一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法

摘要

本发明公开了一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法，包括：建立TCAD工艺仿真程序并运行，得到MOS电容的仿真器件结构；进行实际流片，得到相应尺寸的MOS电容器件；对MOS电容器件进行测试，获得实际MOS电容CV特性曲线，计算得到栅氧厚度拟合值和实际沟道掺杂浓度；根据栅氧厚度拟合值和实际沟道掺杂浓度，对TCAD仿真中的栅氧厚度和沟道掺杂浓度进行校准，得到TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线；将TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线与实际测试结果进行对比和调整，获得硅禁带中的快速表面态分布；进一步调整硅和二氧化硅界面的固定电荷，以调整TCAD仿真中的阈值电压。本发明能够使TCAD仿真结果复现MOS电容CV特性曲线的测量结果。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件的TCAD仿真技术领域，更具体地，涉及一种在TCAD仿真中对MOS电容CV特性曲线进行校准的方法。

背景技术

集成电路工艺和器件的计算机辅助设计(TCAD)是集成电路器件设计和虚拟制造的重要组成部分，并成为集成电路工艺和器件特性快速分析的有力工具。

TCAD主要包括工艺仿真和器件仿真。其中，工艺仿真主要是利用实际工艺流程，得到器件结构及杂质分布、结深等；器件仿真主要是利用器件物理模型和相应测试条件，在器件结构上仿真得到器件特性参数和曲线等。

应用TCAD能缩短集成电路工艺和器件的开发周期，节省试制成本，并能获取实验很难得到的信息，深化工艺和器件的物理研究。目前，利用TCAD仿真平台对工艺及器件物理特性进行仿真的技术，己广泛应用于半导体工艺和器件设计中。

然而，随着集成电路特征尺寸的不断缩小，集成电路制造工艺和器件结构特性趋于复杂。这导致在TCAD仿真的实际应用中，仿真结果的“失真”越来越严重：工艺仿真中物理模型参数的不准，导致最终杂质分布和实际的差异越来越大；器件仿真中得到的电学参数也出现较大误差。这些问题极大地影响了TCAD仿真的可信度和精度，使得TCAD仿真结果无法为实际工艺和器件的研发提供有效指导。

因此，为了TCAD仿真能对器件设计和工艺优化提供准确的指导，对TCAD工具使用的物理模型参数进行校准是必要的。对于现代集成电路中使用最广泛的MOS晶体管器件，大面积MOS电容的校准是其中重要的一步。

通常，校准MOS电容CV特性曲线需要通过二次离子质谱仪(SIMS)测试得到栅区下方的阱区杂质分布曲线，并且需要通过电流泵等方法获得衬底硅和栅氧二氧化硅间快速表面态(Fast Surface State)分布，其测试步骤繁琐、耗时长，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法，包括以下步骤：

步骤S01：建立TCAD工艺仿真程序，并运行得到MOS电容的仿真器件结构；

步骤S02：进行实际流片，制作得到相应尺寸的MOS电容器件；

步骤S03：对所得MOS电容器件进行测试，获得实际MOS电容CV特性曲线，并计算得到栅氧厚度拟合值和实际沟道掺杂浓度；

步骤S04：根据栅氧厚度拟合值和实际沟道掺杂浓度，对TCAD仿真中的栅氧厚度和沟道掺杂浓度进行校准，得到TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线；

步骤S05：将TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线与实际测试结果进行对比和调整，获得硅禁带中的快速表面态分布；

步骤S06：进一步调整硅和二氧化硅界面的固定电荷，以调整TCAD仿真中的阈值电压。

优选地，步骤S01中，根据CMOS实际工艺流程、具体工艺参数以及版图尺寸信息，建立TCAD工艺仿真程序。

优选地，步骤S02中，按照所述CMOS实际工艺流程和具体工艺参数，并利用与所述版图尺寸信息匹配的版图进行实际流片。

优选地，步骤S03中，对所得MOS电容器件的栅极进行CV特性测试，获得实际MOS电容CV特性曲线，并由实际MOS电容CV特性曲线得到MOS电容器件的积累区电容，进而计算得到栅氧厚度拟合值，用于步骤S04中对TCAD器件仿真中的栅氧厚度进行校准。

优选地，步骤S03中，利用实际MOS电容CV特性曲线，计算得到实际沟道掺杂浓度，用于步骤S04中对TCAD工艺仿真中氧化和扩散的物理模型参数进行调整，以使工艺仿真中得到的校准后沟道掺杂浓度与实际沟道掺杂浓度相符。

优选地，步骤S04中，通过对TCAD工艺仿真中硅和二氧化硅之间扩散和氧化物理模型的边界条件参数进行校准，以使得工艺仿真中得到的校准后沟道掺杂浓度与实际沟道掺杂浓度相符。

