微電子工藝設(shè)計(jì)講解

1、微電子工藝設(shè)計(jì)講義 南通大學(xué)電子信息學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)教研室 王強(qiáng)目錄1 引言2 器件結(jié)構(gòu)構(gòu)建3 工藝過(guò)程4 二極管制造設(shè)計(jì)5 雙極性晶體管設(shè)計(jì)6 mos設(shè)計(jì)第一章 引言 當(dāng)今，仿真（simulation）這一術(shù)語(yǔ)已不僅廣泛出現(xiàn)在各種科技書(shū)書(shū)刊上，甚至已頻繁出現(xiàn)于各種新聞媒體上。不同的書(shū)刊和字典對(duì)仿真這一術(shù)語(yǔ)的定義性簡(jiǎn)釋大同小異，以下3種最有代表性，仿真是一個(gè)系統(tǒng)或過(guò)程的功能用另一系統(tǒng)或過(guò)程的功能的仿真表示；用能適用于計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示實(shí)際物理過(guò)程或系統(tǒng)；不同實(shí)驗(yàn)對(duì)問(wèn)題的檢驗(yàn)。仿真（也即模擬）的可信度和精度很大程度上基于建模（modeling）的可信度和精度。建模和仿真（modeling a

2、nd simulation）是研究自然科學(xué)、工程科學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的重要方法，是開(kāi)發(fā)產(chǎn)品、制定決策的重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前，有關(guān)建模和仿真方面的研究論文已占各類(lèi)國(guó)際、國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議總數(shù)的10%以上，占了很可觀的份額。集成電路仿真通過(guò)集成電路仿真器（simulator）執(zhí)行。集成電路仿真器由計(jì)算機(jī)主機(jī)及輸入、輸出等外圍設(shè)備（硬件）和有關(guān)仿真程序（軟件）組成。按仿真內(nèi)容不同，集成電路仿真一般可分為：系統(tǒng)功能仿真、邏輯仿真、電路仿真、器件仿真及工藝仿真等不同層次（level）的仿真。其中工藝和器件的仿真，國(guó)際上也常稱(chēng)作“集成電路工藝和器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”（technology cad

3、 of ic），簡(jiǎn)稱(chēng)“ic tcad”。1.1 silvaco概述silvaco研發(fā)的technology computer aided design (tcad) simulation software處于業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)地位。公司研發(fā)和銷(xiāo)售的tcad套件被遍布全球的半導(dǎo)體廠家用于半導(dǎo)體器件和集成電路的研究和開(kāi)發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)過(guò)程中。silvaco還是spice parameter extraction software (utmost)和analog circuit simulation software (smart spice)的主要提供商。獨(dú)特的位置使得silvaco與世界上先進(jìn)的高科技廠商和

4、大學(xué)合作，將最新的設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝市場(chǎng)化。silvaco提供了tcad driven cad environment，這一套完整的工具使得物理半導(dǎo)體工藝可以給所有階段的ic設(shè)計(jì)方法提供強(qiáng)大的動(dòng)力：制程仿真和器件工藝；spice model的生成和開(kāi)發(fā)；interconnect parasitics的極其精確的描述；physically-based可靠性建模以及傳統(tǒng)的cad。所有這些功能整合在統(tǒng)一的框架，提供了工程師在完整的設(shè)計(jì)中任何階段中所做更改導(dǎo)致的性能、可靠性等效果直接的反饋。1.2 工藝仿真athena1.2.1 工藝仿真概述ic工藝仿真由運(yùn)行ic工藝仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)。ic工藝仿真器由ic工藝

5、仿真軟件及能運(yùn)行該軟件的具有一定容量和速度的計(jì)算機(jī)主機(jī)及輸入輸出設(shè)備等硬件組成。ic工藝仿真軟件大致可分為三類(lèi)：第一類(lèi)，用來(lái)仿真離子注入、擴(kuò)散、氧化等以仿真參雜分布為主的所謂狹義的ic工藝仿真軟件；第二類(lèi)用來(lái)仿真刻蝕、淀積等工藝的ic形貌仿真軟件以及第三類(lèi)，用來(lái)仿真固有的和外來(lái)的襯底材料參數(shù)及/或制造工藝條件可用于仿真制造ic的全工序，也可用來(lái)仿真單類(lèi)工藝或單項(xiàng)工藝。ic工藝仿真有優(yōu)化設(shè)計(jì)ic制造工藝及快速分析工藝條件對(duì)工藝結(jié)果影響等功能，也是仿真制造ic的重要組成部分。ic工藝仿真器及其輸入、輸出的示意圖由圖2.1給出。在工藝條件參數(shù)中，以離子注入、擴(kuò)散和氧化工藝為例，一般包括：離子注入的能

6、量、劑量和雜質(zhì)種類(lèi)等；預(yù)淀積或再分布擴(kuò)散的溫度、時(shí)間、雜質(zhì)種類(lèi)及需要給出的濃度、氣氛或攜帶氣體的種類(lèi)和分壓等；氧化的溫度、時(shí)間、攜帶的氧化劑類(lèi)別(o2，h2o)和分壓等。襯底材料參數(shù)一般包括襯底材料的晶向、摻雜類(lèi)型和濃度等。網(wǎng)格參數(shù)為上列三類(lèi)工藝仿真軟件給出；其中方塊電阻、閾值電壓等電學(xué)參數(shù)由得出的雜質(zhì)分布、氧化層厚度及已知的襯底材料參數(shù)按有關(guān)解析計(jì)算公式計(jì)算得出。圖 1.1 ic工藝仿真器及其輸入、輸出的示意圖研制工藝仿真軟件首先必須建立能仿真制造ic的各種工藝的模型，這種模型是物理及/或化學(xué)模型。為了用計(jì)算機(jī)對(duì)這種模型進(jìn)行仿真計(jì)算，必須將這些模型用數(shù)學(xué)公式來(lái)表示。數(shù)學(xué)化的模型一般有解析模型

7、（基于理論推導(dǎo)，有一個(gè)精確的或近似的理論表達(dá)式），經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ɑ诖罅繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但機(jī)理不清楚，用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式）及半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ú煌耆诶碚撏茖?dǎo)，也不完全基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論表達(dá)式中某些參數(shù)的系數(shù)、次方用經(jīng)驗(yàn)值表示）等3種。此外還有表格化模型（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，應(yīng)變量和自變量的關(guān)系用列表表示）和內(nèi)插、外推模型（以較少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用內(nèi)插和外推法補(bǔ)充已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，外推已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)外的數(shù)據(jù)）等。為精確求解上列數(shù)學(xué)化模型，一般用解析技術(shù)或數(shù)值技術(shù)，得到的解相應(yīng)地稱(chēng)作解析解及數(shù)值解。解析解物理含義清晰，仿真耗時(shí)短，效率高，但只適用于只需用簡(jiǎn)單物理模型描述的工藝情況。對(duì)于擬仿真的工藝，它的因變量隨

