畢業(yè)論文Silvaco TCAD基CMOS器件仿真

1、青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目： Silvaco TCAD基CMOS器件仿真 學(xué) 院： 物理科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 2014年 5 月 16 日37青 島 大 學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書 院 系: 物理科學(xué)學(xué)院 專 業(yè): 微電子學(xué) 班 級(jí): 學(xué)生姓名: 同組學(xué)生: 無(wú) 指導(dǎo)教師: 下發(fā)日期: 2014 年 3 月 15 日MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與性能模擬研究摘要：本文主要介紹了N溝道增強(qiáng)型MOSFET的發(fā)展歷程、基本結(jié)構(gòu)和工作原理，定性的分析了導(dǎo)電溝道的形成過(guò)程和本質(zhì)；簡(jiǎn)單介紹了silvaco TCAD的發(fā)展；以NMOS為例，描述了軟件的主要組件、原理

2、、仿真過(guò)程及仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)器件的特性的TCAD仿真，使我們深化了對(duì)器件在工藝和特性方面的物理研究。silvaco TCAD仿真軟件可以有效縮短IC工藝和器件的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，體現(xiàn)出了TCAD對(duì)半導(dǎo)體器件的開發(fā)與優(yōu)化具有重要的作用。關(guān)鍵詞: MOSFET TCAD 工藝仿真 器件仿真 Abstract: This paper mainly introduces the development history, basic structure and working principle of N channel enhancement MOSFET. A qualitative anal

3、ysis of the forming process and the nature of the conducting channel are pointed out. It introduces the development of SILVACO TCAD and, taking NMOS as an example, describes the main components, the principle of the software, the simulation process and simulation results. Through the simulation on d

4、evice characteristics, and we deepen the physical study of process and properties of the devices. SILVACO TCAD simulation software can shorten the development cycle of IC process and device effectively, reduce the cost of development. TCAD plays an important role in development and optimization on s

5、emiconductor device.Keywords: MOSFET TCAD process simulation device simulation目錄1 引言11.1 MOSFET的發(fā)展11.2 TCAD的發(fā)展32 MOSFET的基本構(gòu)造及工作原理42.1 MOSFET的基本原理及構(gòu)造42.2 MOSFET的基本工作原理52.3 MOSFET的特性93 TCAD工具的構(gòu)成、仿真原理、仿真流程及仿真結(jié)果113.1 TCAD工具的結(jié)構(gòu)與仿真原理113.2 用TCAD工具仿真NMOS的步驟113.3 TCAD工具的仿真結(jié)果154 結(jié)論16謝辭17參考文獻(xiàn)19附錄21正文：1 引言在當(dāng)今時(shí)代

6、，集成電路發(fā)展十分迅猛，其工藝的發(fā)雜度不斷提高，開發(fā)新工藝面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的開發(fā)新工藝的方法是工藝試驗(yàn)，而現(xiàn)在隨著工藝開發(fā)的工序細(xì)化，流片周期變長(zhǎng)，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的需要，這就需要尋找新的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。幸運(yùn)的是隨著計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們結(jié)合所學(xué)半導(dǎo)體理論與數(shù)值模擬技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行工藝與器件性能的仿真?，F(xiàn)如今仿真技術(shù)在工藝開發(fā)中已經(jīng)取代了工藝試驗(yàn)的地位。采用TCAD仿真方式來(lái)完成新工藝新技術(shù)的開發(fā)，突破了標(biāo)準(zhǔn)工藝的限制，能夠模擬尋找最合適的工藝來(lái)完成自己產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。此外，TCAD仿真能夠?qū)ζ骷鞣N性能之間存在的矛盾進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)以最小的

7、代價(jià)設(shè)計(jì)出性能符合要求的半導(dǎo)體器件。進(jìn)行新工藝的開發(fā)，需要設(shè)計(jì)很多方面的內(nèi)容，如：進(jìn)行器件性能與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、對(duì)器件進(jìn)行模型化、設(shè)計(jì)進(jìn)行的工藝流程、提取器件模型的參數(shù)、制定設(shè)計(jì)規(guī)則等等。為了設(shè)計(jì)出質(zhì)量高且價(jià)格低廉的工藝模塊，要有一個(gè)整體的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以它為出發(fā)點(diǎn)將工藝開發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行聯(lián)系，本著簡(jiǎn)單易造的準(zhǔn)則，系統(tǒng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化。TCAD支持器件設(shè)計(jì)、器件模型化和工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)思想可以實(shí)現(xiàn)全面的驗(yàn)證。TCAD設(shè)計(jì)開發(fā)模擬是在虛擬環(huán)境下進(jìn)行的，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，是一條高效低成本的進(jìn)行新工藝研究開發(fā)的途徑。TCAD軟件擁有FAB虛擬系統(tǒng)，借助它可以完成器件的設(shè)計(jì)、器件模型的

