基于計算機輔助設計技術(TCAD)的工藝開發(fā)

隨著半導體工藝開發(fā)和制造成本的快速上升和復雜程度不斷加深，半導體制造商如今面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。為了滿足成本更低和功能更多的產(chǎn)品需求，半導體工藝的更新?lián)Q代取決于不同器件類型的升級和集成——核心邏輯金屬-氧場效晶體管(MOSFETs)，嵌入式閃存，高壓器件等——需要對制造設備和晶圓試驗測試進行巨額投資才能實現(xiàn)工藝目標。而且，一旦新工藝投入制造，盡快實現(xiàn)制造良品率達到盡可能高的水平則變得越來越重要，甚至要保證采用新工藝制造的產(chǎn)品的獲利能力。

　　為幫助減輕這些挑戰(zhàn)，東芝已經(jīng)開發(fā)出基于模擬的技術實現(xiàn)良率的快速提升，并減少工藝開發(fā)成本和時間。該方法在技術生命周期的各個階段，從開發(fā)到制造，都依賴工藝和器件模擬軟件的應用，即計算機輔助設計技術(TCAD)。這種技術適用性強，可以應用到其它半導體制造環(huán)境當中。

　　方法描述

　　計算機輔助設計技術(TCAD)方法依賴于特征尺度形貌模擬器Sentaurus Topography和硅工藝模擬器Sentaurus Process，其中包括三個階段。

　　1. 工藝開發(fā)概念的設計和選擇

　　2. 概念選擇

　　3. 對批量生產(chǎn)進行工藝優(yōu)化

　　開發(fā)工藝流程的第一階段是對開發(fā)概念的設計和制定，移除無效工藝步驟和失效(或危險)的晶格。確認這些“危險晶格”對建立一個初始工藝流程至關重要，并為進一步優(yōu)化打下堅實的基礎。

　　這個確認過程是通過使用工藝模擬工具二維器件形狀(Device D-2)來完成的，橫截面形狀通過形貌模擬器進行模擬，溫度步驟如擴散和氧化過程則由工藝模擬器來完成。一旦整個工藝的輪廓制定完成，代表晶格被移除并核對，對這些晶格的橫截面視圖是否存在故障進行檢查。

　　下一步驟開始進行晶圓測試，并對物理模型進行校準。對工藝流程變量進行優(yōu)化，使該流程可以更適應制造過程中出現(xiàn)的變化。在最后階段投入批量生產(chǎn)時，工藝流程的重點再次回到使用從生產(chǎn)環(huán)節(jié)獲得的質量控制數(shù)據(jù)進行模擬，這些數(shù)據(jù)包括蝕刻速率、沉積率、氧化條件等，這些將被作為模擬器的輸入數(shù)據(jù)。

　　通過這個方法，結合移除所謂的危險晶格，以及容易導致故障的工藝，減少檢驗工藝流程所需要的試驗分裂條件數(shù)量，可以明顯地減少開發(fā)時間，同時提供更適用的工藝進行批量生產(chǎn)。其結果就是：優(yōu)化良率。

　　開發(fā)和制造階段

　　圖1為第一階段移除危險工藝步驟和晶格。首先，用戶確定獲得橫截面視圖的位置。如A-A’或E-E’。

　　器件版圖(左上圖)及對其不同橫截面進行分析(右側)。底部為工藝流程。

　　圖1.器件版圖(左上圖)及對其不同橫截面進行分析(右側)。底部為工藝流程。

　　在給定工藝流程和所選擇位置使用計算機輔助設計技術(TCAD)工具，通過觀測檢查每個晶格模擬結果的不同橫截面視圖。例如，在A-A’橫截面的接觸處形成孔隙;在B-B’ 橫截面的接觸處，在柵與接觸之間對準精度不足可能導致失效;以及在C-C’橫截面的接觸開口處顯然可能出現(xiàn)失效。

　　如圖2所示，一旦工藝流程變的更加具體，對目標工藝流程中不同晶格的許多橫截面視圖進行系統(tǒng)檢查，可使用自動建立和生成許多結構，這些結構可以覆蓋大量的器件類型所使用的尖端工藝：n- 和p- 通道金屬氧化物半導體(MOS)晶體管、嵌入式內存、輸入/輸出器件等。如果不能自動生成結構，則幾乎不可能手動建立和模擬所需橫截面視圖。