8、時(shí)間和空間兩個(gè)自變量變化的或其數(shù)學(xué)表示式是一個(gè)偏微分方程（例如：用連續(xù)性方程及擴(kuò)散方程仿真摻雜原子濃度的分布）則需用數(shù)值技術(shù)而不是解析技術(shù)?；跀?shù)值技術(shù)的數(shù)值解，計(jì)算時(shí)間和空間耦合的變化，可得出更精確的仿真結(jié)果，能適用于更多的工藝情況。誠(chéng)然，數(shù)值解較為復(fù)雜，精度的提高是以增加仿真的復(fù)雜程度為代價(jià)的。用數(shù)值技術(shù)求解，第一步是空間和時(shí)間及偏微分方程的離散化，進(jìn)行這一步，首先需將擬仿真的定義域分割成小的子區(qū)域，每個(gè)小的子區(qū)域常稱(chēng)作網(wǎng)格，這種分割即所謂網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格應(yīng)足夠密，即每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的間距應(yīng)足夠小，仿真的時(shí)間也分成小的時(shí)間增量間隔t，t 也必須足夠短，以便每個(gè)t內(nèi)，各種雜質(zhì)濃度、擴(kuò)散率以及其他物理

9、參數(shù)在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)分別為常數(shù)，最終能保證在整個(gè)工藝時(shí)間結(jié)束時(shí)在仿真的定義域內(nèi)，解得的所要仿真的因變物理參數(shù)的分布有足夠的精度。但空間和時(shí)間間隔的選取也不要過(guò)分小和短，否則將會(huì)無(wú)為地浪費(fèi)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)的消耗（包括存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間）。為了用數(shù)字計(jì)算機(jī)解偏微分方程（例如雜質(zhì)原子的連續(xù)性性方程），需要轉(zhuǎn)換偏微分方程成為差分（代數(shù)）方程，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程也稱(chēng)之為離散化，差分有向前、向后、及中心差分三種，用中心差分其精確度和數(shù)值穩(wěn)定性較優(yōu)，空間和時(shí)間及偏微分方程離散化處理后，接下來(lái)第二步就是選用迭代法解經(jīng)離散化的非線性代數(shù)方程，目前最常用的迭代發(fā)是收斂性和計(jì)算效率均較好的newton-raphson法，除

10、建模及數(shù)值解方法的研發(fā)或選用外，程序?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證是工藝仿真軟件研制的最重要環(huán)節(jié)。程序?qū)崿F(xiàn)包括編程和調(diào)試，程序驗(yàn)證包括程序可靠性、精確性和實(shí)用性的驗(yàn)證。編程中程序語(yǔ)言的選擇，早期大多選用fortran，目前大多選用c和c+?？煽啃缘尿?yàn)證包括收斂性的測(cè)試及檢查程序中是否有弄虛作假之處。精確性的驗(yàn)證，可以同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比，同其他仿真結(jié)果比或同外推得出的有關(guān)結(jié)果比。實(shí)用性同可靠性和精確性密切相關(guān)，顯然不可靠和精度達(dá)不到要求就談不上實(shí)用；實(shí)用性也同程序具備的功能密切相關(guān)；此外，軟件運(yùn)行時(shí)有關(guān)信息的輸入是否方便于用戶(hù)，輸出信息是否完整和對(duì)用戶(hù)有用也是驗(yàn)證使用性時(shí)用戶(hù)所關(guān)注的。1.2.2 athena工藝仿真系統(tǒng)

11、athena是一套通用的、具有標(biāo)準(zhǔn)組件以及可拓展性的一維和二維制程仿真器，可用于si或其它材料的工藝開(kāi)發(fā)。athena由四套主要的工具組成：ssuprem4用于仿真si工藝的注入、擴(kuò)散、氧化和硅外延；flash用于仿真先進(jìn)材料工藝的離子注入，有源區(qū)和雜質(zhì)擴(kuò)散；optolith用于光刻仿真；elite用于形貌仿真。athena還提供了硅化物建模和離子注入、刻蝕和沉積的monte carlo建模方法。圖 1.2 athena系統(tǒng)結(jié)構(gòu)athena工藝仿真系統(tǒng)使得工藝和集成工程師能夠靠法和優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝流程。athena提供一個(gè)易于使用、模塊化的、可擴(kuò)展的平臺(tái)（如圖1.2、1.3）。可用于半導(dǎo)體材

12、料的仿真離子注入、擴(kuò)散、刻蝕、淀積、光刻、氧化及硅化。athena通過(guò)仿真取代了耗費(fèi)成本的硅片實(shí)驗(yàn)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期并且提高了成品率。圖 1.3 ahtena輸入/輸出l 可迅速和精確地仿真應(yīng)用在cmos、雙極、sige/sigec、sic、soi、iii-v、光電子和功率器件技術(shù)的所有關(guān)鍵加工步驟；l 精確地預(yù)測(cè)器件結(jié)構(gòu)中的幾何參數(shù)、摻雜分布和應(yīng)力；l 簡(jiǎn)單易用的軟件集成繪圖性能，自動(dòng)網(wǎng)格生成，工藝步驟的圖形化輸入，以及簡(jiǎn)便導(dǎo)入既有的tma工藝deck文件；l 博士級(jí)物理學(xué)家組成的tcad中心支持團(tuán)隊(duì)，為先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)模型；l 幫助idm、芯片生產(chǎn)廠商以及設(shè)計(jì)公司優(yōu)化半導(dǎo)體工藝，

13、使其達(dá)到速度、產(chǎn)量、擊穿、泄漏電流和可靠性的最佳結(jié)合；l 加速工藝開(kāi)發(fā)的投產(chǎn)和設(shè)備升級(jí)。ssuprem4是一個(gè)先進(jìn)的2d工藝仿真器，廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中si、sige以及化合物半導(dǎo)體技術(shù)的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。ssuprem4運(yùn)用廣泛的先進(jìn)無(wú)力模型，精確仿真擴(kuò)散、注入、氧化、硅化和外延生長(zhǎng)等的主要工藝步驟。mc implant是一個(gè)基于物理的3d離子注入仿真器，用于多晶體和非晶體材料的阻止本領(lǐng)和射程的建模。它精確地為所有主要的離子/目標(biāo)化合物預(yù)測(cè)注入分布圖和其損傷。elite是一個(gè)先進(jìn)的2d移動(dòng)框拓?fù)浞抡嫫?，用于仿真物理刻蝕、淀積、回流和化學(xué)機(jī)械拋光（cmp）工藝。mc eech/depo是一