8、參數(shù)提取和其他各個(gè)工藝開發(fā)的步驟。TCAD的應(yīng)用使得開發(fā)新工藝不用受到冗長(zhǎng)的工藝制造周期和資金投入的限制，開發(fā)條件簡(jiǎn)單快捷，使得無(wú)生產(chǎn)線的公司也有機(jī)會(huì)參與到工藝開發(fā)中來(lái)，根據(jù)特定特點(diǎn)為自己的產(chǎn)品進(jìn)行量身定做特定的工藝。在實(shí)際生產(chǎn)中，TCAD還可用來(lái)進(jìn)行工藝監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)工藝過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提高產(chǎn)品的成品率。1.1 MOSFET的發(fā)展自從晶體管發(fā)明以來(lái)，電子器件與社會(huì)得到了迅猛的發(fā)展。1906年，德福·雷斯特（Lee de Forest）發(fā)明了真空三極管，并把專利賣給了AT&T，使其業(yè)務(wù)有了大幅度的提升，他被譽(yù)為真空三極管之父。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，真空三極管對(duì)信號(hào)放大的可靠性

9、差、能量消耗和熱量產(chǎn)生多等缺點(diǎn)暴露了出來(lái)，真空三極管已經(jīng)不能滿足人們的需要。1930年，默文·凱利（Mervin Kelly）作為貝爾實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)者清楚的知道，要支撐AT&T的業(yè)務(wù)，就必須研發(fā)一種新的器件，一種依賴于半導(dǎo)體材料的器件。1939年2月，拉塞爾·歐勒（Russell Ohl）拿一個(gè)帶有縫隙的硅晶來(lái)研究有多大的電流可以通過(guò)縫隙，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)縫隙只允許電流單向?qū)?，另外方向電流幾乎為零，在?dǎo)電縫隙的地方還能夠發(fā)光。正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了對(duì)半導(dǎo)體器件至關(guān)重要的PN結(jié)。1942年，西摩爾·本澤（Seymour Benzer）發(fā)現(xiàn)鍺單晶具有其他半導(dǎo)體所不具備的

10、非常好的整流特性。1945年，二戰(zhàn)結(jié)束后，默文·凱利任命威廉·肖克利（William Shockley）與斯坦利·摩根（Stanley Morgan）共同領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)固體物理研究組，主要任務(wù)是研制一種新的電子器件用來(lái)取代真空三極管。當(dāng)時(shí)，高純的鍺單晶引起了普遍的關(guān)注，肖克利也將注意力投向了鍺單晶，同時(shí)提醒大家關(guān)注。他提出了一種新概念的器件，即利用一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)使半導(dǎo)體表面產(chǎn)生一種電流，通過(guò)控制電場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體表面電流大小的器件，也就是現(xiàn)在的場(chǎng)效應(yīng)器件。1947年圣誕節(jié)前夕，肖克利演示了一個(gè)命名為“晶體管（transistor）”的小原型器件給貝爾實(shí)驗(yàn)室的幾個(gè)同僚，,

11、他將一個(gè)n型鍺單晶放置在金屬板上，在單晶上形成一個(gè)P反型層，將一個(gè)塑料楔子放在反型層上，用金箔包住楔子并切開連接處并固定，以確保金箔間的縫隙非常的小。點(diǎn)接觸晶體管的發(fā)明在人類微電子行業(yè)具有無(wú)比重大的意義，它由肖克利發(fā)明，并獲得了第一個(gè)晶體管專利。但是肖克利制造的晶體管有很多缺點(diǎn)，比如它的噪聲很大，晶體管的電極搖擺不定，制作的時(shí)候沒(méi)有重復(fù)性可言。在1948年，肖克利找到了一種全新的方法用來(lái)解決這些問(wèn)題，他將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體堆疊在一起，形成一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，這個(gè)三層結(jié)構(gòu)沒(méi)兩個(gè)同型半導(dǎo)體中間會(huì)夾雜著另一種半導(dǎo)體，這就形成了npn型和pnp型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，在兩個(gè)的半導(dǎo)體可以

