств, относящихся к технологическому, приборному и схемотехническому уровням в единое целое с возможностью построения в этом пространстве виртуальных экспериментов и поиска оптимальных решений. Так на практике реализовывалась концепция «виртуального производства» интегральных микросхем.

Одним из наиболее мощных пакетов такого уровня является пакет программ ISE TCAD швейцарской фирмы ISE AG. Его ядро составляют DIOS – программа 2-х и 3-х мерного технологического моделирования класса TSUPREM и DESSIS – общепризнанный мировой лидер среди программ расчета электрических приборных характеристик.

Программа DESSIS рассчитывает численно одно-, двух- и трех- мерное электрическое поведение отдельного полупроводникового прибора или нескольких физических приборов, комбинированных в схему. Диапазон моделируемых приборов чрезвычайно велик – от очень глубоко субмикронных кремниевых МДП-транзисторов до больших мощных биполярных структур. Полностью поддерживаются модели для расчета приборов на SiC, III – V соединениях, гомо- и гетероструктурах.

Кроме того, в пакет ISE TCAD входят программы:

• GENESISe – основная графическая оболочка, обеспечивающая прямой доступ ко всем программным единицам. GENESISe обеспечивает вычислительный процесс, начиная с необработанной пластины и до SPICE – параметров, поддерживает параметризацию проекта и планирование эксперимента.

• OptimISE – средство параметрических исследований в крупномасштабных проектах, включая автоматическую итерационную оптимизацию, анализ чувствительности и статистический анализ.

• Ligament – среда проектирования вычислительных потоков в TCAD через графический интерфейс, доступный для неподготовленного пользователя.

• MDRAW – редактор двумерных приборных структур, обладающий мощными средствами генерации сетки, непосредственно предшествующий программе расчета приборных характеристик DESSIS.

• MESH – гибкий генератор одно-, двух- и трехмерных сеток специально для расчета полупроводниковых приборов.

• ISExtract – быстрый, точный, оптимизированный экстрактор SPICE – параметров для большинства важнейших моделей, таких как BSIMPD, BSIM4, BSIM3, BJT.

• Tecplot-ISE - мощный визуализатор для научных исследований с возможностью построения всех типов графиков.

• TCAD Fab Package – программа, связывающая оборудование и TCAD в единое целое, позволяющая быстро, точно и надежно оценить и оптимизировать параметры процессов, откалиброванных для оборудования фирмы Applied Materials, результат совместного проекта Applied Materials и ISE.

Перечисленные программные средства позволяют осуществить полное приборно-технологическое моделирование интегральных полупроводниковых структур.

Работа с программой DIOS

DIOS – это программа для одно-, двух- и трехмерного моделирования технологических процессов. Она позволяет моделировать травление, ионную имплантацию, все высокотемпературные операции, а именно быстрый термический отжиг, окисление, эпитаксию и предварительные термообработки, а также рост силицида.

Входной информацией для моделирования в DIOS является командный файл, содержащий описание технологических процессов. Результатами моделирования являются профили распределения примесей, величины поверхностных сопротивлений (или поверхностных концентраций) и глубины p-n переходов. Кроме того, результаты технологического моделирования в DIOS можно использовать для продолжения моделирования. Расчет в DIOS выполняется по узлам дискретной сетки. Таким образом, непрерывные функции, такие как профили легирования, разбиты на конечное число дискретных точек, и программа хранит информацию в форме таблиц значений концентрации и типа примеси для каждого узла сетки. Начальная сетка задается пользователем в командном файле. По ходу технологического моделирования она автоматически адаптируется под градиент концентрации примеси и под геометрию слоев.

Для моделирования одномерных и двумерных структур DIOS использует правостороннюю систему координат. Ось X направлена слева направо, ось Y вертикально вверх. Ось Y перпендикулярна к поверхности подложки. По умолчанию, все длины в DIOS заданы в микрометрах (см. рис. 1).

