R&D工程师的神器-《TCAD》-《芯苑》

很多时候FAB的工程师都很膜拜RD,尤其是当你从他们手上transfer新technology的时候。每每感慨这上千步process的condition是如何确定的?这一两百页的设计规则以及每一层图形的尺寸关系是怎么定出来的?今天芯苑就来带大家走进RD的世界,了解他们的神奇。

半导体制程进入Sub-micron时代,各种器件次生效应(2nd factor)就开始变得不可忽略,比如Short channel, Stress, Electrical field, Bulk effect, etc。而这些参数都是和process condition以及Layout的尺寸和距离相关性非常强,如果我们用传统的理论计算或者做实验try error的方式做研发的话,我们永远也赶不上摩尔定律的步伐。

随着计算机仿真模型概念的提出,很多学者开始研究半导体掺杂特性以及电学特性关系并将其建立成数学模型,于是开始有了制程模拟的模型及软件,时至今日随着半导体理论的深入、以及数值模拟技术的发展和计算机运算能力的不断提高,以计算机为平台以半导体理论模型为基础的工艺仿真逐渐取代了传统的实验研发方法,我们称之为TCAD(Technology Computor Aided Design)。有了TCAD计算机仿真,我们可以从理论上predict所需要的尺寸以以及掺杂浓度和结深度等制程参数,然后通过一次到两次流片来确定最终的condition以及silicon数据。这总比我们乱枪打鸟乱猜condition要好!(这就是小弟我十年前自己simulation的0.6um CMOS~~, Linux界面的哦)

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所以由TCAD构建的虚拟FAB来完成新器件和工艺的研发,也许我们做一套制程参数以及Layout数据只需要个把月的时间,大大缩短了我们研发周期以及成功率,不仅突破了我们General offer的标准工艺的限制,我们还可以为特定客户量身打造最适合他们的制程和器件特性,尤其在未来物联网以及感应器等客制化产品的普及,制程模拟技术将变得越来越重要。所以你们经常看到比如公司要做一个新technology和Device的时候,通常进度里面都有RD正在TCAD提取设计规则,一般设计规则V0版都是模拟出来的,然后通过流片确认制程window后再做修正 (需要留够制程variation的margin),比如当年小弟做的一个HV project,simulation看起来L_poly看起来1.5um就够了,可是实际inline看起来<1.5um就会很快punch掉,所以只能根据variation将沟道长度定为1.8um (如下图),确保L_poly varition器件也不会死。当然你留的margin越大,你的制程竞争力就越差,浪费空间啊!所以需要你tighten你的制程参数。我记得我们一位非常有真知灼见的VP在9月份的Yield Meeting上说过,现在竞争很激烈,很多客户都开始偷rule,我们必须要upgrade我们的设备来满足客户的需要。英明啊!!

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好了,花了大量的篇幅在讲什么是TCAD?再来讲讲TCAD的历史以及工作方式吧。

1、TCAD的发展史:全世界我知道的最早研究半导体制程模型是斯坦福大学电子工程学院(http://www-tcad.stanford.edu/),这是我大学期间最喜欢的网站,几乎通读里面的suprem-2、suprem-3和suprem-4的手册和文献,那个年代还只能做一维仿真,直到有了SUPREM4才可以做二维仿真,后来斯坦福大学把SUPREM-4卖给了Synopsys公司,于是有了TSUPREM-4第一个商业版的制程模拟软件。但是它只能自己用txt文档编写文件然后在linux环境下类似DOS一样用命令去执行仿真。后来它继续收购了瑞士的ISE (Integrated System Engineering)开始整合GUI图形界面操作,优化了接口以及更优化的仿真收敛性。但是这些只能做到结构的仿真,可以看看晶体管的结构以及结深浓度等特性,无法看到电性参数 (不过有粗略的根据GOX以及surface charge得出的Vt值)。所以对于研发人员来说还是没用,还是要跑一次Silicon才能知道最终的结果如何?所以后来Synopsys公司再次收购Avanti公司整合了它的Medici器件仿真软件,在实践工程中,可以将TSUPREM的工艺仿真输出的结构以及掺杂的输出文件作为MEDICI的输入文件,结合外加电压和电流等input,就可以预期我们所要的电势以及载流子分布,从而最终预期我们的电性结果如何。当然也可以使用它来优化我们的制程,查找漏电通道以及击穿点。至此,TCAD=TSUPREM+MEDICI才最终成了FAB的RD工程师的神器。而synopsys公司整合了TSUPREM和MEDICI两个工具的工作平台取名叫做Taurus-TCAD,后来有了图形界面就叫做Taurus-workbench,再后来整合了ISE之后就叫做Sentaurus。这就是历史!