12、提供豐富的半導(dǎo)體，中間的半導(dǎo)體則含有很稀少的載流子，成為耗盡層，只要能夠控制中間層載流子的數(shù)量，就能夠控制期間的開關(guān)，起到真空管的作用。這種器件電流不在是只流過(guò)表面，而是流過(guò)器件本體。這對(duì)于點(diǎn)接觸式晶體管來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的進(jìn)步。于是肖克利命令課題組的理查德·海恩斯（Richard Haynes）、約瑟夫·貝克爾和約翰·夏夫（John Shive）根據(jù)這個(gè)理論做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)晶體光中間的半導(dǎo)體層非常薄而且非常純時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論驚人的一致。當(dāng)時(shí)在晶體方面有很深研究的戈登深信，理想的晶體管不可能是由很多晶體組成，只能是用一個(gè)單晶體來(lái)制作，否則的話晶界會(huì)產(chǎn)生散射電流。195

13、0年4月，蒂爾和摩根·斯帕克斯證明了這個(gè)理論，他們?cè)趩蝹€(gè)的鍺晶體上制作了一個(gè)雙極型晶體管，這種晶體管具有將信號(hào)放大的功能。1951年，斯帕克斯想到減小雙極晶體管的中心夾層的厚度可能會(huì)提過(guò)晶體管性能，事實(shí)證明他成功了。1952年肖克利根據(jù)雙極結(jié)型晶體管的理論提出了單極結(jié)型晶體管，這就是現(xiàn)在我們接觸的結(jié)型晶體管。由于鍺在高溫下不能工作，蒂爾在進(jìn)入德州儀器公司后一直想解決這個(gè)問(wèn)題，只有征服這個(gè)問(wèn)題才能給晶體管性能進(jìn)一步提升的空間，否則的話器件工作一段時(shí)間后就必須休息，這是很影響效率和可靠性的。終于在1954年蒂爾發(fā)明了硅晶體管，硅耐溫高，能夠在較高的溫度下穩(wěn)定工作，這一發(fā)明為晶體管的研究帶

14、來(lái)了希望。肖克利在1945年就曾經(jīng)提出過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的概念，即可以加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)來(lái)起到控制半導(dǎo)體表面的電流的作用，由于當(dāng)時(shí)普遍使用的是雙極型晶體管，他這個(gè)想法從來(lái)沒(méi)有付諸行動(dòng)，也就是說(shuō)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件從來(lái)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)制造過(guò)。而在肖克利離開貝爾實(shí)驗(yàn)室之后，貝爾實(shí)驗(yàn)室才開始著手做出了第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1959年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家馬丁·阿塔拉發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，通過(guò)熱氧化硅表面通過(guò)熱氧化可以形成一層很好的二氧化硅氧化層。1960年，阿塔拉和實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家大原研究了肖克利的的成效應(yīng)管的概念。他們?cè)诠枭现圃炝耸澜缟系谝粋€(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而且在參加匹茲堡固體物理器件研究會(huì)時(shí)宣布了這一消息。1961年，美

15、國(guó)無(wú)線電公司保羅·魏瑪通研究組過(guò)研究阿塔拉場(chǎng)效應(yīng)管提出了他們對(duì)于開發(fā)薄膜晶體管的看法。他們發(fā)現(xiàn)，如果將半導(dǎo)體材料蒸鍍到絕緣層上來(lái)制造晶體管這個(gè)想法是能行得通的。這項(xiàng)技術(shù)給集成電路的發(fā)展帶來(lái)了生機(jī)，它可以使工程師在手指甲蓋大小的基片上構(gòu)筑上千個(gè)晶體管，并互聯(lián)起來(lái)形成特定功能。這項(xiàng)重要的發(fā)明促使美國(guó)無(wú)線電公司發(fā)明了另一樣為集成電路貢獻(xiàn)巨大的器件：金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，即MOS管。1962年美國(guó)無(wú)線電公司托馬斯·斯坦利、弗雷德里克·海鰻和史蒂芬·霍夫斯坦等人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)擴(kuò)散和熱氧化在硅基板上形成導(dǎo)電帶，氧化層，高阻溝道區(qū)來(lái)構(gòu)筑晶體管，即MOS管可以形成良好性能