14、個(gè)先進(jìn)的拓?fù)浞抡嫫鳌Ｋ藥讉€(gè)基于蒙特卡羅的模型，用來(lái)仿真多樣的使用了原子微粒流的刻蝕和淀積工藝。optolith是一個(gè)非平面的2d光刻仿真器，用于亞微細(xì)粒光刻的各個(gè)方面的建模，如成像、曝光、光阻烘焙和光阻顯影。optolith完全接口于所有的遵守gdsii和cif格式的商用ic版圖工具。ssuprem3是一個(gè)快速的1d硅化工藝仿真器，用于預(yù)測(cè)摻雜分布圖和層厚度。spdb是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器，富含試驗(yàn)和仿真的摻雜分布圖和工藝配方。收集超過(guò)6000個(gè)世界一流的實(shí)驗(yàn)分布圖，spdb是當(dāng)今最大的商用半導(dǎo)體工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)自己的分布圖也可添加和保留在spdb中。1.2.3工藝模型1. 擴(kuò)散模型在ath

15、ena中的擴(kuò)散模型描述了由于濃度梯度和內(nèi)部電場(chǎng)在熱處理過(guò)程中摻雜/缺陷的注入剖面（在接下來(lái)的部分，雜質(zhì)和摻雜物可以相互交換的使用，盡管雜質(zhì)不一定會(huì)成為摻雜物。除非在文中有另外的說(shuō)明，缺陷也就是點(diǎn)缺陷）是怎么進(jìn)行再分配的。在仿真實(shí)際的擴(kuò)散方程時(shí)，需要考慮例如雜質(zhì)聚類(lèi)和激活引起的額外影響，以及如何處理界面。在ssuprem4中一些列舉的模型可以描述摻雜物和點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散。三個(gè)最基本的模型：費(fèi)米模型、二維擴(kuò)散模型、全耦合擴(kuò)散模型。在某種意義上說(shuō)，費(fèi)米模型是包括在二維模型里，而二維模型是包括在完全耦合模型里的。它們之間兩個(gè)顯著的差異是點(diǎn)缺陷的表示和處理整個(gè)仿真的方式，以及具體摻雜擴(kuò)散是如何制訂的。選擇使

16、用哪種模型取決于在擴(kuò)散過(guò)程中點(diǎn)缺陷的存在和生成和硅的摻雜濃度。三種模型都依賴(lài)于對(duì)擴(kuò)散的概念，一個(gè)摻雜原子不能靠自己擴(kuò)散它需要在附近點(diǎn)缺陷的存在（硅片本身的間隙或者晶格空位）作為一個(gè)擴(kuò)散載體。如果在兩者之間有非零的束縛能，它們可以移動(dòng)作為一個(gè)主體（一對(duì)）在最終分化之前通過(guò)一系列的跳躍和反轉(zhuǎn)周期。在說(shuō)到在這些模型的范圍里的擴(kuò)散，一個(gè)事實(shí)上意味著作為整體的一對(duì)擴(kuò)散。雖然點(diǎn)缺陷既不可以自由的擴(kuò)散也不能象摻雜-缺陷對(duì)里的一個(gè)參與者，但是自由的點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散事實(shí)上與點(diǎn)缺陷對(duì)是有區(qū)別的。所有擴(kuò)散模型在athena中是使用了化學(xué)反應(yīng)和有源區(qū)濃度值的概念?；瘜W(xué)反應(yīng)的濃度是摻雜的實(shí)際注入值，但是當(dāng)摻雜濃度較高時(shí)，聚

17、類(lèi)或電氣失活可能發(fā)生，使得有源區(qū)濃度可能會(huì)小于響應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)濃度。athena創(chuàng)造了有多種材料和界面的結(jié)構(gòu)，例如在mosfet中的多晶硅氧硅界面。在athenah中的每個(gè)界面為了模型的雜質(zhì)隔離都有邊界或者界面條件。氣體/固體界面（如果硅表面暴露）和固體/固體表面已經(jīng)在athena中模型化了。仿真這些影響，例如從暴露表面引起的摻雜損失和在表面的摻雜堆積。1).數(shù)學(xué)描述擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)定義包括了對(duì)每一種的擴(kuò)散種類(lèi)出現(xiàn)在下面的規(guī)范：l 連續(xù)性方程（通常被稱(chēng)作擴(kuò)散方程）；l 一個(gè)或多個(gè)流量項(xiàng)；l 一組邊界和區(qū)間界面條件。在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)擴(kuò)散的情況下，我們需要一組方程來(lái)描述每個(gè)摻雜量以及如果在模型中明確的

18、表示點(diǎn)缺陷的話(huà)每種類(lèi)型的點(diǎn)缺陷。由于摻雜只能象摻雜-缺陷對(duì)中的參與者一樣擴(kuò)散，摻雜的連續(xù)性方程事實(shí)上就是缺陷-摻雜對(duì)的連續(xù)性方程。連續(xù)性方程的制定有一系列的假設(shè)：l 電子工藝發(fā)生在同一時(shí)間尺度，這比所有其他過(guò)程小得多（絕熱近似）；l 假設(shè)摻雜和缺陷之間的對(duì)反應(yīng)始終處于平衡；l 可移動(dòng)的摻雜是活躍的，反之則亦然。2).通用的擴(kuò)散方程熱加工時(shí)硅體內(nèi)雜質(zhì)的遷移是擴(kuò)散雜質(zhì)在硅內(nèi)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，一般用所謂擴(kuò)散方程來(lái)描述：它是一個(gè)二階偏微分方程ct=2cy2，公式中c為雜質(zhì)體濃度，單位為雜質(zhì)原子/厘米3，c=c(y，t)，y是雜質(zhì)擴(kuò)散的方向，垂直硅表面指向片內(nèi)的方向?yàn)閥向。d是擴(kuò)散系數(shù)單位為厘米3/秒，這個(gè)方

19、程也稱(chēng)fick第二定律的數(shù)學(xué)表示式，根據(jù)不同的邊界條件和初始條件，可從此方程推導(dǎo)出c(y，t)，我們熟知的兩種情況是：(a) 恒定表面濃度擴(kuò)散邊界條件y=0，t0情況下有c(0，t)=cs即硅片表面(y=0)處的濃度在任何時(shí)刻t都一樣，保持恒定。初始條件y=0，t0情況下有c(0，t)=cs即硅片表面(y=0)處的濃度在任何時(shí)刻t都一樣，保持恒定。初始條件y0，t=0情況下有c(y，0)=0即t=0，除硅片表面(y=0)處外，硅片內(nèi)部各點(diǎn)沒(méi)有擴(kuò)散的雜質(zhì)濃度。解出的分布 (1.1)即所謂余誤差函數(shù)分布。(b) 限定源擴(kuò)散邊界條件y=0，t0情況下有cy|y=0=0任何時(shí)刻在硅表面都沒(méi)有外來(lái)雜質(zhì)補(bǔ)

