核心提示：東芝公司開發出了一種基于計算機輔助設計技術(TCAD)的方法，可以減少工藝開發的成本和時間。該方法在投入制造前對工藝窗口進行優化，提高了良率提升的速度。

　　隨著半導體工藝開發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。為了滿足成本更低和功能更多的產品需求，半導體工藝的更新換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工藝目標。而且，一旦新工藝投入制造，盡快實現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品的獲利能力。

　　為幫助減輕這些挑戰，東芝已經開發出基于模擬的技術實現良率的快速提升，并減少工藝開發成本和時間。該方法在技術生命周期的各個階段，從開發到制造，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. 工藝開發概念的設計和選擇

　　2. 概念選擇

　　3. 對批量生產進行工藝優化

　　開發工藝流程的第一階段是對開發概念的設計和制定，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化，使該流程可以更適應制造過程中出現的變化。在最后階段投入批量生產時，工藝流程的重點再次回到使用從生產環節獲得的質量控制數據進行模擬，這些數據包括蝕刻速率、沉積率、氧化條件等，這些將被作為模擬器的輸入數據。

　　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量，可以明顯地減少開發時間，同時提供更適用的工藝進行批量生產。其結果就是：優化良率。

　　開發和制造階段

　　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定的形狀。

　　厚度和尺寸的差異將根據實際數據進行確定。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(Cpk)均足夠大，并且，任何一種形狀都是可以接受的。能力指數(Cpk)是產品規格限制與工藝可變性之間的比率。能力指數(Cpk)越高，則加工分配與規格限制的比率越窄，并且產品越統一。對于柵高，在圓角形狀的情況下的能力指數(Cpk)高于傳統形狀，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量，并可減少開發時間。

　　按照單獨加工步驟的選擇，整個流程的優化為批量生產做好準備。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，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和批量生產階段。該方法已使東芝公司減少了工藝開發成本和時間。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。