DIOS-Y

(0,0)

DIOS-X

Рис.1 Система координат для одно- и двухмерного моделирования в DIOS

В DIOS нет специальной сетки для одномерного моделирования. Как и для двумерного случая в этом режиме сетка состоит из треугольников, и слои структуры описываются линейными сегментами. Следовательно, и системы координат для одномерного и двумерного случая одни и те же. Начало системы координат может быть определено пользователем, но по умолчанию значение y=0 используется для задания начального положения кремниевой подложки т.о., что вся область подложки находится при y<0.

Для того, чтобы программа могла записывать двумерные результаты (файлы DF-ISE), необходимо определить, как эти результаты располагаются по отношению к трехмерной пластине. По этой причине трехмерная система координат в DIOS эквивалентна системе координат самой пластины. Оси DF-ISE-X и DF-ISE-Y задают поверхность пластины, а ось DF-ISE-Z перпендикулярна поверхности пластины (см. рис.2). Размерность этих осей также задается в микронах.

DF-ISE-Z=Wafer-Z=DIOS-Y

DF-ISE-Y=Wafer-Y

DIOS-X

DF-ISE-X=Wafer-X

Рис.2 Система координат для одно- и двухмерного моделирования по отношению к трехмерной пластине.

В DIOS доступны следующие материалы:

Имя в DIOS	Название материала	комментарии
Al	Aluminum	Алюминий
Ceramic	Ceramic	Изолятор
Gas	Gas, Vacuum, Ambient	Газовая смесь
IsoX	InsulatorX	Изолятор
Me		Металл, формирующийся силицид
MS	Silicide	Силицид
Ni	Si3N4, Nitride	Нитрид кремния
Ox	Oxide, SiO2	Диоксид кремния
OxyN	Oxynitride	Нитрид кислорода
Po	PolySi, Polysilicon	Поликристаллический кремний
Resist	Photoresist, Resist	Фоторезист
SG	SiliconGermanium	Кремниево-германиевые слои
Si	Silicon	Монокристаллический кремний
Co	Cobalt	Кобальт
Mo	Molybdenum	Молибден
Pt	Platinum	Платина
Ta	Tantalum	Тантал
Ti	Titanium	Титан
W	Tungsten	Вольфрам

Химические элементы, для которых программа способна решать уравнения (системы уравнений), называются в DIOS примесями. Для каждой примеси, участвующей в процессе, необходимо задать по крайней мере общую ее концентрацию. В DIOS доступны следующие примеси:

Примесь	Описание	Комментарии
Al	Aluminium	Аллюминий
As	Arsenic	Мышьяк
B	Boron	Бор
Ga	Gallium	Галлий
Ge	Germanium	Германий
H2O		Влажный окислитель
I	Interstitial	Междоузлия
In	Indium	Индий
N	Nitrogen	Азот
O2	Oxygen	Сухой окислитель
P	Phosphorus	Фосфор
Sb	Antimony	Сурьма
V	Silicon vacancy	Вакансии

Для проведения расчетов необходимо на входном языке программы DIOS написать командный файл. Командный файл должен включать заголовок (TITLE), команды для описания: параметров технологической сетки, используемой для решения дифференциальных уравнений (GRID), технологического маршрута изготовления полупроводникового прибора, а также для сохранения результатов моделирования. Заканчивается описание командой end. Входной файл должен иметь расширение cmd.

Для запуска входного файла на моделирование необходимо в окне xterm набрать команду: dios <имя файла.cmd>. Файл должен находиться в текущей директории. Чтобы определить, в какой директории вы находитесь, воспользуйтесь командой pwd, чтобы сменить директорию – командой cd. После запуска командный файл проверяется на синтаксические ошибки, и только после этого начинают выполняться команды файла до тех пор, пока не встретится команда end.

Как только командный файл запущен на моделирование, автоматически создается файл протокола моделирования <имя файла.log>. В него записывается информация о ходе выполнения моделирования, предупреждения и сообщения об ошибках.

Если командный файл содержит команды: replace(control(ngraphic=1000)) и graphic(plot), то программа dios открывает графическое окно, дающее возможность получить наглядное представление о ходе выполнения технологического процесса и содержащее средства для работы с графическим изображением (выбор примеси, отображение сетки и слоев, задание одномерных сечений, контроль над выполнением программы и т.д.).