20、充。初始條件y 0，t=0情況下有 (1.2)q表示擴(kuò)散前存在余硅片表面無(wú)限薄層內(nèi)，單位表面積的雜質(zhì)總量，擴(kuò)散過(guò)程中q為常量。解出的分布 (1.3)即所謂的高斯函數(shù)分布。2. 氧化模型集成電路的微電子結(jié)構(gòu)和器件的制造非常依賴(lài)于熱氧化過(guò)程中形成的柵介質(zhì)、器件隔離區(qū)、間隔區(qū)和離子注入掩膜區(qū)域。特別是，對(duì)硅氧化層厚度的精確控制因?yàn)槠骷缀螛?gòu)型朝著大規(guī)模亞微米尺寸縮小。通過(guò)擴(kuò)散語(yǔ)句中的dryo2，weto2，f.o2或者h(yuǎn)2o等參數(shù)仿真硅的熱氧化。當(dāng)硅（或者多晶硅）和二氧化硅氧化的界面或者硅（多晶硅）的表面暴露在空氣中，那么氧化就會(huì)發(fā)生。ssuprem4在一個(gè)非常類(lèi)似的環(huán)境中仿真多晶硅氧化（幾乎所有的

21、關(guān)于多晶硅的氧化參數(shù)是和硅一樣的）。ssuprem4也允許氧化層完全通過(guò)硅（多晶硅）。在工藝過(guò)程中這是非常重要的（例如，硅的局部氧化工藝）在多晶硅區(qū)域氧化時(shí)是完全消耗的。因?yàn)楸┞兜墓杵ǔＳ幸槐幼匀谎趸瘜?，ssuprem4對(duì)所有暴露的硅片（多晶硅）表面在氧化步驟開(kāi)始時(shí)自動(dòng)的沉積了一層薄的自然氧化層。氧化的初始化參數(shù)決定了氧化層的厚度，它的預(yù)設(shè)值為20。在ssuprem4中二維的氧化模型是基于著名的線性?huà)佄锞€理論。通過(guò)考慮以下三個(gè)過(guò)程仿真硅氧化：l 氧化劑（例如水或氧氣）從環(huán)境氣體輸送到在氣體或者二氧化硅表面的二氧化硅層。l 氧化劑穿過(guò)二氧化硅層到達(dá)硅/二氧化硅界面。l 氧化劑在到達(dá)硅/二氧化

22、硅界面與硅反應(yīng)形成一層新的二氧化硅。由周?chē)鷼怏w進(jìn)入二氧化硅中的氧化劑流量由下式給出： (1.4)式中h是氣相質(zhì)量傳遞系數(shù)，c0是表面處sio2中氧化劑的濃度，c*=hpox，其中h是sio2中氧化劑的henry定律系數(shù)，pox是周?chē)鷼夥罩醒趸瘎┑姆謮?，ns是垂直于sio2表面指向sio2的單位矢量。 sio2中氧化劑的流量也可由下式給出： (1.5)式中d是sio2中氧化劑的擴(kuò)散率，c是氧化劑的局部濃度，是梯度算符，f還可用氧化界面處氧化劑消耗量給出： (1.6)這里ks是表面反應(yīng)速率，c是界面氧化劑的濃度，ni是垂直于界面背離sio2的單位矢量。在穩(wěn)態(tài)，流量的散度為零， (1.7) sio2

23、生長(zhǎng)速度由下式給出： (1.8)式中dydt表示相對(duì)于sio2的界面速度，n1是形成每立方厘米sio2所需的氧化劑分子數(shù)，thin是薄層氧化速率常數(shù)，用于描寫(xiě)氧化初始階段sio2的快速生長(zhǎng)，thin 的計(jì)算可用解析描寫(xiě)或數(shù)值模型。h.z.massoud曾給出以下thin 表示式： (1.9)式中3個(gè)薄層氧化參數(shù)top1、top2、top3的值同氧化劑的種類(lèi)以及si的晶向，有關(guān)，多晶硅和單晶硅也不同。y是沒(méi)有掩模處氧化層厚度。3. 離子注入模型ssuprem-4中雜質(zhì)離子注入到硅靶的模型有兩種。它們是解析離子注入模型和monte carlo離子注入模型。解析模型用基于包含在ssuprem-4中的

24、離子注入數(shù)據(jù)文件內(nèi)的分布矩(distribution moment)的gaussian或pearson函數(shù)仿真雜質(zhì)和點(diǎn)缺陷分布。monte carlo基于物理模型，計(jì)算注入離子通過(guò)二維耙結(jié)構(gòu)的彈道(trajectories)。1) 解析離子注入模型這種模型首先計(jì)算沿著通過(guò)二維仿真結(jié)構(gòu)的每個(gè)垂直條(設(shè)為y向)的注入雜質(zhì)離子的一維分布i(y)，其表達(dá)式為 (1.10)式中dose是由離子注入器提供的每平方厘米總的雜質(zhì)離子數(shù)，f(y)是一個(gè)歸一化的gaussian或pearson分布函數(shù)，y=0取在垂直條頂部材料的表面。接著，將每個(gè)沿垂直條的一維分布乘上一個(gè)正交于垂直條方向(取為x向)的gaussi

25、an分布，使擴(kuò)展到二維分布i(x，y)，其表達(dá)式為： (1.11)式中x是離沿y向的垂直條的垂直距離，x是橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差，x的值可從ssuprem-4的離子注入數(shù)據(jù)文件中找到，最后，再累加i(x，y)得出完全的離子注入二維分布。為精確仿真離子注入分布，ssuprem-4解析離子注入模型中還包含以下模型：(i) 同注入劑量有關(guān)的注入分布模型，用雙pearson分布描述，其公式為 (1.12)式中是無(wú)定型材料情況下雜質(zhì)離子剖面分布的劑量和總劑量之比，iamorphous(y)、ichanneled及icomposite(y)分布是歸一化的無(wú)定型部分的、晶體部分的及兩者合成的pearson分布。(ii