优选地，所述边界条件参数包括描述不同材料界面偏析的界面陷阱模型中的陷阱密度和硅氧化过程中间隙的注入速率。

优选地，还包括：步骤S03中，利用实际MOS电容CV特性曲线得到MOS电容器件的反型区电容，确定对TCAD工艺仿真中多晶硅栅极掺杂浓度的校准。

优选地，步骤S05中，将TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线与实际测试结果进行对比和调整，包括：通过调整硅禁带中靠近价带的指数分布快速表面态的浓度大小，以调整TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的左半部分形状与实际CV特性曲线的左半部分形状对准；通过调整硅禁带中靠近导带的指数分布快速表面态的浓度大小，以调整TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的右半部分形状与实际CV特性曲线的右半部分形状对准。

优选地，步骤S06中，通过调整阈值电压，以使TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的底部与实际CV特性曲线的底部对准。

从上述技术方案可以看出，本发明通过借助TCAD仿真工具，仅利用CV特性曲线即可同时确定MOS电容的沟道掺杂浓度、栅氧电学厚度，以及硅和栅氧二氧化硅间固定电荷和快速表面态分布，使得TCAD仿真结果能够复现MOS电容CV特性曲线的测量结果。本发明能够校准TCAD仿真中大面积MOS电容栅极CV特性曲线，具有所需测试步骤简单、花费少的优点，便于在测试条件有限时开展工作。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法流程图；

图2是现有的一种硅-二氧化硅界面中的快速表面态在硅禁带中的U型分布示意图；

图3是多晶硅栅极掺杂浓度对MOS管栅极CV特性曲线反型区部分形状的影响示意图；

图4是硅禁带中靠近价带的指数分布快速表面态浓度大小对栅极CV特性曲线左半部分形状的影响示意图；

图5是硅禁带中靠近导带的指数分布快速表面态浓度大小对栅极CV特性曲线右半部分形状的影响示意图；

图6是未经校准的TCAD仿真结果和实际测试所得栅极CV特性曲线之间的差异示意图；

图7是最终校准的TCAD仿真结果和实际测试所得栅极CV特性曲线比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法流程图。如图1所示，本发明的一种TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的校准方法，包括以下步骤：

步骤S01：建立TCAD工艺仿真程序，并运行得到MOS电容的仿真器件结构。

MOS电容栅极CV特性曲线的TCAD仿真结果决定于工艺仿真中的阱区注入杂质分布(主要是沟道参杂分布)、栅氧化层厚度、多晶硅栅极参杂以及硅和栅氧二氧化硅间固定电荷和快速表面态分布。其中，通过工艺仿真得到的栅氧化层厚度、多晶硅栅极参杂浓度误差较小，沟道参杂浓度、固定电荷和快速表面态分布误差较大，需要通过栅极CV特性曲线仔细确定。

首先，根据CMOS实际工艺流程、具体工艺参数以及版图尺寸信息，建立TCAD工艺仿真程序。其中，CMOS实际工艺流程包括但不限于以下前道工艺：浅沟槽隔离、双阱注入、热退火工艺、氧化工艺、多晶硅栅极形成工艺、轻掺杂漏注入工艺、源漏注入工艺和接触孔形成工艺等。由该工艺仿真程序运行得到大面积MOS管(MOS电容)的仿真器件结构。所谓大面积，是根据器件工艺结点和栅氧厚度决定的，本例中使用的约的栅氧厚度至少需要60μm×60μm的MOS管栅极大小。

步骤S02：进行实际流片，制作得到相应尺寸的MOS电容器件。

接着，按照上述的CMOS实际工艺流程和具体工艺参数，并利用与所述版图尺寸信息匹配的版图进行实际流片，制作得到相应尺寸的MOS电容(MOS管)器件。

步骤S03：对所得MOS电容器件进行测试，获得实际MOS电容CV特性曲线，并计算得到栅氧厚度拟合值和实际沟道掺杂浓度。

然后，在实际的器件测试结构上进行CV特性测试，即对得到的MOS电容器件的栅极(通常采用多晶硅)进行CV特性测试(例如进行低频CV特性测试，测试时所加的交流小信号频率通常在10kHz以下)，获得实际MOS电容CV特性曲线。

之后，再由实际MOS电容CV特性曲线得到MOS电容器件的积累区电容，进而通过积累区电容计算得到栅氧厚度拟合值。栅氧厚度拟合值用于步骤S04中对TCAD器件仿真中的栅氧厚度(或栅氧平均介电常数)进行校准。栅氧厚度t_OX满足公式一：

t_OX＝ε_OXA/C_accu公式一

其中,ε_OX是栅介质(栅氧)介电常数，A是多晶硅栅极总面积，C_accu是积累区电容。

同时，可利用TCAD，以及利用实际MOS电容CV特性曲线，得到MOS电容器件的反型区电容，即MOS管栅极CV特性曲线中右端反型区部分所体现的形态，如图3所示。通过对反型区电容进行调整，就可以调整MOS管栅极CV特性曲线中反型区部分的高低(如图示箭头所指)，从而就可确定对TCAD工艺仿真中多晶硅栅极掺杂浓度的校准。