　　為過濾危險晶格，計算機輔助設計技術(TCAD)工具可最多對代表晶格的截面通過最多150個工藝步驟對晶粒X進行系統(tǒng)檢測，這幾乎是手動所無法完成的。

　　圖2.為過濾危險晶格，計算機輔助設計技術(TCAD)工具可最多對代表晶格的截面通過最多150個工藝步驟對晶粒X進行系統(tǒng)檢測，這幾乎是手動所無法完成的。

　　概念選擇會為流程中的每個步驟提供合適的工藝，這可通過圖3中的具體案例進行說明。所選擇用于展示的兩個最初形狀：傳統(tǒng)形狀和圓角形狀。目的是在柵多晶硅蝕刻后從形狀視角確定更加合適的結構。選擇標準是柵氧頂部殘留的多晶硅的量，殘留柵氧的厚度和柵高。

　　在試運行和驗證階段，此例的目的是確定柵多晶硅蝕刻后最穩(wěn)定的形狀。

　　圖3.在試運行和驗證階段，此例的目的是確定柵多晶硅蝕刻后最穩(wěn)定的形狀。

　　厚度和尺寸的差異將根據(jù)實際數(shù)據(jù)進行確定。同時，對于柵多晶硅蝕刻前的工藝步驟，蝕刻速度及其與相關薄層材料的差異會被輸入至形貌模擬器。選擇標準處理能力的模擬結果被用于縮小概念。

　　結果顯示傳統(tǒng)形狀殘留多晶硅的概率為30%，對圓角形狀殘留多晶硅的概率可忽略不計。對于殘留柵氧的厚度，結果顯示兩種形狀的加工能力指數(shù)(Cpk)均足夠大，并且，任何一種形狀都是可以接受的。能力指數(shù)(Cpk)是產(chǎn)品規(guī)格限制與工藝可變性之間的比率。能力指數(shù)(Cpk)越高，則加工分配與規(guī)格限制的比率越窄，并且產(chǎn)品越統(tǒng)一。對于柵高，在圓角形狀的情況下的能力指數(shù)(Cpk)高于傳統(tǒng)形狀，比率為3.5。這三個標準的比較可以確定圓角形狀比傳統(tǒng)形狀更合適。

　　通過這種方式，將模擬有效地應用于概念選擇，可以減少試運行的分裂條件數(shù)量，并可減少開發(fā)時間。

　　按照單獨加工步驟的選擇，整個流程的優(yōu)化為批量生產(chǎn)做好準備。在圖4所示例子中，模擬可以找出操作范圍，并同時使所選擇的標準避免連接空隙和基板蝕刻出現(xiàn)失效，這些失效可能由于缺少氮化硅孔隙和空隙形成。本次研究中，在形貌模擬器中模式參數(shù)的校準提前進行，同時參照線性氮化硅層的試驗結果。通過這些參數(shù)，改變柵間距和氮化硅沉積厚度對操作范圍進行調查。結果顯示當前條件處于操作范圍邊緣，并且工藝下限可通過使氮化硅沉積厚度變薄得到提高，而無需改變柵間距。

　　通過使用所確定的選擇標準對所選擇的工藝進行優(yōu)化，并確定操作范圍，從而避免失效。

　　圖4.通過使用所確定的選擇標準對所選擇的工藝進行優(yōu)化，并確定操作范圍，從而避免失效。

　　通過這種方式，使用形貌模擬可在兩種形狀中進行插入，從而對制造和操作范圍評估的必要下限進行驗證。

　　結論

　　本文介紹了一種基于計算機輔助設計技術(TCAD)的方法，可應用于半導體制造的工藝開發(fā)和批量生產(chǎn)階段。該方法已使東芝公司減少了工藝開發(fā)成本和時間。同時可以使工藝在投入制造前對工藝窗口進行了優(yōu)化，并在制造過程中使工藝再一次得到有效重視，這兩點對良率的更快提升起到了重要的作用。