26、) 襯底圓片的傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)(tilt and rotation)對(duì)注入分布影響的模型。(iii) 處理多層注入分布的有效射程模型和劑量匹配模型。(iv) 與橫向注入相關(guān)的橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差模型。(v) 注入模型(vi) 解析注入損失模型2) monte carlo離子注入模型ssuprem-4中包含一個(gè)基于物理模型的計(jì)算雜質(zhì)離子注入分布的綜合的monte carlo離子注入模型。該模型可計(jì)算雜質(zhì)離子注入在晶體硅、無(wú)定型硅及其他材料的分布。該模型還可仿真注入時(shí)晶體硅向無(wú)定型硅的轉(zhuǎn)變，反射離子對(duì)最終注入分布的影響、注入時(shí)產(chǎn)生的空位和間隙類(lèi)損傷對(duì)離子注入分布的影響以及硅襯底損傷的自退火等。應(yīng)用monte c

27、arlo離子注入模型的技術(shù)可檢驗(yàn)一系列參數(shù)對(duì)最終分布結(jié)果的依賴(lài)關(guān)系，如傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)角、高注入劑量、注入溫度及低能量離子注入等因素對(duì)最終注入分布的影響。1.3 器件仿真atlas1.3.1 器件仿真概述ic器件仿真由運(yùn)行ic器件仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)。ic器件仿真器由ic器件仿真軟件及能運(yùn)行該軟件的具有一定容量和速度的計(jì)算機(jī)主機(jī)及輸入輸出設(shè)備等硬件組成。隨著ic的發(fā)展需要pn結(jié)二極管、雙極型晶體管等pn結(jié)型半導(dǎo)體仿真器，mos電容、mosfet等mos型半導(dǎo)體器件仿真器，ms二極管、mesfet等ms接觸型半導(dǎo)體器件仿真器，si/sige、algaas/gaas等異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件仿真器，互速寄生元件仿真器，

28、薄膜晶體管（tft）等半導(dǎo)體薄膜器件仿真器等多種器件仿真器。目前在ic仿真中最常用和最成熟的器件仿真器是pn結(jié)型半導(dǎo)體器件仿真器和mos型半導(dǎo)體器件仿真器。ic器件仿真器及其輸入、輸出的示意圖由圖2.4給出。其中雜質(zhì)分布的輸入可用對(duì)應(yīng)的工藝仿真軟件的輸出或用一個(gè)描述摻雜分布的解析表達(dá)式，幾何參數(shù)例如為mos型器件包括溝道長(zhǎng)度、溝道寬度、柵氧化層厚度等。器件仿真軟件的研制同工藝仿真類(lèi)似，需要進(jìn)行建模，空間、時(shí)間及偏微分方程離散化，經(jīng)離散化得出的非線性代數(shù)方程的迭代解，以及程序?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證等工作，進(jìn)行上述工作所采用的方法也基本相同。ic器件仿真同工藝仿真的差別和關(guān)聯(lián)主要如下述。ic工藝和器件仿真的核

29、圖 1.4. ic器件仿真器及其輸入、輸出的示意圖心問(wèn)題都是找出作為時(shí)間函數(shù)的可移動(dòng)的、帶電及/或中性的質(zhì)點(diǎn)的空間分布?？梢苿?dòng)的質(zhì)點(diǎn)的分布由質(zhì)點(diǎn)連續(xù)性方程支配，帶電質(zhì)點(diǎn)由poisson方程支配，可移動(dòng)的帶電質(zhì)點(diǎn)將由這兩個(gè)方程耦合支配。器件仿真中的質(zhì)點(diǎn)主要是載流子電子和空穴，工藝仿真中主要是原子中性的和離化的參雜原子。求解得出了隨時(shí)間變化的質(zhì)點(diǎn)的空間分布，為工藝仿真就直接給出工藝仿真的主要結(jié)果摻雜分布，而器件仿真還需知道靜電勢(shì)分布，以得出端電壓和端電流關(guān)系及有關(guān)器件參數(shù)。器件仿真得出的例如雙極型器件的端電壓和端電流關(guān)系及放大倍數(shù)、mos型器件的電容和電壓關(guān)系及閾值電壓等器件參數(shù)的驗(yàn)證，比工藝仿真

30、得出的摻雜分布的驗(yàn)證容易實(shí)現(xiàn)。工藝仿真中雜質(zhì)原子在不同材料的體內(nèi)和界面輸運(yùn)規(guī)律的建模，也即在不同材料的體內(nèi)的擴(kuò)散和界面的分凝現(xiàn)象的建模，同器件仿真中對(duì)載流子遷移、復(fù)合等現(xiàn)象的建模，也即載流子遷移率或擴(kuò)散率以及載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率的建模相比，前者困難大于后者。由于器件特性強(qiáng)烈地依賴(lài)于器件中有源區(qū)摻雜分布，而精確的摻雜分布目前主要依靠工藝仿真獲得。例如發(fā)射區(qū)磷摻雜的雙極型晶體管特性的精確仿真同工藝仿真對(duì)發(fā)射區(qū)磷摻雜的扭曲狀分布及高濃度磷發(fā)射區(qū)引起的基區(qū)推出效應(yīng)的精確仿真緊密相關(guān)；mosfet閾值電壓調(diào)整和優(yōu)化的精確仿真基于用于閾值電壓調(diào)整的離子注入分布及其再分布對(duì)mosfet溝道區(qū)參雜分布的精確

31、仿真。所以，器件仿真和工藝仿真緊密結(jié)合，兩種仿真器的聯(lián)用是ic tcad發(fā)展的必然要求。ic器件仿真器常與ic工藝仿真器聯(lián)用，也可與ic電路仿真器聯(lián)用，若成功聯(lián)用，則已知制造ic工藝條件參數(shù)就可得出電路特性。實(shí)現(xiàn)了基于制造工藝的ic計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及快速ic特性分析，也即實(shí)現(xiàn)了ic的虛擬制造。ic工藝、器件、電路3種仿真器聯(lián)用的示意圖由圖1.5所示。在聯(lián)用時(shí)由于ic器件仿真器輸出的器件參數(shù)同ic電路仿真器輸入要求的器件參數(shù)在名稱(chēng)、含義和數(shù)據(jù)文件格式方面有所不同，一般，在ic 器件和ic 電路仿真器間還需要一個(gè)器件參數(shù)的轉(zhuǎn)換軟件將器件仿真器的輸出器件參數(shù)轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足ic電路仿真器輸入要求的器件參數(shù)，

32、這一器件參數(shù)轉(zhuǎn)換軟件一般稱(chēng)之為參數(shù)提取軟件。圖 1.5. ic工藝、器件、電路3種仿真器聯(lián)用示意圖2.3.2 atlas器件仿真系統(tǒng)atlas器件仿真系統(tǒng)使得器件技術(shù)工程師可以仿真半導(dǎo)體器件的電氣、光學(xué)和熱力的行為(如圖1.6、1.7)。atlas提供一個(gè)基于物理，使用簡(jiǎn)便的模塊化的可擴(kuò)展的平臺(tái)，用以分析所有2d和3d模式下半導(dǎo)體技術(shù)的直流，交流和時(shí)域響應(yīng)。圖 1.6 atlas系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l 無(wú)需昂貴的分批作業(yè)試驗(yàn)，即可精確地特性表征基于物理的器件的電氣、光學(xué)和熱力性能；l 解決成品率和工藝制作過(guò)程變異的問(wèn)題，使其達(dá)到速度、功率、密度、擊穿、泄露電流、發(fā)光度和可靠性的最佳結(jié)合；l 最多選擇的硅模

