Silvaco工藝及器件仿真1.doc

4 工藝及器件仿真工具SILVACO-TCAD本章將向讀者介紹如何使用SILVACO公司的TCAD工具ATHENA來進(jìn)行工藝仿真以及ATLAS來進(jìn)行器件仿真。假定讀者已經(jīng)熟悉了硅器件及電路的制造工藝以及MOSFET和BJT的基本概念。4.1 使用ATHENA的NMOS工藝仿真4.1.1 概述本節(jié)介紹用ATHENA創(chuàng)建一個典型的MOSFET輸入文件所需的基本操作。包括：a. 創(chuàng)建一個好的仿真網(wǎng)格b. 演示淀積操作c. 演示幾何刻蝕操作d. 氧化、擴(kuò)散、退火以及離子注入e. 結(jié)構(gòu)操作f. 保存和加載結(jié)構(gòu)信息4.1.2 創(chuàng)建一個初始結(jié)構(gòu)1 定義初始直角網(wǎng)格a. 輸入UNIX命令： deckbuild-an&，以便在deckbuild交互模式下調(diào)用ATHENA。在短暫的延遲后，deckbuild主窗口將會出現(xiàn)。如圖4.1所示，點擊File目錄下的Empty Document，清空DECKBUILD文本窗口；圖4.1 清空文本窗口b. 在如圖4.2所示的文本窗口中鍵入語句go Athena ；圖4.2 以“go athena”開始接下來要明確網(wǎng)格。網(wǎng)格中的結(jié)點數(shù)對仿真的精確度和所需時間有著直接的影響。仿真結(jié)構(gòu)中存在離子注入或者形成PN結(jié)的區(qū)域應(yīng)該劃分更加細(xì)致的網(wǎng)格。c. 為了定義網(wǎng)格，選擇Mesh Define菜單項，如圖4.3所示。下面將以在0.6m0.8m的方形區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格為例介紹網(wǎng)格定義的方法。圖4.3 調(diào)用ATHENA網(wǎng)格定義菜單2 在0.6m0.8m的方形區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格a. 在網(wǎng)格定義菜單中，Direction（方向）欄缺省為X；點擊Location（位置）欄并輸入值0；點擊Spacing（間隔）欄并輸入值0.1；b. 在Comment（注釋）欄，鍵入“Non-Uniform Grid(0.6um x 0.8um)”,如圖4.4所示；c. 點擊insert鍵，參數(shù)將會出現(xiàn)在滾動條菜單中； 圖4.4 定義網(wǎng)格參數(shù)圖 4.5 點擊Insert鍵后d. 繼續(xù)插入X方向的網(wǎng)格線，將第二和第三條X方向的網(wǎng)格線分別設(shè)為0.2和0.6，間距均為0.01。這樣在X方向的右側(cè)區(qū)域內(nèi)就定義了一個非常精密的網(wǎng)格，用作為NMOS晶體管的有源區(qū)；e. 接下來，我們繼續(xù)在Y軸上建立網(wǎng)格。在Direction欄中選擇Y；點擊Location欄并輸入值0。然后，點擊Spacing欄并輸入值0.008；f. 在網(wǎng)格定義窗口中點擊insert鍵，將第二、第三和第四條Y網(wǎng)格線設(shè)為0.2、0.5和0.8，間距分別為0.01，0.05和0.15，如圖4.6所示。圖4.6 Y方向上的網(wǎng)格定義g. 為了預(yù)覽所定義的網(wǎng)格，在網(wǎng)格定義菜單中選擇View鍵,則會顯示View Grid窗口。h. 最后，點擊菜單上的WRITE鍵從而在文本窗口中寫入網(wǎng)格定義的信息。如圖4.7。圖4.7 對產(chǎn)生非均勻網(wǎng)格的行說明4.1.3定義初始襯底參數(shù)由網(wǎng)格定義菜單確定的LINE語句只是為ATHENA仿真結(jié)構(gòu)建立了一個直角網(wǎng)格系的基礎(chǔ)。接下來需要對襯底區(qū)進(jìn)行初始化。對仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化的步驟如下：a. 在ATHENA Commands菜單中選擇Mesh Initialize選項。ATHENA網(wǎng)格初始化菜單將會彈出。在缺省狀態(tài)下，晶向的硅被選作材料；b. 點擊Boron雜質(zhì)板上的Boron鍵，這樣硼就成為了背景雜質(zhì)；c. 對于Concentration欄，通過滾動條或直接輸入選擇理想濃度值為1.0，而在Exp欄中選擇指數(shù)的值為14。