Остановить выполнение программы можно в любой момент, задав во входном файле команду break, либо нажав кнопку break в графическом окне dios. Как только программа остановлена, dios переходит в интерактивный режим и ожидает ввода очередной команды в окне терминала xterm или в графическом окне. Для продолжения моделирования нужно дать команду go в xterm или в графическом окне. Если необходимо полностью прервать моделирование, воспользуйтесь командой exit в графическом окне (она эквивалентна команде end во входном файле).

Пример командного файла DIOS:

TITLE("1d simulation")

grid( x=(0.0, 0.6) y=(-1.0, 0.0), nx=2)

substrate (orientation=100, elem=B, conc=5.0E14, ysubs=0.0)

replace(control(ngra=10))

graph(triangle=on, plot)

comment('Arsenic implantation')

implant(element=AS, dose=1.0E14, energy=40keV)

1d(file=As_impl, xsection(0.0), spe(btot,astot), fac=-1, append=off)

comment('RTA of As implants')

diff(time=10s, temper=1050, atmo=O2)

1d(file=As_diff, xsection(0.0), spe(btot,astot), fac=-1, append=off)

1d(RS=on)

comment('save final DIOS simulation file')

save(file=As_distrib)

end

Ниже рассмотрены основные команды, которые входят в командный файл для DIOS:

TITle - начало любого командного файла для программы DIOS. Следует обратить внимание, что ключевые слова командного файла DIOS могут быть сокращены и написание команд не зависит от регистра.

Параметры:

В строке title могут быть определены ключевые слова SIDIFf и MAXV.

Примеры:

TITle('text', MAXV=40000)

TITle ('text', SIDIFf=1, MAXV=20000)

Комментарии:

Значение SIDIFf=1 (или SIDIFf=on) устанавливает расчет диффузии только в области кремния и поэтому может увеличить скорость моделирования. В этом режиме профили примеси в поликристаллических материалах заменяются средним числом, а в других слоях не изменяются. Помните, что в этом режиме эффекты сегрегации примеси могут моделироваться только во время окислительных процессов. Если необходимо учитывать эффекты сегрегации на нейтральных шагах моделирования или диффузию примеси в других слоях, то параметр SIDIFF должен быть отключен: SIDIFF=0 ( SIDIFf=off). По умолчанию SIDIFf=1.

MAXV определяет максимальное число узлов в сетке. Вообще рекомендуется использовать этот параметр, для ограничения увеличения числа узлов в сетке.

GRId – следует после команды TITle и определяет значения, необходимые для построения начальной сетки. Координатами X и Y определяется прямоугольная область построения расчетной сетки.

Обратите внимание: DIOS использует правостороннюю систему координат. Ось X направлена слева направо, ось Y вертикально сверху вниз. Ось Y перпендикулярна к поверхности подложки.

Параметры:

Начальный интервал треугольной расчетной сетки задается параметрами dx или nx. В вышеупомянутом случае nx=2, при этом начальная сетка определяемая пользователем, имеет область, разделенную на 2 треугольника с основанием, выровненным по оси X. Можно также определить наименьшую сторону равностороннего треугольника через параметр dx, который определяет nx косвенно.

Примеры:

grid(x=(-3,3),y=(1,-2.5),dx=50nm)

Comment - позволяет текстовой строке стать новым заголовком при моделировании следующего шага технологического маршрута. Эта строка принимается как заголовок в графическом окне DIOS.

Substrate - определяет степень легирования и свойства подложки ИС.

Параметры:

ELEMent – тип примеси в подложке.

CONCentration - однородная концентрация легирующей примеси в подложке

(cm-3).

Либо указывается удельное сопротивление подложки RHO в Ом*cм

ORIentation - кристаллическая ориентация поверхности подложки; {110}, {111} или {100}.

Обратите внимание: скорость окисления зависит от ориентации.

Control - используется для управления адаптацией сетки и частотой обновления графической информации. В конкретном примере график будет обновляться через каждые 10 шагов расчета диффузии, осаждения и травления, и на последнем шаге моделирования.