还可利用实际MOS电容CV特性曲线，计算得到实际沟道掺杂浓度，用于对TCAD工艺仿真中氧化和扩散的物理模型参数进行调整，以使工艺仿真中得到的校准后沟道掺杂浓度与实际沟道掺杂浓度相符。方法如下：

a)通过实际MOS电容CV特性曲线作出1/C^2-V曲线，通过线性回归计算1/C^2-V曲线线性部分斜率k_slope；

b)计算沟道掺杂浓度N_C,其满足公式二：

N_C＝2/qε_siA²k_slope公式二

其中,ε_si是半导体介电常数，A是多晶硅栅极总面积，q是基本电荷。

步骤S04：根据栅氧厚度拟合值和实际沟道掺杂浓度，对TCAD仿真中的栅氧厚度和沟道掺杂浓度进行校准，得到TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线。

进行沟道掺杂浓度校准时，可根据得到的实际沟道掺杂浓度，调整工艺仿真中氧化和扩散的物理模型参数。其中，由于硅内部物理模型参数较为准确，因而通常无需校准；实际上可通过对TCAD工艺仿真中硅和二氧化硅之间扩散和氧化物理模型的边界条件参数进行校准，来使得工艺仿真中得到的校准后沟道掺杂浓度与实际沟道掺杂浓度相符。

上述的边界条件参数可包括：描述不同材料界面偏析的界面陷阱模型中的陷阱密度和硅氧化过程中间隙的注入速率等。

步骤S05：将TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线与实际测试结果进行对比和调整，获得硅禁带中的快速表面态分布。

很多文献指出，硅-二氧化硅界面中的快速表面态在硅禁带中会呈现U型分布，如图2所示。这一U型分布可以看作是由两个单调性相反的指数分布(N_{t_left}、N_{t_right})的总和所构成。硅-二氧化硅界面中的快速表面态类型为施主。根据TCAD仿真，栅极CV特性曲线的左半部分形状会受到禁带中靠近价带的指数分布快速表面态浓度N_{t_left}的影响，而其右半部分形状会受禁带中靠近导带的指数分布快速表面态浓度N_{t_right}的影响。可以认为，硅-二氧化硅界面中的快速表面态浓度D_it≈N_{t_left}+N_{t_right}。

图4、图5分别直观地展示了表面态浓度N_{t_left}、N_{t_right}的大小分布对栅极CV特性曲线形状的不同影响。以NMOS为例，图4说明N_{t_left}的浓度大小对栅极CV特性曲线“胖瘦”的影响；可以看出，随着表面态浓度的增加，栅极CV特性曲线变得越来越瘦。图5说明N_{t_right}浓度大小对栅极CV特性曲线亚阈值区域(即右半部分形状)斜率的影响。同样可以看出，随着表面态浓度的增加，亚阈值区域斜率变得越来越大。

图6用图示详细说明了校准方法。可以看出，通过调整硅禁带中靠近价带的指数分布快速表面态浓度N_{t_left}的大小，可以调整TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线(未经校准)的“胖瘦”，使CV特性曲线左半部分形状与实际CV特性曲线的左半部分形状对准。通过调整硅禁带中靠近导带的指数分布快速表面态浓度N_{t_right}的大小，可以调整TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线亚阈值区域的斜率，使CV特性曲线右半部分形状与实际CV特性曲线的右半部分形状对准。并且，通过对栅氧厚度进行校准，可以调整积累区电容之间存在的差异，使TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线左端部分与实际CV特性曲线相吻合。通过对多晶硅栅极掺杂浓度进行校准，可以调整反型区电容之间存在的差异，使TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线右端部分与实际CV特性曲线相吻合。通过对沟道掺杂浓度进行校准，可以调整电容最小值之间存在的差异，使TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线下方部分与实际CV特性曲线相吻合。

步骤S06：进一步调整硅和二氧化硅界面的固定电荷，以调整TCAD仿真中的阈值电压。

如图6所示，适当调整硅-二氧化硅界面的固定电荷，可对MOS管的阈值电压进行微调，以缩小曲线底部电容极值处的电压差异，使得TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线的最底部与实际CV特性曲线相对准。图7是最终校准后的结果，可以看出，经调整后的TCAD仿真中MOS电容CV特性曲线与实际CV特性曲线两者间的吻合度很高，从而使得TCAD仿真中大面积MOS电容栅极CV特性曲线得到精确校准。

综上所述，本发明通过借助TCAD仿真工具，仅利用CV特性曲线即可同时确定MOS电容的沟道掺杂浓度、栅氧电学厚度，以及硅和栅氧二氧化硅间固定电荷和快速表面态分布，使得TCAD仿真结果能够复现MOS电容CV特性曲线的测量结果。本发明能够校准TCAD仿真中大面积MOS电容栅极CV特性曲线，具有所需测试步骤简单、花费少的优点，便于在测试条件有限时开展工作。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。