33、型，iii-v、ii-vi、iv-iv或聚合/有機(jī)科技，包括cmos、雙極、高壓功率器件、vcsel、tft、光電子、激光、led、ccd、傳感器、熔絲、nvm、鐵電材料、soi、fin-fet、hemt和hbt；l 分支機(jī)構(gòu)遍布世界各地，有專(zhuān)門(mén)的物理博士提供tcad支持；l 與專(zhuān)精穩(wěn)定和有遠(yuǎn)見(jiàn)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作，在新技術(shù)強(qiáng)化上有活躍的發(fā)展計(jì)劃；l 直接把a(bǔ)tlas結(jié)果輸入到utmost進(jìn)行spice參數(shù)提取，將tcad技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)流片（tapeout）過(guò)程。s-pisces/device3d是一個(gè)2d/3d的器件仿真器，用于結(jié)合了漂流擴(kuò)散和能量平衡方程的硅化技術(shù)。其擁有廣泛的物理模型庫(kù)可供直

34、流、交流和時(shí)域仿真使用。典型的應(yīng)用包括mos，雙極和bicmos技術(shù)。tft2d/3d是一個(gè)高級(jí)的器件技術(shù)仿真器，其物理模型和專(zhuān)用數(shù)字技術(shù)是仿真非晶體或包括薄膜晶體管在內(nèi)的多晶硅器件所必需的。特殊應(yīng)用包括大面積電子顯示和太陽(yáng)能電池。ferro經(jīng)開(kāi)發(fā)可結(jié)合fet的電荷層模型和描述鐵電薄膜的麥克斯韋第一方程。此模塊可以精確的預(yù)測(cè)那些器件的靜態(tài)i-v行為和瞬態(tài)與小信號(hào)模式中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。blaze/blaze3d可仿真運(yùn)用高級(jí)材料制作的器件。它有一個(gè)化合物半導(dǎo)體的庫(kù)，包括了三元和四元材料。blaze/blaze3d具有內(nèi)置的模型，用于登記和斷裂的異質(zhì)結(jié)，并且仿真如mesfets、hemt和hbt的結(jié)構(gòu)

35、。laser是世界上第一個(gè)用于半導(dǎo)體激光二極管的商用仿真器，配合atlas系統(tǒng)中的blaze使用為邊緣發(fā)射fabry-perot型的激光二極管的電氣行為（直流和瞬態(tài)響應(yīng)）和光學(xué)行為提供數(shù)學(xué)解決方案。圖 1.7 atlas輸入/輸出vcsel和atlas系統(tǒng)一起使用，為垂直共振腔面射型激光（vcsel）生成就物理的仿真。vcsel將成熟的器件仿真和先進(jìn)的光學(xué)模式結(jié)合起來(lái)以獲得vcsel的電氣、熱力和光學(xué)行為。led具有仿真光射器件的性能。lde 與blaze和atlas系統(tǒng)聯(lián)用，從而預(yù)測(cè)直流和瞬態(tài)響應(yīng)、光能密度、峰值發(fā)射、波長(zhǎng)、光譜輸出、效率、輸出耦合和角度輸出光分布。led應(yīng)用精確的kp帶結(jié)構(gòu)

36、模型來(lái)仿真大批和量子阱器件。luminous2d/3d是一個(gè)先進(jìn)的器件仿真器，特別設(shè)計(jì)用于在非平面半導(dǎo)體器件中的光吸收和圖像生成的建模。使用幾何射線描跡而得到用于一般光源的精確解決方案。luminous2d/3d或blaze配合使用來(lái)仿真任意光電探測(cè)器件。mixedmode2d/3d與s-pisces或blaze配合使用，仿真包括基于物理的器件以及簡(jiǎn)化分析模型的電路。當(dāng)沒(méi)有精確的簡(jiǎn)化模型或者器件的地位很重要而必須用很高的精度來(lái)仿真時(shí)，會(huì)運(yùn)用基于物理的器件。quantum提供一套強(qiáng)大的模型用來(lái)仿真半導(dǎo)體器件中多樣的載流子量子束縛效應(yīng)。schrodinger-poisson解算器允許用靜電勢(shì)來(lái)自恰

37、計(jì)算束縛態(tài)能量和波方程。兩字瞬態(tài)模型允許仿真載流子運(yùn)輸之上的量子束縛效應(yīng)。noise與s-pisces或blaze配合使用允許分析半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的小信號(hào)噪聲。noise可以精確的特性表征所有小信號(hào)噪聲源和足夠用來(lái)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)的額外的靈敏度。1.3.2 基本的半導(dǎo)體方程式atlas是一個(gè)用于模擬半導(dǎo)體器件的功能非常強(qiáng)大的軟件程序。它在器件中建立了一個(gè)電勢(shì)與載流子分布的二維模型，通過(guò)計(jì)算可以得出任意偏壓下的電學(xué)特性。atlas在世界范圍內(nèi)被廣泛的使用，應(yīng)用于模擬各種半導(dǎo)體器件，例如mos，bjt，iii-v族器件，tft，光電器件等4，并且經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以說(shuō)它是一個(gè)十分準(zhǔn)確和通用的半導(dǎo)體器

38、件模擬器。本文主要是利用atlas編程求解。atlas使用了在后面會(huì)分別詳細(xì)描述的五個(gè)偏微分方程來(lái)描述半導(dǎo)體器件的體特性，他們分別是：泊松方程：描述靜電勢(shì)，參見(jiàn)后面的公式(1.13)電子和空穴流密度的連續(xù)性方程(電子和空穴各一個(gè))：描述載流子的濃度，參見(jiàn)后面的公式(1.14)和(1.15)；電子和空穴的載流子能量平衡方程(電子和空穴各一個(gè))：描述載流子的溫度，參見(jiàn)后面的公式(1.16) 和(1.17)；由它們所得到的代數(shù)方程組是相互耦合、非線性的。對(duì)于給定的器件和工作范圍，沒(méi)有一種求解方法對(duì)于所有的情況都是最優(yōu)的。有幾種可能性如下：(1) 在零偏壓情況下，僅僅求解泊松方程便足夠；(2) 在雙極