Параметры:

NGRAphic – определяет число шагов до следующего обновления графической информации.

Graphic - предназначена для управления выводом графической информации в DIOS. Управление выводом графического изображения может осуществляться с командной строки или с помощью меню на графической консоли.

Обратите внимание на то, что с командной строки доступно большее число команд, чем показано в меню графической консоли.

Параметры:

SPEcies – используется, чтобы показать определенную примесь (кнопка в меню SPEcies)

Triangle=On/Off, – отображение расчетной сетки DIOS (кнопка в меню Triangle)

Equal=On/Off, – включает равный масштаб по осям (кнопка в меню = /! =).

Scale (XL,XR,YB,YT) –определяет размер окна (изменять размеры окна можно левой кнопкой мыши).

Zscale – позволяет определить масштаб контурных линий для 2-мерных графиков (x-y) через список.

Plot – Обновление области вывода графика. Без указателя Plot (или указателя Cross для одномерного поперечного сечения) команда Graphic не выполняется.

В графическом окне:

Zoom - изменение масштаба изображения, используя левую кнопку мыши, перетащите курсор для определения размера окна.

Recenter – одно нажатие левой кнопки мыши, определит новый центр графика.

Cutline – генерация сечения, используя центральную кнопку мыши – удерживая кнопку переместите курсор по выбранному сечению. В режиме Cutline, примесь может быть переназначена. Для возвращения в двумерный график, поместите курсор внутри графического окна и нажмите правую кнопку мыши.

Move/Sample – эти два режима сменяют друг друга (при нажатии на кнопку sample происходит ее переключение в move, и наоборот). В режиме move указатель курсора принимается за новый центр изображения при его перерисовке или масштабировании. В режиме sample координаты указателя курсора печатаются в выходном окне.

Примеры:

Graph(SCale(Equal=off), Plot)

Graph(SCale(XLeft=0.1,XR=0.2,YTop=0,YBot=-1), Plot)

Обратите внимание, что текст, заданный в команде Title, появляется наверху графического окна DIOS.

Implantation - для моделирования ионной имплантации должны быть определены тип примеси, энергия (кэВ) и доза (см^-2) имплантации. Профили легирования вычисляются, используя аналитические функции для вертикальных и латеральных распределений, в сочетании с методом согласования дозы и латеральным интегрированием. По умолчанию, моменты функций распределения вычисляются в зависимости от энергии имплантации и типа примеси согласно внутренним поисковым таблицам.

Параметры:

TILT - угол наклона, угол вращения вокруг оси X (по умолчанию=7)

ROTation - угол вращения подложки вокруг оси Y (по умолчанию =-90)

FUNCtion -"вертикальная" функция распределения. Поддерживаются множество аналитических функций, включая Гауссово (=Gauss) и Пирсона-IV (=P4).

LateralFunction - боковая функция распределения (Гаусс или Пирсон)

Примеры:

Implantation (ELEMent=As, ENergy=250, Dose=3E12, FUNCtion=P4, LateralFunction=Gauss), можно использовать двумерное моделирование Монте-Карло со встроенной версией CrystalTrim (Function= CrystalTrim). Другая возможность - читать первичный одномерный профиль, ионные распределения и распределения дефектов для каждого материала из файла.

1D - определяет одномерные сечения.

Параметры:

File – имя файла для сохранения данных. По умолчанию, файл будет иметь расширение plx.

XSECTion – определяет координату сечения по оси Х.

SPE – определяет типы примеси, профили которых будут сохранены

FAC – Множитель, определяющий размерность шкалы по оси Х. В данном примере FAC=-1, т.е. размерность шкала будет в мкм.

Append – имеет два состояния: on –дополняет данные в файл, off –файл создается заново.

1d(RS=on) – выводит в файле протокола значение поверхностного сопротивления.

Diffusion – задает все высокотемпературные операции, а именно быстрый термический отжиг, окисление, эпитаксия и предварительные термообработки. Температура (⁰C) должна быть определена вместе с: временем обработки (по умолчанию минута) или конечной толщиной (мкм) в случае окисления.

Параметры:

TempRate - определяет скорость изменения температуры между двумя значениями в K/min.