再后来,synopsys公司继续整合Davinci公司开始做3D仿真,这样就为FinFET以及纳米制造铺开了道路啊。得益于大学期间认识24研究所的刘勇老师,并且接触并学习TCAD系列仿真软件,所以毕业后有幸借公司名义认识了synopsys销售副总,那时候他给我讲的是可以降低研发费用40%。

当然,业界除了synopsys公司做TCAD之外,还有一家叫做Silvaco,它的源代码也是来自Stanford大学的SUPREM4,所以名字叫做SSUPREM。它重点是SiGe等复合材料半导体的异质结仿真,而且界面比较简单,初学者入门比较容易。他的工艺仿真平台叫做Athena,而器件仿真名字叫做Atlas (名字都很美丽~)。

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2、TCAD软件使用介绍:

我以前没用过GUI界面的,只用过文本输入编程的,所以我们那个年代都是要输入代码的。但是也不难,主要代码就是包括四部分:

1) 网格文件(Mesh):就是结构网表文件,就是定义尺寸宽度和高度,并且你要把你的结构细分成多少小单元,因为仿真要做微积分,所以分的越细越精准,但是计算就越慢了,所以通常都是在channel远端的网格比较大,靠近channel的网格比较小

2) 衬底(Substrate)定义:当然就是什么type掺入什么元素,晶向,阻值等等了。

3) flow condition:照着flow输入就好了,与flow不同的是会让你选择doping进去的模型是MonteCarlo还是Pearson,会涉及解方程的公式问题。还有就是炉管的diffuse会让你选择各种理论模型等等

4)输出部分(output):你可以自定义输出结构图还是掺杂色温图,甚至可以输出某一界面的掺杂浓度曲线可以让你跟实际SIMS做比较。

给个例子做参考吧,程序很简单,难在怎么选择模型以及模型的矫正。

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3、TCAD的挑战和机遇:

TCAD确实是个好东西,有了它你就不用自己跑wafer了。但是最大的问题是你怎么保证你simulate的数据能够与Silicon数据match?理想情况是,我跑出来和Silicon几乎match,然后跑一些Silicon看看关键尺寸和制程参数的margin够不够就好了。这就TCAD工业化使用最基础也是最关键的东西:Calibration。

由于半导体掺杂模型的复杂性,看我们大学里面学的那个什么玻尔兹曼方程、薛定谔方程等等的那些公式就知道了。我们简单的模型公式跑出来的东西跟实际肯定相差甚远,而在设计研发过程中,我们对精度的要求近乎苛刻,我们不是在定性分析趋势关系(sensitivity)而已,而是需要一枪命中(One Shot Success)。而公式的复杂性决定了我们对软件的模型的校准来复合实际情况困难度,这也是TCAD工程师最难做的一件事,如果这个做好了,几乎后面使用就很简单了。一般大公司都有专门团队负责calibration,然后RD的同仁只是改变制程参数和物理结构的尺寸而已。

为什么Calibration如此之难?举个简单的例子,doping profile。决定掺杂分布的有离子植入的能量、剂量、角度、表面非晶化、晶格晶向、热过程、瞬间损伤热加速(TED)、等离子晶格损伤等等无数变化的因子,而这些因子又有对应的经验系数,所以我们绝大部分时间都是在调整这些系数来match最终的实际SIMS曲线。所以做Calibration的工程师必须是既要精通半导体理论又要精通半导体制程,否则你不知道什么情况下选用什么模型,在选择正确的模型下如何调整制程系数以及材料物理系数(密度、浓度、气流速度、粘滞系数等等)来匹配实际的SIMS。 (In short, Calibration engineer must be knowledgeable across a wide range of areas)。

而且即使是one technology被矫正过,不代表在Next Generation依然匹配,因为每个Generation总有一些limitation,所以model需要不断更新和不断Calibration。所以说Calibration是一个复杂并且持续的过程!一个好的Calibration基本上包括以下三方面:

1、总的扩散后的掺杂profile,尤其是有源区将来MOSFET工作的地方。而且由于场区(FOX)的Stress不同,所以有源区和场区需要分别Calibration。

2、用SIMS做Calibration,节省时间。

3、器件特性参数以及I-V曲线的Calibration。

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现在的TCAD workbench工具已经完善到可以导入Layout gds文件不用再编辑器件结构了。另外,TCAD还可以做DOE田口实验,帮你分析优化的尺寸以及制程参数的组合。应该说,RD工程师几乎不用进FAB就可以很精准的预测得到未来的Silicon数据是什么(除非你机台异常了~~)

最后,如果哪位想学TCAD的可以找我,领你入门还是没问题的。