16、的管子。MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）問(wèn)世于20世紀(jì)70年代，是由金屬、氧化物以及半導(dǎo)體三種材料制成的器件，是目前應(yīng)用最廣泛的電子器件之一。盡管雙極性晶體管在早期半導(dǎo)體集成電子學(xué)中處于絕對(duì)統(tǒng)治地位，但在如今的大多數(shù)應(yīng)用中，它已逐步被由Si材料制成的MOSFET所取代。與BJT相比，各種MOSFET在反偏結(jié)上、在肖特基勢(shì)壘上或者絕緣層兩端都施加有控制電壓，因此，其輸入阻抗更高。其次，MOSFET特別適合用作可控開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通態(tài)和關(guān)斷態(tài)的切換，這對(duì)數(shù)字電路非常有用。最后，MOSFET占用區(qū)域小、集成度高、功率低、

17、制作工藝簡(jiǎn)單，非常適合于制造高密度大規(guī)模集成電路，MOSFET的發(fā)明對(duì)電子行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)不可估量。1.2 Silvaco TCAD的發(fā)展及應(yīng)用TCAD全稱集成電路工藝和器件的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，是IC設(shè)計(jì)工藝和器件特性快速模擬分析的中要工具， 通過(guò)TCAD設(shè)計(jì)和開發(fā)半導(dǎo)體器件能夠縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，還能夠得到工藝試驗(yàn)無(wú)法得到的信息。而Silvaco TCAD是如今EDA業(yè)界的杰出代表。Silvaco 中文名稱是矽谷科技有限公司，是有硅（Sil）谷(va)公司(co)英文單詞的縮寫。矽谷科技有限公司總部在美國(guó)的加州的圣克拉拉市，公司在美國(guó)特拉華州注冊(cè)。該公司專門給那些模擬混合信號(hào)和RF集成電

18、路仿真設(shè)計(jì)來(lái)提供計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。SILVACOTCAD軟件領(lǐng)先于很多其他公司的設(shè)計(jì)軟件，讓其他供應(yīng)商難以望其項(xiàng)背。該公司旨在能夠提供最優(yōu)的完整的設(shè)計(jì)工具流程，專業(yè)的服務(wù)和專家的支持。1984年最初為SILVACO 數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司（SILVACO Data Systems），由Ivan Pesic博士于1984年創(chuàng)立。UTMOST是由它推出的首個(gè)產(chǎn)品，該產(chǎn)品成功的迅速的成為業(yè)界用于參數(shù)提取、器件特性表征和建模的工具的標(biāo)準(zhǔn)。1985年，SILVACO公司推出的SmartSpice系列的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)努力成功的進(jìn)入SPICE電路模擬仿真市場(chǎng)。1987年，公司以新的面貌進(jìn)入TCAD市場(chǎng)。憑借其杰出的工藝仿真工

19、具ATHENA和器件仿真工具ATLAS，公司至1992年成為市場(chǎng)上主要TCAD供應(yīng)商。1997年，公司再次開發(fā)新的領(lǐng)域：模擬IC CAD市場(chǎng)，其開發(fā)的EDA工具被廣泛的用于原理圖捕捉，版圖的設(shè)計(jì)和DRC、LVS和LPE等驗(yàn)證。2004年 SILVACO將其EDA產(chǎn)品線分離出來(lái)，成立了獨(dú)立于SILVACO的Simucad設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司（Simucad Design Automation），這使得SILVACO全身心的投入到 TCAD的研發(fā)中，為后來(lái)一直保持其世界領(lǐng)先地位打下基礎(chǔ)。在2009年，SILVACO數(shù)據(jù)庫(kù)公司與Simucad設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司合并，Simucad設(shè)計(jì)公司更名為矽谷科技有限公司

20、。Silvaco公司在美國(guó)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，現(xiàn)在已成為眾多EDA公司中很有權(quán)威的一個(gè)。它涉及的領(lǐng)域很多，如：TCAD工藝器件模擬，高速的精確電路仿真、Spice參數(shù)提取、全定制IC設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等。Silvaco公司涉及很多行業(yè)，如芯片廠、晶圓廠、IC材料業(yè)者、ASIC業(yè)者、IC設(shè)計(jì)企業(yè)、大學(xué)和研究中心等，在國(guó)內(nèi)外擁有龐大的客戶群體。Silvaco發(fā)展迅猛，至今已在全球設(shè)立有12間分公司。Silvaco公司能夠提供給Foundry完整的解決方案和IC軟件，這是市場(chǎng)上其他供應(yīng)商無(wú)可比擬的。Silvaco能夠提供TCAD，Modelling和EDA前端和后端的支持，還能給IC設(shè)計(jì)師們提供完整的Ana