這就確定了背景濃度為1.01014原子數(shù)/cm3；（也可以通過以O(shè)hmcm為單位的電阻系數(shù)來確定背景濃度。）d. 對于Dimensionality一欄，選擇2D。即表示在二維情況下進(jìn)行仿真；e. 對于Comment欄，輸入“Initial Silicon Structure with Orientation”，如圖4.8；f. 點擊WRITE鍵以寫入網(wǎng)格初始化的有關(guān)信息。圖4.8 通過網(wǎng)格初始化菜單定義初始的襯底參數(shù)4.1.4運行ATHENA并且繪圖現(xiàn)在，我們可以運行ATHENA以獲得初始的結(jié)構(gòu)。點擊DECKBUILD控制欄里的run鍵。輸出將會出現(xiàn)在仿真器子窗口中。語句struct outfile=.history01.str是DECKBUILD通過歷史記錄功能自動產(chǎn)生的，便于調(diào)試新文件等。使初始結(jié)構(gòu)可視化的步驟如下：a. 選中文件“.history01.str”。點擊Tools菜單項，并依次選擇Plot和Plot Structure，如圖4.9所示；在一個短暫的延遲之后，將會出現(xiàn)TONYPLOT。它僅有尺寸和材料方面的信息。在TONYPLOT中，依次選擇Plot和Display；b. 出現(xiàn)Display（二維網(wǎng)格）菜單項，如圖4.10所示。在缺省狀態(tài)下，Edges和Regions圖象已選。把Mesh圖象也選上，并點擊Apply。將出現(xiàn)初始的三角型網(wǎng)格，如圖4.11所示。現(xiàn)在，之前的INIT語句創(chuàng)建了一個0.6m0.8m大小的、雜質(zhì)硼濃度為1.01014原子數(shù)/cm3、摻雜均勻的晶向的硅片。這個仿真結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以進(jìn)行任何工藝處理步驟了（例如離子注入，擴(kuò)散，刻蝕等）。圖4.9 繪制歷史文件結(jié)構(gòu)圖4.10 Tonyplot：Display（二維網(wǎng)格）菜單圖4.11 初始三角網(wǎng)格4.1.5柵極氧化接下來，我們通過干氧氧化在硅表面生成柵極氧化層，條件是1個大氣壓，950C，3%HCL,11分鐘。為了完成這個任務(wù)，可以在ATHENA的Commands菜單中依次選擇Process和Diffuse，ATHENA Diffuse菜單將會出現(xiàn)。a. 在Diffuse菜單中，將Time（minutes）從30改成11，Tempreture（C）從1000改成950。Constant溫度默認(rèn)選中（見圖4.12）；圖4.12 由擴(kuò)散菜單定義的柵極氧化參數(shù)圖4.13 柵極氧化結(jié)構(gòu)b. 在Ambient欄中，選擇Dry O2項；分別檢查Gas pressure和HCL欄。將HCL改成3%；在Comment欄里輸入“Gate Oxidation”并點擊WRITE鍵；c. 有關(guān)柵極氧化的數(shù)據(jù)信息將會被寫入DECKBUILD文本窗口，其中Diffuse語句被用來實現(xiàn)柵極氧化；d. 點擊DECKBUILD控制欄上的Cont鍵繼續(xù)ATHENA仿真。一旦柵極氧化完成，另一個歷史文件“.history02.str”將會生成；選中文件“.history02.str”，然后點擊Tools菜單項，并依次選擇Plot和Plot Structure，將結(jié)構(gòu)繪制出來；最終的柵極氧化結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在TONYPLOT中，如圖4.13所示。從圖中可以看出，一個氧化層淀積在了硅表面上。4.1.6提取柵極氧化層的厚度下面過DECKBUILD中的Extract程序來確定在氧化處理過程中生成的氧化層的厚度。a. 在Commands菜單點擊Extract，出現(xiàn)ATHENA Extract菜單；Extract欄默認(rèn)為Material thickness；在Name一欄輸入“Gateoxide”；對于Material一欄，點擊Material，并選擇SiO2；在Extract location這一欄，點擊X，并輸入值0.3；b. 點擊WRITE鍵，Extract語句將會出現(xiàn)在文本窗口中；在這個Extract語句中，mat.occno=1為說明層數(shù)的參數(shù)。由于這里只