基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)的工藝開(kāi)發(fā)

隨著半導(dǎo)體工藝開(kāi)發(fā)和制造成本的快速上升和復(fù)雜程度不斷加深，半導(dǎo)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(dǎo)體工藝的更新?lián)Q代取決于不同器件類型的升級(jí)和集成——核心邏輯金屬-氧場(chǎng)效晶體管(MOSFETs)，嵌入式閃存，高壓器件等——需要對(duì)制造設(shè)備和晶圓試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行巨額投資才能實(shí)現(xiàn)工藝目標(biāo)。而且，一旦新工藝投入制造，盡快實(shí)現(xiàn)制造良品率達(dá)到盡可能高的水平則變得越來(lái)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(kāi)發(fā)出基于模擬的技術(shù)實(shí)現(xiàn)良率的快速提升，并減少工藝開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。該方法在技術(shù)生命周期的各個(gè)階段，從開(kāi)發(fā)到制造，都依賴工藝和器件模擬軟件的應(yīng)用，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)。這種技術(shù)適用性強(qiáng)，可以應(yīng)用到其它半導(dǎo)體制造環(huán)境當(dāng)中。

　　方法描述

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(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(gè)階段。

　　1. 工藝開(kāi)發(fā)概念的設(shè)計(jì)和選擇

　　2. 概念選擇

　　3. 對(duì)批量生產(chǎn)進(jìn)行工藝優(yōu)化

　　開(kāi)發(fā)工藝流程的第一階段是對(duì)開(kāi)發(fā)概念的設(shè)計(jì)和制定，移除無(wú)效工藝步驟和失效(或危險(xiǎn))的晶格。確認(rèn)這些“危險(xiǎn)晶格”對(duì)建立一個(gè)初始工藝流程至關(guān)重要，并為進(jìn)一步優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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

　　下一步驟開(kāi)始進(jìn)行晶圓測(cè)試，并對(duì)物理模型進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)工藝流程變量進(jìn)行優(yōu)化，使該流程可以更適應(yīng)制造過(guò)程中出現(xiàn)的變化。在最后階段投入批量生產(chǎn)時(shí)，工藝流程的重點(diǎn)再次回到使用從生產(chǎn)環(huán)節(jié)獲得的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)這個(gè)方法，結(jié)合移除所謂的危險(xiǎn)晶格，以及容易導(dǎo)致故障的工藝，減少檢驗(yàn)工藝流程所需要的試驗(yàn)分裂條件數(shù)量，可以明顯地減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)提供更適用的工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。其結(jié)果就是：優(yōu)化良率。

　　開(kāi)發(fā)和制造階段

　　圖1為第一階段移除危險(xiǎn)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(duì)其不同橫截面進(jìn)行分析(右側(cè))。底部為工藝流程。

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

　　在給定工藝流程和所選擇位置使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)工具，通過(guò)觀測(cè)檢查每個(gè)晶格模擬結(jié)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(duì)準(zhǔn)精度不足可能導(dǎo)致失效;以及在C-C’橫截面的接觸開(kāi)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(duì)目標(biāo)工藝流程中不同晶格的許多橫截面視圖進(jìn)行系統(tǒng)檢查，可使用自動(dòng)建立和生成許多結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)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(dǎo)體(MOS)晶體管、嵌入式內(nèi)存、輸入/輸出器件等。如果不能自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)，則幾乎不可能手動(dòng)建立和模擬所需橫截面視圖。

　　為過(guò)濾危險(xiǎn)晶格，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)工具可最多對(duì)代表晶格的截面通過(guò)最多150個(gè)工藝步驟對(duì)晶粒X進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，這幾乎是手動(dòng)所無(wú)法完成的。

　　圖2.為過(guò)濾危險(xiǎn)晶格，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)工具可最多對(duì)代表晶格的截面通過(guò)最多150個(gè)工藝步驟對(duì)晶粒X進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，這幾乎是手動(dòng)所無(wú)法完成的。

　　概念選擇會(huì)為流程中的每個(gè)步驟提供合適的工藝，這可通過(guò)圖3中的具體案例進(jìn)行說(shuō)明。所選擇用于展示的兩個(gè)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(jié)構(gòu)。選擇標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行和驗(yàn)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(yùn)行和驗(yàn)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(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。同時(shí)，對(duì)于柵多晶硅蝕刻前的工藝步驟，蝕刻速度及其與相關(guān)薄層材料的差異會(huì)被輸入至形貌模擬器。選擇標(biāo)準(zhǔn)處理能力的模擬結(jié)果被用于縮小概念。

　　結(jié)果顯示傳統(tǒng)形狀殘留多晶硅的概率為30%，對(duì)圓角形狀殘留多晶硅的概率可忽略不計(jì)。對(duì)于殘留柵氧的厚度，結(jié)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(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比較可以確定圓角形狀比傳統(tǒng)形狀更合適。

　　通過(guò)這種方式，將模擬有效地應(yīng)用于概念選擇，可以減少試運(yùn)行的分裂條件數(shù)量，并可減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　按照單獨(dú)加工步驟的選擇，整個(gè)流程的優(yōu)化為批量生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。在圖4所示例子中，模擬可以找出操作范圍，并同時(shí)使所選擇的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)提前進(jìn)行，同時(shí)參照線性氮化硅層的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)這些參數(shù)，改變柵間距和氮化硅沉積厚度對(duì)操作范圍進(jìn)行調(diào)查。結(jié)果顯示當(dāng)前條件處于操作范圍邊緣，并且工藝下限可通過(guò)使氮化硅沉積厚度變薄得到提高，而無(wú)需改變柵間距。

　　通過(guò)使用所確定的選擇標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所選擇的工藝進(jìn)行優(yōu)化，并確定操作范圍，從而避免失效。

　　圖4.通過(guò)使用所確定的選擇標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所選擇的工藝進(jìn)行優(yōu)化，并確定操作范圍，從而避免失效。

　　通過(guò)這種方式，使用形貌模擬可在兩種形狀中進(jìn)行插入，從而對(duì)制造和操作范圍評(píng)估的必要下限進(jìn)行驗(yàn)證。

　　結(jié)論

　　本文介紹了一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)的方法，可應(yīng)用于半導(dǎo)體制造的工藝開(kāi)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(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。同時(shí)可以使工藝在投入制造前對(duì)工藝窗口進(jìn)行了優(yōu)化，并在制造過(guò)程中使工藝再一次得到有效重視，這兩點(diǎn)對(duì)良率的更快提升起到了重要的作用。