39、型器件和mosfet的電學(xué)特性仿真中，兩種載流子都是需要的；(3) 對(duì)于小尺寸器件的熱載流子效應(yīng)仿真(此處電場(chǎng)變化很快)，應(yīng)當(dāng)加入載流子能量平衡方程；atlas提供了兩種算法來(lái)求解微分方程：耦合算法(newtonss method)和非耦合算法(gummels method)。每一種方法都要求解幾個(gè)巨大的線性方程系統(tǒng)。在每一個(gè)系統(tǒng)中方程總量為網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量的1.4倍左右，收斂速度取決于要求解的器件方程的個(gè)數(shù)。使用雅可比的高斯消元法的牛頓求解過(guò)程，是非常穩(wěn)定的求解方法。這一算法可使用于以下場(chǎng)合：器件開(kāi)啟后，單極載流子傳輸問(wèn)題；兩種載流子的仿真問(wèn)題，但是，在對(duì)兩種載流子進(jìn)行仿真時(shí)，要花費(fèi)很大的內(nèi)存和機(jī)

40、時(shí)，這是它的限制。耦合算法在目前來(lái)說(shuō)是最可靠的算法，尤其是在方程的非線性程度較大的時(shí)候。我們的仿真選用第一種算法，即newtons method。執(zhí)行的方程包括：泊松方程和連續(xù)性方程，電子和空穴的連續(xù)性方程，電子和空穴的電流密度方程，電子和空穴的能量平衡方程等組成的流體動(dòng)力學(xué)方程組。 (1.13) 在這里為電容率，定義為本征費(fèi)米勢(shì)，表示半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)，s是空間電荷密度(特別注意這里它是所有可動(dòng)電荷和固定電荷的總和，包括電子、空穴以及離化雜質(zhì)等)。 (1.14) (1.15)這里un和up分別為電子和空穴的凈復(fù)合率。jn和jp分別為電子和空穴的電流密度。若電子和空穴的電流密度。若電子和空穴

41、的電流密度用標(biāo)準(zhǔn)的漂移-擴(kuò)散方程，且用愛(ài)因斯坦關(guān)系將載流子遷移率替代載流子擴(kuò)散系數(shù)以及考慮了載流子加熱引起的溫度隨空間的變化，則有： (1.16) (1.17)這里un和up分別為電子和空穴的熱電壓ktnq和ktpq。1.3.4 物理模型1. 遷移率模型由于載流子遷移率(以下簡(jiǎn)稱(chēng)遷移率)的所有誤差，通過(guò)相乘的關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)正比的電流誤差，所以遷移率是二維mosfet模擬的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)，遷移率又是一個(gè)著名的復(fù)雜的兩，至今人們對(duì)已有的遷移率模型還不是非常滿(mǎn)意。假定：遷移率是溫度(t)，平行于電流方向的電場(chǎng)分量(ep)，垂直于si-sio2界面的距離(y)，雜質(zhì)濃度(c)及可動(dòng)載流子密度(n，p

42、)的函數(shù)。執(zhí)行的遷移率公式為： (1.18) (1.19) (1.20) (1.21) (1.18)-(1.21)式中，n和p分別為標(biāo)記電子和空穴。n為c和n、p的函數(shù)。l(t)為只考慮晶格散射時(shí)的遷移率，它由一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度冪定律描述。l(n，t)是考慮了晶格散射和離化雜質(zhì)及電子、空穴散射后的遷移率，它是溫度、雜質(zhì)濃度、電子及空穴密度的函數(shù)。在高注入低摻雜區(qū)，電子、空穴散射極為重要。lis(y，ep，es，n，t)是進(jìn)一步考慮了表面粗糙和同電場(chǎng)有關(guān)的表面散射后的遷移率，它是y，ep，es，n，t的函數(shù)，tot是總的遷移率，它除考慮由晶格、雜質(zhì)及載流子、表面散射等引起的遷移率lis 外，還考慮了

43、平行于電流方向的高電場(chǎng)分量引起漂移速度飽和對(duì)遷移率的影響，即引起了(vsep)一項(xiàng)，vs 有弱的溫度關(guān)系，用mathiessen法則將該同lis 相結(jié)合，最終可求得總的遷移率tot 。2. 產(chǎn)生和復(fù)合模型若要模擬雪崩效應(yīng)，計(jì)算雪崩產(chǎn)生率、電子/空穴的離化率或襯底電流，我們必須在連續(xù)性方程的右邊加上產(chǎn)生及或復(fù)合項(xiàng)，即不能假設(shè)g-r=0，所用的產(chǎn)生/復(fù)合模型公式，見(jiàn)式(2.22)-式(2.24)： (1.22)式中(g - r)tot為凈產(chǎn)生率總量，(g - r)th 為凈俄歇產(chǎn)生率(即凈俄歇復(fù)合率的負(fù)值)，g a為碰撞電離產(chǎn)生率。式中各(g-r)的單位都是1/厘米3-秒。式(2.22)也表示不考

44、慮各種不同機(jī)理引起的(gr)項(xiàng)之間的相互作用。 (1.23) (2.23)式中，(g - r)th 表示式即為人們熟知的shockley-read-hall公式，式中載流子壽命n和p同摻雜濃度有關(guān)。 (1.24) (2.24)式中sn和sp分別為電子和空穴的表面復(fù)合率。(y)為dirac-delta函數(shù)，y=0標(biāo)記界面。 (1.25) (1.26) (1.23)-(1.26)式中所用常數(shù)n、p、sn、sp、cn、cp、an、ap、bn、bp等，通過(guò)輸入?yún)?shù)文件，選用其他更合適的值。第二章 器件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建利用silvaco軟件進(jìn)行工藝和期間的仿真，首先要建立相關(guān)的器件結(jié)構(gòu)模型。本章將主要介紹打開(kāi)

45、silvaco軟件的方法和軟件的基本操作語(yǔ)句及材料中網(wǎng)格的建立。21 軟件的打開(kāi)方法利用silvaco軟件設(shè)計(jì)工藝流程和仿真，主要在silvaco的deckbuild中進(jìn)行。點(diǎn)擊s. eda tools圖標(biāo)，將打開(kāi)一個(gè)快捷方式文件夾(圖2.1)。在其中選擇deckbuild快捷方式，將打開(kāi)如圖2.2的窗口。該窗體分為上下兩個(gè)窗口，其中上窗口主要用來(lái)輸入相關(guān)的工藝程序，下窗口將顯示程序運(yùn)行的過(guò)程和結(jié)果。在deckbuild窗口中可以加載和運(yùn)行一些工藝和器件仿真實(shí)例，從實(shí)例來(lái)體會(huì)silvaco的使用方法將更有效果。加載實(shí)例的方法為從deckbuild窗口上找到examples，點(diǎn)擊后將打開(kāi)如下的下

