基于TCAD的氧化工艺参数影响分析

张照锋 董海青

摘 要：随着集成电路工艺的不断发展，特征尺寸越来越小，工艺对器件参数的影响越来越明显。该文通过TCAD工具模拟集成电路氧化工艺的过程，然后分别改变氧化的工艺参数，分析氧化工艺参数对氧化结果的影响，进而在器件设计过程中合理地进行工艺优化。

关键词：工艺;器件;仿真

中图分类号：TG174 文献标志码：A

0 引言

科技的发展带动了电子、商务产业的飞速发展，各类新的设计、新的工艺集成电路不断出现，并且在军、民等各个行业的应用越来越广泛，集成电路测试作为集成电路进行设计验证和批产把关的重要环节，其重要性与经济性日益凸现。

TCAD是半导体集成电路工艺模拟和元器件模拟的基础工具，可以模拟半导体集成电路的制造工艺，可以在模拟好的元器件上施加相应的工作电压和输入信号，通过相关命令分析元器件的工作过程，进而判断其相应的参数是否符合要求，反过来对工艺过程进行优化。

模拟过程实际就是计算机在数值计算的基础上进行的，而TCAD是在一些具有物理含义的实验模型及计算方程上实现的。现实生活需用的物理模型结构非常复杂，而且里面包含的信息量比较大，所以在仿真的时候为了便于观察和计算，需要将其划分成零散结构，半导体仿真就在这些划分细微的网格上进行。

1 工艺过程模拟

工艺是集成电路制造过程中的重要环节，特别是工艺特征尺寸越来越小的现在，7 nm甚至5 nm工艺已经开始量产，不断缩小的特征尺寸对工艺提出了更加严格的要求，因此一定要先进行工艺模拟，即通过计算机EDA工艺分析并计算工艺过程，得出接近实际情况的理论数据，然后再进行实际的工艺过程，这样可以最大限度地减少因工艺误差带来的经济损失。

1.1 创建初始结构

把Athena作为模拟器，在文本窗口输入如下语句：

go Athena

然后创建一个0.6 um×0.8 um模拟区域及一个非均匀网格。

line x loc = 0      spacing=0.1

line x loc = 0.1   spacing=0.01

line x loc = 0.2   spacing=0.01

line x loc = 0.6   spacing=0.01

line y loc = 0     spacing = 0.008

line y loc = 0.2  spacing = 0.01

line y loc = 0.4  spacing = 0.05

line y loc = 0.6  spacing = 0.10

line y loc = 0.8  spacing = 0.15

1.2 定义衬底

用structure命令保存结构文件。语句如下：

init silicon c.phos=1.0e14  orientation=100  two.d

structure outfile=nmos.str

1.3 氧化工艺

氧化工艺对应的模拟命令是Diffuse（氧化层也可以通过淀积和外延是得到），其中所有的参数中，与氧化有关的参数主要是以下5个。1）time，扩散时间，默认单位为min。2）temperture，扩散温度，默认单位为℃。3）dryo2（干氧）、weto2（湿氧）、nitrogenous（掺铝氧化）等氧化的气体氛围。4）hcl.pc，氧化剂气流中HCL的百分比。5）pressure，气体的分压，默认是1 atm。

对应的命令语句为：

干氧 diffus time=11 temp=925.717  dryo2 press=1.00 hcl.pc=3

湿氧 diffus time=11 temp=925.727 weto2 press=1.00 hcl.pc=3

使用Extract语句可以提取氧化出来的栅氧化层的厚度，Extract可以快速容易地得到仿真值并控制值或者曲线。具体命令语句：

提取名称为"gateoxide"材料为SiO～2在mat.occno=1  x.val=0.3处提取。

2 氧化工艺参数模拟

氧化工艺的参数主要包括氧化类型（干氧氧化和湿氧氧化）、氧化时间、氧化温度、氧化的环境压力等。

2.1 氧化类型的模拟

氧化工艺分为干氧氧化和湿氧氧化，在其他的氧化工艺参数相同的前提下，不同的氧化类型得到的氧化工艺的结果是不一样的。

设定氧化的时间为60 min，氧化温度为1 100℃，氧化的环境压力为1atm。

干氧氧化的命令语句为：

diffus time=60 temp=1100  dryo2 press=1.00 hcl.pc=3

湿氧氧化的命令語句为：

diffus time=60 temp=1100  weto2 press=1.00 hcl.pc=3

氧化完成之后，用参数提取命令Extract提取氧化层的厚度，然后进行数据对比。

2.2 氧化时间的模拟

其他氧化条件不变，改变氧化的时间，分别进行模拟，可以得出不同氧化时间下的氧化层厚度值。

干氧氧化时，分别设定氧化温度为1 100℃，1 atm，氧化时间分别设定为20 min，40 min，60 min，80 min，100 min，120 min。

湿氧氧化时，分别设定氧化温度为1 100℃，1 atm，氧化時间分别设定为20 min，40 min，60 min，80 min，100 min，120 min。得到的氧化后果结果见表1。

分析对比2组数据，厚度随氧化时间变化的曲线如图1所示。

由图1可以看出，随着氧化时间的变化，干氧氧化和湿氧氧化对应的氧化层厚度的变化趋势是不一样的，明显可以看出，湿氧氧化时随着时间的变化氧化层厚度增加的更快。

2.3 氧化温度模拟

其他氧化条件不变，改变氧化的温度，分别进行模拟，可以得出不同氧化温度下的氧化层厚度值。

干氧氧化时，分别设定氧化时间为60 min，1atm，氧化温度分别设定为700 ℃，800 ℃，900 ℃，1 000 ℃，1 100 ℃，1 200 ℃。

湿氧氧化时，分别设定氧化时间为60 min，1atm，氧化温度分别设定为700 ℃，800 ℃，900 ℃，1 000 ℃，1 100 ℃，1 200 ℃。

得到的氧化层厚度结果见表2。

分析对比2组数据，厚度随氧化时间变化的曲线如图2所示。

由图2可以看出，随着氧化温度的变化，干氧氧化和湿氧氧化对应的氧化层厚度的变化趋势是不一样的，明显可以看出，湿氧氧化时随着时间的变化氧化层厚度增加的更快。

3 结论

由图1和图2可以看出，随着氧化时间和氧化温度的变化，湿氧氧化时氧化层的厚度变化趋势更快，即氧化层厚度增加的更快，因此在实际工艺过程中，如果需要更厚的氧化层，应当首先考虑湿氧氧化。如果需要不厚的氧化层，应该首先考虑干氧氧化。

参考文献

[1]张渊.半导体制造工艺（第2版）[M].北京：机械工艺出版社，2015.

[2]王蔚.集成电路制造技术-原理与工艺[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]肖国玲.微电子制造工艺技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[4]邓善修.集成电路制造工艺员（中级）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.