SProcess Ch11：结构生成

> 来源：sprocess_ug.pdf（Sentaurus Process User Guide, W-2024.09） > 章节范围：Chapter 11，文档目录页标注约 p.853–921（PDF 物理页约 853–921）

章节导读

本章描述 Sentaurus Process 中可用的蚀刻、沉积、插入和其他几何变换。器件制造过程中需要多个蚀刻和沉积步骤，可以通过简单几何操作或在不使用物理工艺模拟的简单数学公式中进行模拟。

11.1 刻蚀、沉积和几何操作概述

复杂 3D 形状的创建可以通过 Sentaurus Structure Editor 接口（见"Sentaurus Structure Editor Interface"）或插入预定义结构片段（见"Inserting Polygons"和"Inserting Polyhedra"）来辅助。

Sentaurus Process 提供多种蚀刻和沉积操作，以及纯几何操作来帮助塑造器件几何形状：

• Etching（蚀刻）
• Deposition（沉积）
• Inserting Polygons/Polyhedra（插入多边形/多面体）
• Creating Special-Shaped Polygons/Polyhedra（创建特殊形状多边形/多面体）
• Sentaurus Topography Interface（地形接口）

11.2 刻蚀

Sentaurus Process 提供多种蚀刻类型：各向异性蚀刻、定向蚀刻、多边形蚀刻、CMP、Fourier 蚀刻、晶体学蚀刻和梯形蚀刻。

11.2.1 Anisotropic Etching

各向异性蚀刻以指定速率在指定方向执行。可见性效应不被考虑。蚀刻窗口由用户定义的掩膜和被蚀刻材料的暴露区域决定。

etch silicon thickness=0.05 type=anisotropic

> 注意： > - 各向异性操作对垂直或近垂直壁上的数值噪声敏感。 > - 如果蚀刻命令应去除整个层，必须注意过蚀刻少量，以防止因数值舍入误差而留下薄区域。 > - 更稳健的方法是使用 strip 命令去除特定材料的所有暴露层。

在 2D 中执行各向异性蚀刻时，位于其他材料下方的被蚀刻材料部分受这些材料保护，因此不会蚀刻。

在 3D 中，默认情况下硅区域可以在氧化物下方蚀刻掉。可以使用 mgoals 命令的 aniso.etching.protect.materials 选项使行为与 2D 各向异性蚀刻一致：

mgoals aniso.etching.protect.materials

11.2.2 Directional Etching

定向蚀刻类似于各向异性蚀刻。指定蚀刻速率应用于蚀刻束的方向。可见性效应不被考虑。

etch material=silicon rate=0.05 time=1.0 type=directional \
  direction={1 1}

11.2.3 Polygonal Etching and CMP

多边形蚀刻提供了一种无需定义蚀刻速率或方向即可修改区域的方法。多边形内部被蚀刻的材料部分被替换为气体。

CMP 作为多边形蚀刻的特殊情况处理。网格元素在指定坐标处相交。指定材料在该坐标上方的所有元素被重新分配为气体。

# 多边形蚀刻
etch type=polygon material=silicon \
  polygon={-0.1 0.1 0.05 0.1 0.05 0.6 -0.1 0.6}

# CMP
etch type=cmp coord=0.05 material=all

11.2.4 Fourier Etching

Fourier 蚀刻中，蚀刻速率是入射蚀刻束与被蚀刻表面法向量之间角度的函数。通过系数 coeffs（单材料蚀刻）或 mat.coeffs（多材料蚀刻）定义系数 ，蚀刻速率按以下公式计算：

beam 命令定义蚀刻束的方向和相对强度：

beam name=<c> direction={x y z} factor=<n>

# 示例
beam name=src1 direction={1 0 0} factor=1
etch material=silicon type=fourier sources=src1 \
  coeffs={0 0 1.0} time=0.05

蚀刻壁角度的近似公式：

其中 是从水平面测量的蚀刻壁角度。

shadowing 和 shadowing.nonisotropic 选项控制被遮蔽区域的蚀刻行为。

11.2.5 Crystallographic Etching

晶体学蚀刻使用 crystal.rate 参数定义不同晶向的蚀刻速率：

etch material=silicon type=crystal \
  crystal.rate={"<100>"=1.0 "<110>"=0.5 "<111>"=0.001} time=0.25

支持的 Miller 指数：<100>、<110>、<111>、<311>、<511>、<911>、<221>。

11.2.6 Trapezoidal Etching

梯形蚀刻提供了对多种实际蚀刻工艺的简单但灵活的近似。位置由掩膜层决定。

# 2D 梯形蚀刻
etch material=silicon type=trapezoidal \
  thickness=0.25 angle=90 undercut=0.1

# 带底部角度的 3D 梯形蚀刻
etch type=trapezoidal thickness=0.05 bottom.angle=70 \
  bottom.thickness=0.02

参数说明：

• thickness：垂直深度
• angle：侧壁角度（度）
• undercut：水平穿透距离
• bottom.angle 和 bottom.thickness：第二蚀刻步骤的参数
• offset.steps / offset.angles：偏移序列