21、log Design Flow。Silvaco的產(chǎn)品SmartSpice十分出色，是公認(rèn)的模擬軟件的標(biāo)桿，它支持多集成CPU，其仿真速度比同類型軟件要好很多，且其收斂性也被公認(rèn)為是眾多仿真器最好的，受國(guó)內(nèi)外模擬設(shè)計(jì)師的喜愛(ài)。Silvaco公司還開發(fā)了版圖設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證工具等，與很多世界知名企業(yè)有pdk合作。Silvaco公司是能夠提供建模、TCAD、模擬團(tuán)建以及PDK方案等全功能的EDA公司在2006年正式進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，他在國(guó)外擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)，希望在中國(guó)尋求一片發(fā)展的天地，為中國(guó)市場(chǎng)解決Foundry的問(wèn)題。2 MOSFET的構(gòu)造及其基本工作原理2.1 MOSFET的基本構(gòu)造金屬氧化物半導(dǎo)體

22、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)簡(jiǎn)稱MOSFET。它的核心結(jié)構(gòu)是絕緣體、導(dǎo)體、摻雜的半導(dǎo)體襯底這三種材料疊在一起組成的。 MOS的基本結(jié)構(gòu)MOS晶體管包括 源極（source）、柵極（gate）、漏極（drain），工作時(shí)會(huì)在柵極下面的半導(dǎo)體表面感應(yīng)出與原摻雜相反類型的載流子，形成導(dǎo)電溝道，根據(jù)導(dǎo)電溝道載流子類型將MOS管分為NMOS和PMOS，稱溝道載流子為電子的管子為N管，溝道載流子為空穴的管子為P管。根據(jù)柵壓為0時(shí)的管子的狀態(tài)又可以分為增強(qiáng)型MOS管和耗盡型MOS管。增強(qiáng)型在外加電壓為0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，管子

23、截止;耗盡型剛好相反，無(wú)柵壓狀態(tài)下有導(dǎo)電溝道，管子導(dǎo)通，當(dāng)給一定的電壓條件管子將截止。下面以N管為例具體分析一下MOS管的結(jié)構(gòu)。對(duì)于NMOS，它包括有兩個(gè)n型硅區(qū)域中間夾著一個(gè)p型硅區(qū)域，P型硅區(qū)域之上覆蓋了一個(gè)SiO2絕緣層和一個(gè)多晶硅形成的柵極結(jié)構(gòu)。兩個(gè)N型硅的擴(kuò)散區(qū)通過(guò)姆接觸與金屬導(dǎo)體相連，形成源極和漏極。由于MOS結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以源極區(qū)和漏極區(qū)沒(méi)有物理上的差別。在MOS結(jié)構(gòu)中，柵極為控制電極，它通過(guò)控制溝道中載流子濃度和溝道寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制源極漏極之間溝道中的電流的大小。早期的柵極的材料采用的是鋁電極，然而由于采用鋁電極座位柵極存在掩膜對(duì)準(zhǔn)困難、柵極減小受限的問(wèn)題，現(xiàn)在多采用多晶硅作為

24、柵極導(dǎo)電材料。非摻雜的多晶硅實(shí)際上是絕緣體，通過(guò)摻雜，其電阻率可在很大的范圍內(nèi)變化，這也使得自對(duì)準(zhǔn)工藝得以實(shí)現(xiàn)。工藝上實(shí)現(xiàn)源極、柵極、漏極等電極位置的自對(duì)準(zhǔn)，消除了柵源漏之間的套疊，使得MOS管有較好的點(diǎn)穴性能。內(nèi)部工藝完成后，開出接觸孔，將柵源漏與外電路連接，實(shí)現(xiàn)它相應(yīng)的功能。2.2 MOSFET的基本工作原理以增強(qiáng)型NMOS為例。 場(chǎng)效應(yīng)管是場(chǎng)控器件，通過(guò)電場(chǎng)的強(qiáng)弱控制電流的大小，柵極電壓uGS作為整個(gè)器件的開關(guān)，起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)uGS為0時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，源漏相當(dāng)于是兩個(gè)背對(duì)背的二極管。源漏電流IDS幾乎為零，管子截止，電流相當(dāng)于二極管的反向電流。當(dāng)大柵極電壓增大時(shí)，襯底接地為