MODDiff - выбирает модель диффузии;

Примеры:

DIFF(Time=(2s,5s,3s),TEmp=(800,1050,1050,800))

DIFF(TEmp=(800,1050), TempRate=10)

Окисление задается в команде DIFFusion заданием атмосферы кислорода. Должны быть определены температура, время обработки или конечная толщина. Модели окисления по умолчанию - MODOX=MASSOUD и O2diffusion=Diffusion. Вычисляются: диффузия окислителя, диффузия примеси в окисле и реакции на границе раздела кремния.

Параметры:

ATMOsphere – в качестве значения этого параметра могут стоять:

H2O, O2, HCl , H2O2, по умол. N2.

Примеры:

DIFF(ATMOsphere=O2,TEmp=1000,Time=100)

DIFF(TE=1000,T=100, Flow(O2=10l/min, HCl=0.3l/min)

Save – вся информация о моделировании сохраняется в файле As_distrib.dmp.gz. Этот файл, можно использовать для анализа результатов моделирования, а также для продолжения расчетов.

Анализ профилей распределения примеси с помощью графического редактора Inspect.

Inspect – это программа для графического отображения и анализа кривых. Кривые в программе Inspect представляются последовательностью точек, объединенных в два массива: массив точек для координаты x и массив - для координаты y. Массив координат по осям x и y в Inspect называется dataset (набор данных).

Основная панель программы Inspect разделена на три области: Datasets (наборы данных), Curves (кривые) и область графиков.

Область Datasets содержит три панели просмотра для выбора и объединения данных в процессе создания кривых.

Область Curves содержит панель просмотра кривых, в которой отображается список имен загруженных кривых, и три кнопки: New – для создания новых кривых с использованием библиотеки формул, Edit – для изменения атрибутов отображения кривых и Delete – для удаления кривых.

С правой стороны расположена область графиков, в которой отображаются кривые. Кнопки, расположенные поверх этой области, используются для изменения системы координат, масштабирования (Zoom: In, Out, Off, Center) и переключения между линейным и логарифмическим масштабами (Scale: X, Y,Y2).

ZoomIn – выбрав эту кнопку, вы переходите в режим масштабирования. Укажите левый верхний угол масштабируемой области нажатием на него левой кнопки мыши и, не отпуская ее, протяните указатель мыши диагонально до нижнего правого угла. На экране отобразится выбранная вами область в увеличенном масштабе. Эту процедуру можно повторять неоднократно. Чтобы вернуться к предыдущему состоянию, нажмите ZoomOut.

С помощью линеек прокрутки вы можете двигать область изображения. Чтобы вернуться к первоначальному состоянию, нажмите Center.

При нажатии ZoomOff в область изображения попадает целый график и все его увеличенные копии удаляются.

По умолчанию график загружается в линейном масштабе. Чтобы перевести его в логарифмический масштаб по оси x или оси y, надо нажать соответственно ScaleX или ScaleY. ScaleY2 – для случая правосторонних координат.

Кроме того, в нижней части основной панели расположена строка состояния, в которой отображается различная информация о текущем состоянии процесса.

Для того, чтобы загрузить файл в Inspect:

1. Нажмите File

2. Выберите Load Datasets. Появится окно для выбора файла.

3. Выберите нужный вам файл и дважды нажмите на него левой кнопкой мышки.

Обратите внимание, что по умолчанию стоит фильтр для файлов с расширением plt. Чтобы выбрать файл с другим расширением (например plx), в опции file of type выберите Select all.

Для того, чтобы активизировать кнопки Edit и Delete, надо выбрать кривую, нажав на ее имя в области Curve.

Для редактирования атрибутов кривых выберите кривую и нажмите Edit. Появится панель, в которой предлагается целый набор средств таких, как: изменение имени кривой и изменение цвета, формы, ширины, стиля и т. д. линии кривой.

Для создания новой кривой нажмите New. Появится диалоговая панель с двумя областями просмотра: для уже существующих кривых и для предопределенных макросов. Кроме того, на панели находятся две строки: для имени новой кривой и для формулы, которая будет использоваться для создания этой кривой.