11.3 沉积

Sentaurus Process 提供多种沉积类型：外延、polycrystalline 沉积、PECVD、溅射和自定义沉积。

11.3.1 Epitaxial Growth

外延生长是晶体材料在衬底上的单晶体生长：

# 硅外延
deposit silicon thickness=0.1 type=epitaxial

11.3.2 Polycrystalline Silicon Deposition

多晶硅沉积：

deposit poly thickness=0.1 type=polycrystalline

11.3.3 PECVD

等离子体增强化学气相沉积：

deposit oxide thickness=0.05 type=pecvd

11.3.4 Isotropic and Anisotropic Deposition

各向同性和各向异性沉积：

# 各向同性
deposit oxide thickness=0.1 type=isotropic

# 各向异性
deposit oxide thickness=0.1 type=anisotropic direction={0 1}

11.4 插入多边形和多面体

Inserting Polygons

insert 命令用于在当前结构中插入多边形：

polygon name=poly1 segments={0 0 1 0 1 1 0 1}
insert polygon=poly1 material=silicon

Creating Special-Shaped Polygons

预定义的特殊形状多边形：

# 创建 STI 形状
polygon name=sti type=sti

# 创建接触孔
polygon name=contact type=contact

Inserting Polyhedra

insert 命令也适用于 3D polyhedra：

polyhedron name=box1 cuboid={0 0 0 1 1 1}
insert polyhedron=box1 material=poly

Creating Special-Shaped Polyhedra

预定义的特殊形状多面体：

polyhedron name=shape1 type=cylinder

11.5 Sentaurus Structure Editor 接口

Sentaurus Structure Editor (SDE) 提供更高级的 3D 几何创建功能。通过 sde 命令调用：

sde -sci -

11.6 Sentaurus Topography 接口

Sentaurus Topography 提供物理蚀刻和沉积仿真接口：

topography input=<file>

11.7 最小可执行示例

# ch11_min_struct.cmd
go sprocess

# 1) 定义初始结构
line x location=0.00 spacing=0.02 tag=top
line x location=1.00 spacing=0.05 tag=bot
line y location=0.00 spacing=0.05 tag=left
line y location=1.00 spacing=0.05 tag=right

region Silicon xlo=top xhi=bot ylo=left yhi=right substrate
init wafer.orient={1 0 0}

# 2) 沉积氧化物
deposit oxide thickness=0.05 type=isotropic

# 3) 定义掩膜
mask name=m1 left=0.3 right=0.7
photo mask=m1

# 4) 梯形蚀刻
etch material=silicon type=trapezoidal \
  thickness=0.1 angle=88 undercut=0.02

# 5) 去除掩膜
strip mask=m1

# 6) 保存结构
struct tdr=out/ch11_m1.tdr !Gas

exit

11.8 关键参数速查表

类别	参数/命令	作用	示例
各向异性蚀刻	type=anisotropic	垂直壁蚀刻	etch silicon type=anisotropic
定向蚀刻	type=directional	指定方向蚀刻	etch direction={1 1}
多边形蚀刻	type=polygon	多边形区域蚀刻	polygon={x1 y1 ...}
CMP	type=cmp	化学机械抛光	coord=0.05
Fourier 蚀刻	type=fourier	角度相关蚀刻	coeffs={0 0 1.0}
晶体学蚀刻	type=crystal	晶向相关	crystal.rate={"<100>"=1.0}
梯形蚀刻	type=trapezoidal	侧壁角度控制	thickness= angle= undercut=
外延沉积	type=epitaxial	单晶生长	deposit silicon type=epitaxial
多晶沉积	type=polycrystalline	多晶生长	deposit poly type=poly
PECVD	type=pecvd	等离子体沉积	deposit oxide type=pecvd

11.9 常见问题与诊断步骤

问题 1：蚀刻后留下薄区域

诊断步骤：

1. 使用 strip 命令代替 etch 来去除整个暴露层。
2. 添加少量过蚀刻（time 或 thickness 增加 5-10%）。
3. 检查掩膜定义是否正确对齐。

问题 2：Fourier 蚀刻侧壁角度不准确

诊断步骤：

1. 验证傅里叶系数是否按预期设置。
2. 检查公式 是否产生预期角度。
3. 确认 beam 方向和 factor 设置正确。
4. 对于有遮蔽的情况，检查 shadowing 选项是否按预期工作。

问题 3：3D 蚀刻产生意外悬浮区域

诊断步骤：

1. 使用 mgoals aniso.etching.protect.materials 保持一致性。
2. 检查是否应该使用 strip 命令而不是蚀刻。
3. 验证网格质量——细网格可能产生数值问题。

相关链接

• SProcess 总览
• SProcess 参考