25、零電位，柵-襯底之間會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度隨uGS的增大而增加。柵極下方的少數(shù)載流子電子在電場(chǎng)作用下向上表面聚集。當(dāng)uGS增大到一定程度，柵極下面會(huì)形成耗盡層。繼續(xù)升高柵極電壓，更多電子在溝道區(qū)聚集，最終形成反型層，產(chǎn)生以電子為載流子的導(dǎo)電溝道。而形成強(qiáng)反型的最小的電壓就叫做閾值電壓或開啟電壓。這時(shí)候去過(guò)在源漏之間加一個(gè)電位差，將有電流通過(guò)，即IDS。很容易看出，柵極電壓越高，溝道內(nèi)電子濃度也越高，導(dǎo)電效果就越好。2.3 MOSFET的特性當(dāng)較小時(shí)，柵極下面自由電子很少，其濃度取決于工藝制造是的摻雜濃度，少量的自由電子從源區(qū)向漏區(qū)流動(dòng)就形成了漏極電流。當(dāng)我們繼續(xù)增大，柵極下面電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)

26、少數(shù)載流子電子的吸引能力增強(qiáng)，越來(lái)越多的自由電子會(huì)被吸引到柵極下方的溝道區(qū)，溝道的寬度增大，載流子濃度增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，溝道電阻減小。溝道電導(dǎo)與成正比，于是漏極電流與成正比，被稱為有效柵-源電壓。在未夾斷前，與成正比。當(dāng)較小時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象， N溝道增強(qiáng)型MOSFET的導(dǎo)電溝道可等效為一個(gè)線性電阻，其等效電阻阻值大小受控制。由于等于漏極電壓減去源極電壓，相當(dāng)于沿源區(qū)到漏區(qū)導(dǎo)電溝道兩端的壓降，若假設(shè)源區(qū)為零電位，則漏區(qū)電位為uDS，電壓由0V增大到。因此以柵極為參考點(diǎn)，溝道中各點(diǎn)的電位相當(dāng)于由源端的到漏端 的，因此，溝道中載流子濃度和溝道的深度取決于電壓。 當(dāng)是大于開啟電壓的一個(gè)確定值時(shí)

27、，在漏-源之間加正向電壓，將有溝道電流IDS產(chǎn)生。當(dāng)源漏電壓較小時(shí)，源漏電流隨增大而線性增大，溝道寬度從源極到漏極逐漸變?。蝗衾^續(xù)增大到使 時(shí)，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，我們稱為預(yù)夾斷；若繼續(xù)增大，夾斷區(qū)將隨源漏電壓的增大而隨之延長(zhǎng)，增大的源漏電流全部用來(lái)克服夾斷區(qū)對(duì)電子流動(dòng)的阻力。此后，管子進(jìn)入恒流區(qū)，幾乎不因的增大而變化，漏極電流幾乎僅決定于。如圖，可清楚的看出飽和區(qū)iD與uGS的關(guān)系：3 用TCAD工具對(duì)MOSFET進(jìn)行仿真的原理、步驟及結(jié)果 3.1 TCAD工具的結(jié)構(gòu)及仿真原理Silvaco TCAD 由許多組件和內(nèi)部模塊構(gòu)成其強(qiáng)大的功能。其中包括交互式工具deckbuild和tony

28、plot，工藝仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS和器件編輯器DevEdit。在下面的內(nèi)容，我們將詳細(xì)介紹一下各個(gè)組件的結(jié)構(gòu)和原理：3.1.1 DeckBuild所有仿真組件的工作全部基于deckbuild界面，通過(guò)deckbuild調(diào)用之后啟動(dòng)組件才可進(jìn)行各個(gè)步驟的仿真。例如，我們首先由ATHENA或DECKBUILD生成器件結(jié)構(gòu)模型，包括器件尺寸、結(jié)構(gòu)、注入情況、淀積刻蝕等各個(gè)信息都包括在器件模型中；再由ATLAS對(duì)器件特性進(jìn)行仿真，測(cè)得想要測(cè)的器件的特性，最后把結(jié)果用Tonyplot2D或3D進(jìn)行顯示輸出。DeckBuild 有很過(guò)特性功能，如下：輸入并編輯仿真文件查看和控制仿真

