Silvaco工藝及器件仿真1（精編版）

1、§ 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(lái)進(jìn)行工藝仿真以及 atlas來(lái)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(gè)典型的mosfet 輸入文件所需的基本操作。包括：a. 創(chuàng)建一個(gè)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(gè)初始結(jié)構(gòu)1 定義初始直角網(wǎng)格a. 輸入

2、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(huì)出現(xiàn)。如圖 4.1 所示，點(diǎn)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(yǔ)句go athena ；圖 4.2以“go athena ”開(kāi)始接下來(lái)要明確網(wǎng)格。網(wǎng)格中的結(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)仿真的精確度和所需時(shí)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

3、define 菜單項(xiàng)， 如圖 4.3 所示。下面將以 在 0.6 m× 0.8 m 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 0.6 m× 0.8 m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(diǎn)擊 location （位置）欄并輸入值 0；點(diǎn)擊 spacing（間隔）欄并輸入值0.1；b. 在 comment （注釋?zhuān)?，鍵入“ non-uniform grid(0.6um x 0.8um) ”,如圖 4.4 所示；c. 點(diǎn)擊 insert 鍵，參數(shù)將會(huì)出現(xiàn)在滾動(dòng)條菜

4、單中；圖 4.4定義網(wǎng)格參數(shù)圖4.5點(diǎn)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(gè)非常精密的網(wǎng)格，用作為 nmos 晶體管的有源區(qū)；e. 接下來(lái)，我們繼續(xù)在 y 軸上建立網(wǎng)格。在 direction 欄中選擇 y；點(diǎn)擊 location 欄并輸入值 0。然后，點(diǎn)擊 spacing 欄并輸入值 0.008；f. 在網(wǎng)格定義窗口中點(diǎn)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

5、 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(huì)顯示 view grid 窗口。h. 最后，點(diǎn)擊菜單上的write 鍵從而在文本窗口中寫(xiě)入網(wǎng)格定義的信息。如圖4.7。圖 4.7對(duì)產(chǎn)生非均勻網(wǎng)格的行說(shuō)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(yǔ)句只是為athena仿真結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)直角網(wǎng)格系的基礎(chǔ)。接下來(lái)需要對(duì)襯底區(qū)進(jìn)行初始化。對(duì)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(xiàng)。athena網(wǎng)格初始化菜單將會(huì)彈出。在缺省狀態(tài)下，<100>

6、晶向的硅被選作材料；b. 點(diǎn)擊 boron 雜質(zhì)板上的 boron 鍵，這樣硼就成為了背景雜質(zhì)；c. 對(duì)于 concentration 欄， 通過(guò)滾動(dòng)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 1.0 ×1014 原子數(shù) /cm3；（也可以通過(guò)以 ohm·cm為單位的電阻系數(shù)來(lái)確定背景濃度。 ）d. 對(duì)于 dimensionality 一欄，選擇 2d。即表示在二維情況下進(jìn)行仿真；e. 對(duì)于 comment 欄，輸入 “ initial silicon structure with <100> orient

7、ationf. 點(diǎn)擊 write 鍵以寫(xiě)入網(wǎng)格初始化的有關(guān)信息。，如圖 4.8；”圖 4.8通過(guò)網(wǎng)格初始化菜單定義初始的襯底參數(shù)4.1.4 運(yùn)行athena并且繪圖現(xiàn)在，我們可以運(yùn)行 athena 以獲得初始的結(jié)構(gòu)。點(diǎn)擊 deckbuild 控制欄里的 run 鍵。輸出將會(huì)出現(xiàn)在仿真器子窗口中。語(yǔ)句 struct outfile=.history01.str 是 deckbuild 通過(guò)歷史記錄功能自動(dòng)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(diǎn)擊”tools 菜單項(xiàng)，并依次選擇plot 和 plot structure， 如圖 4

8、.9 所示；在一個(gè)短暫的延遲之后，將會(huì)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(xiàng)， 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(diǎn)擊 apply 。將出現(xiàn)初始的三角型網(wǎng)格，如圖 4.11 所示?，F(xiàn)在，之前的init 語(yǔ)句創(chuàng)建了一個(gè)0.6 m×0.8 大m小的、雜質(zhì)硼濃度為1.0 ×1014 原子數(shù)/cm 3、摻雜均勻的 <100> 晶向的硅片。 這個(gè)仿真結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以進(jìn)行任何工藝處理

9、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(lái)，我們通過(guò)干氧氧化在硅表面生成柵極氧化層，條件是 1 個(gè)大氣壓， 950°c， 3%hcl,11 分鐘。為了完成這個(gè)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(huì)出現(xiàn)。a. 在 diffuse 菜單中，將time（ minutes）從 30 改成 11， tempreture（ c）從 1000 改成 950。

10、 constant 溫度默認(rèn)選中（見(jiàn)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(xiàng)；分別檢查gas pressure 和 hcl 欄。將 hcl 改成 3%；在 comment 欄里輸入 “gate oxidation 并”點(diǎn)擊 write 鍵；c. 有關(guān)柵極氧化的數(shù)據(jù)信息將會(huì)被寫(xiě)入deckbuild文本窗口， 其中 diffuse 語(yǔ)句被用來(lái)實(shí)現(xiàn)柵極氧化；d. 點(diǎn)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(gè)歷史文件“.history02.str 將會(huì)”生成；選

11、中文件“.history02.str ，然”后點(diǎn)擊tools 菜單項(xiàng)， 并依次選擇plot和 plotstructure，將結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)；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(gè)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(guò) deckbuild中的 extract 程序來(lái)確定在氧化處理過(guò)程中生成的氧化層的厚度。a.在 commands 菜單點(diǎn)擊extract，出現(xiàn)athenaextract 菜單； extract 欄默認(rèn)為material thickness ；在 name 一欄輸入 “ gateoxide；對(duì)”于 material 一欄，點(diǎn)擊material，并選擇 sio2 ；在 extract location 這一欄，點(diǎn)擊x ，并輸入值0.3；b.點(diǎn)擊 write 鍵， extract 語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中；在這個(gè) extract 語(yǔ)句中，mat.occno=1 為說(shuō)明層數(shù)的參數(shù)。 由于這里只有一個(gè)二氧化硅層，所以這個(gè)參數(shù)是可選的。然而當(dāng)存在有多個(gè)二氧化硅層時(shí)，則必須指定出所定義的層；c.點(diǎn)擊 deckbuild控制欄上的cont 鍵，繼續(xù)進(jìn)行athena仿真仿真。 extract 語(yǔ)句