46、拉菜單，選擇其中的athena examples。將出現(xiàn)如example loader 的對(duì)話(huà)框，從下拉條中選擇某一個(gè)工藝步驟的仿真程序，如圖所示所選的為氧化工藝仿真程序，選擇其中的anoxex01.in點(diǎn)擊ok打開(kāi)此程序。 這樣將在deckbuild中出現(xiàn)如下的程序點(diǎn)擊run按鈕，silvaco將逐行的運(yùn)行圖中所示的程序，同時(shí)在deckbuild窗體的下窗口顯示運(yùn)行的結(jié)果。程序運(yùn)行完畢后，將出現(xiàn)下圖所示的運(yùn)行結(jié)果。這個(gè)結(jié)果顯示了場(chǎng)氧化的各個(gè)步驟。2.2 工藝仿真程序的建立2.2.1 go 命令開(kāi)始一個(gè)仿真程序在deckbuild內(nèi)運(yùn)行工藝仿真程序athena，使用命令go athena,其中

47、go 在silvaco中表示開(kāi)始某一個(gè)仿真器，每個(gè)silvaco的仿真程序的開(kāi)始必須由go 這個(gè)命令開(kāi)始。使用go命令還可以調(diào)用特定的silvaco版本和模型文件。其格式如下例：調(diào)用特定版本go athena simflags=”-v 4.3.0.r”調(diào)用特定模型文件go athena simflags=”-modfile 97a”2.2.2 athena 的程序編寫(xiě)格式和參數(shù)類(lèi)型在athena程序中每一行代表了一個(gè)工藝步驟的聲明（statement）。athena的聲明結(jié)構(gòu)通常由以下格式構(gòu)成： =，其中表示命令名，表示參數(shù)名，表示參數(shù)值。athena中參數(shù)值有4種格式，如下表所示參數(shù)類(lèi)型類(lèi)型

48、描述數(shù)值需要實(shí)例character 字母、字符串是outfile=mos.strinteger整數(shù)是divisions=10boolean布爾運(yùn)算值否oxide or oxide=freal實(shí)數(shù)是c.boron=1.5e14除布爾運(yùn)算值外，其他任何運(yùn)算值都必須由param=val這樣的格式來(lái)給參數(shù)賦值，布爾運(yùn)算值必須與其他參數(shù)或命令間隔一個(gè)空格。下面將以淀積的例子來(lái)說(shuō)明athena程序的編寫(xiě)格式和數(shù)值的應(yīng)用：deposit nitride thick=0.35 這句中nitrid參數(shù)有一個(gè)布爾值，在本例中其值為“true”，thick 的參數(shù)值為0.35微米。2.2.2 構(gòu)建材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為了能

49、更好的模擬工藝過(guò)程中材料的變化和雜質(zhì)在材料中的運(yùn)動(dòng)情況，需要對(duì)半導(dǎo)體材料中的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。在silvaco中對(duì)材料的網(wǎng)格的建立使用的語(yǔ)句是line.line語(yǔ)句的格式和參數(shù)如下：line x|y location= spacing= tag= tri.left|tri.right其中，x,y表示網(wǎng)線是沿水平還是垂直方向建立；location=表示沿著所選的坐標(biāo)軸所定的位置，對(duì)于x方向從左向右遞增，對(duì)于y方向從上向下遞增；spacing=表示網(wǎng)線與網(wǎng)線間的距離；tag=定義一個(gè)將在后續(xù)的boundry 和 region語(yǔ)句中被引用的參數(shù)名；tri.left|tri.right表示在y方向控

50、制所建立的三角形網(wǎng)格的取向。以下為line命令的應(yīng)用實(shí)例line x loc=0.00 spac=0.10line x loc=10.00 spac=0.10line y loc=0.00 spac=0.03line y loc=0.30 spac=0.02line y loc=0.60 spac=0.04line y loc=1.00 spac=0.05應(yīng)用該程序所形成的圖形如下圖所示，在以上的程序中定義x方向上的長(zhǎng)度為10微米，網(wǎng)線間距為0.1微米，y方向長(zhǎng)度為1微米，在0-0.3微米的范圍內(nèi)網(wǎng)線間距為0.03微米平滑的變化到0.02微米，在0.3-0.6微米的范圍內(nèi)網(wǎng)線間距為0.02微米

51、平滑的變化到0.04微米，在0.6-1微米的范圍內(nèi)網(wǎng)線間距為0.04微米平滑變化到0.05微米。僅僅使用以上的line語(yǔ)句是無(wú)法讓athena建立材料模型的，此時(shí)必須使用到initialize語(yǔ)句。其語(yǔ)法和參數(shù)如下：initialize material orientation= rot.sub= c.fraction=c.impurities=|resistivity=c.interst=c.vacancy=boron|phosphorus|arsenic|antimony no.impurityone.d|two.d|auto x.locat= cylindricalinfile= str

52、ucture|intensityspace.mult= interval.r= line.data scale= flip.ydepth.str= width.str=其中，material表示所選用的初始材料，即使用何種材料為襯底材料。在silvaco中提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)材料，同時(shí)也為用戶(hù)提供了自定義材料的方法。在下節(jié)中將有所介紹。orientation=表示襯底材料的晶格取向，如硅材料有（111）、（110）、（100）等不同的晶格取向。rot.sub=定義了主要的晶面，以角度為參數(shù)，僅使用在bca 離子注入模型中。通常默認(rèn)為rot.sub=-45。c.fraction=定義化合物半導(dǎo)體中各

53、成分的比例c.impurities=定義襯底中雜質(zhì)的種類(lèi)和濃度，所定義濃度均勻分布在襯底中。resistivity=定義材料的初始襯底的電阻率，當(dāng)定義電阻率以后材料的雜質(zhì)濃度的定義將被忽略。當(dāng)使用resistivity參數(shù)后，可以使用boron|phosphorus|arsenic|antimony來(lái)定義材料的摻雜類(lèi)型。no.impurity表示在仿真過(guò)程中不計(jì)算雜質(zhì)。one.d|two.d|auto表示采用一維、二維，當(dāng)默認(rèn)的時(shí)候采用auto設(shè)置。space.mult=表示對(duì)line語(yǔ)句中的space參數(shù)進(jìn)行加倍運(yùn)算。下例為line語(yǔ)句實(shí)例下增加上initialize語(yǔ)句：go athenaline x loc=0.00 spac=0.10line x loc=10.00 spac=0.10line y loc=0.00 spac=0.03line y loc=0.30 spac=0.02line y loc=0.60 spac=0.04line y loc=1.00 spac=0.05init silicon c.phosphor=1.0e14 orientation