Для удаления кривой выберите кривую и нажмите Delete.

Редактирование внешнего вида графика осуществляется с помощью диалоговых окон: Plot Area Editor, Coordinate Area Editor и Axis Editor, для открытия которых существуют соответствующие опции в Graph в основном меню.

Порядок выполнения рабочего задания.

• Воспользуйтесь командой ls для просмотра содержимого каталога students.

• Создайте директорию вашей бригады –

mkdir <имя директории>

• Войдите в вашу директорию –

cd <имя директории>

• Основываясь на файле примере, создайте в вашей директории командный файл в соответствии с маршрутом, приведенным в приложении 1 (часть1). Для этого загрузите стандартный текстовый редактор kedit, задав в окне терминала команду kedit. Опишите маршрут на входном языке DIOS и сохраните файл под своим именем. Командный файл должен иметь расширение cmd.

• Для запуска моделирования наберите в командной строке xterm:

dios <имя командного файла.cmd>. Нажать Enter.

• В результате этих действий в окне xterm появится информация о ходе выполнения расчетов, меняющаяся по мере моделирования, а также предупреждения и сообщения об ошибках. Вся эта информация по умолчанию сохраняется в файле: имя командного файла.log. Кроме того, должно появится графическое окно, в котором отображается структура и распределение примеси в ней, меняющиеся по ходу выполнения моделирования. Если в файле есть синтаксическая ошибка, DIOS переходит в интерактивный режим и ожидает ввода команды из командной строки. Выйти из интерактивного режима можно с помощью команды exit.

• Повторить моделирование с измененными значениями дозы (всего 3 значения). См. часть1 таблицы в приложении.

• По окончании моделирования занесите в отчет величину поверхностного сопротивления из файла протокола для каждой из доз. Таблица с этим значением расположена в файле протокола моделирования сразу после команды 1d(RS=on).

• Повторить моделирование для разных значений энергии (всего 4 значения). Доза при этом фиксирована (1e14 cm^-3). См. часть 2.

• Загрузите графический редактор Inspect, набрав в командной строке xterm: inspect. Загрузите 4 файла (для каждой из энергий) с профилями распределения примеси после имплантации. Для этого в командной панели программы INSPECT выберите File, затем Load Datasets и имя соответствующего файла.

По графикам определить глубины p-n перехода (4 значения). Глубина p-n перехода определяется как точка пересечения примеси подложки и имплантированной примеси. Рекомендуется воспользоваться командой ZoomIn для увеличения области в районе точки пересечения. Не забудьте, что в нижней части основной панели отображаются значения концентрации и координаты X (расстояние от поверхности вглубь подложки) для текущего положения курсора.

Занести в отчет четыре значения глубины p-n перехода.

• Дополнить командный файл командой отжига и провести моделирование для 4 значений времени отжига (см. часть 3). При этом доза и энергия имплантации остаются неизменными (D=1e14cm-3, E=40 keV). Для каждого из четырех файлов зафиксировать значение поверхностного сопротивления и глубины p-n перехода.

• Оформить полученные результаты в виде отчета.

Содержание отчета.

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Краткий конспект теоретической части.

3. Содержание рабочего задания.

4. Величины поверхностных сопротивлений и глубин p-n переходов.

5. Выводы по работе.

Вопросы к отчету:

1. Назовите основные программные единицы пакета ISE TCAD.

2. Для чего предназначена программа DIOS.

3. Какова структура командного файла DIOS.

4. Какой системы координат придерживается DIOS.

5. Какие основные технологические процессы можно моделировать с помощью программы DIOS.

6. Что является входной выходной информацией для моделирования в DIOS.

7. Какой файл создается автоматически в процессе работы входного файла. Какую информацию можно получить из этого файла.

8. Как сохраняются одномерные сечения структуры. Где их можно посмотреть.

9. Для чего служит графический редактор Inspect на этапе технологического моделирования.

10. Как определить глубину p-n перехода по результатам моделирования в DIOS.

11. Как определить величину поверхностного сопротивления по результатам моделирования в DIOS.

Приложение 1. Маршрут для моделирования