29、輸出自動(dòng)切換仿真器件優(yōu)化工藝，快速獲得仿真參數(shù)抽取仿真特性提供對(duì)結(jié)構(gòu)的圖像輸出提取器件仿真的結(jié)果中SPICE模型的參數(shù)下面是各個(gè)仿真組件通過(guò)DeckBuild 環(huán)境相互聯(lián)系組織的仿真流程3.1.2 TonyplotTonyPlot功能非常強(qiáng)大，由TCAD仿真生成的一二維結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)TonyPlot顯示出來(lái)。另外，TonyPlot還具有標(biāo)簽，縮放，平移等可視化特性。TonyPlot除了可以顯示器件的一維、二維、三維結(jié)構(gòu)，還可以顯示器件的幾何、材料、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等信息。Tonyplot除了可以將仿真結(jié)果導(dǎo)出為圖片形式外，也可將器件結(jié)構(gòu)中的信息直接導(dǎo)出，讓用戶可以更清楚的獲得和處理仿真數(shù)據(jù)。此

30、外，為了方便形象的觀察個(gè)工藝效果，Tonyplot還可將工藝的圖像結(jié)果制作成動(dòng)畫形式供用戶觀看。像矢量流的標(biāo)記動(dòng)畫、日志文件 或全定制TCAD 專用色彩樣式、一維數(shù)據(jù)文件的整合、二維結(jié)構(gòu)中的一維切割線、以及HP4154仿真等功能也可由TCAD可視化工具Tonyplot提供。 特征:TonyPlot為了TCAD的可視化功能而專門開發(fā)的圖形分析工具，并且是通用的圖形顯示工具，它可用于工藝和器件設(shè)計(jì)的快速原型制作與開發(fā)，幾乎可用于所有SILVACO TCAD 產(chǎn)品。它的繪圖引擎支持所有一維和二維數(shù)據(jù)的檢視，并可導(dǎo)出多種可用于報(bào)告或第三方工具的通用格式數(shù)據(jù)， 包括jpg、png、bmp、Spice R

31、aw File 和 CSV等，并且可以輸出多數(shù)型號(hào)打印機(jī)都支持的圖形格式。 TonyPlot具有靈活的標(biāo)簽功能，可通過(guò)此功能對(duì)圖形進(jìn)行注釋，為報(bào)告和演示建立明晰圖表。TonyPlot擁有探測(cè)器、標(biāo)尺及其他測(cè)量工具，可對(duì)得出的一維和二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡測(cè)量和分析。TonyPlot能夠很容易地進(jìn)行多個(gè)圖表之間的比較，能夠顯示電結(jié)果是如何由工藝條件影響的。TonyPlot擁有電影模式動(dòng)態(tài)化的序列圖形，這可以為用戶提供靜態(tài)圖像所無(wú)法提供的器件信息，其帶有的切割線工具可以在二維結(jié)構(gòu)中切割出一維的線段。TonyPlot可定義復(fù)雜的函數(shù)和宏命令，使之可以像普通一維量一樣被查看。它的一大特色是虛擬晶圓制造系統(tǒng)與生

32、產(chǎn)模式聯(lián)合起來(lái)一起使用，能夠提供精確地成品率分析和有效地校準(zhǔn)工具。3.1.3 ATHENAATHENA是由SUPREM-IV發(fā)展而來(lái)的，后者是世界著名的斯坦福大學(xué)開發(fā)的仿真器。ATHENA具有很多的新穎的功能，用于半導(dǎo)體器件的仿真處理，囊括了各個(gè)器件制造的工藝，如：擴(kuò)散、氧化、離子注入、刻蝕、淀積、光刻、應(yīng)力成型和硅化等。ATHENA是一個(gè)方便的平臺(tái)，它易于使用，模塊化可擴(kuò)展，能夠幫助開發(fā)和優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝。它能夠?qū)λ械钠骷a(chǎn)工藝流程進(jìn)行精確地模擬，仿真能夠得到各種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，并能預(yù)測(cè)器件結(jié)構(gòu)中的幾乎參數(shù)，應(yīng)力和摻雜劑量分布。我們可以通過(guò)ATHENA設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)，使得速度、擊穿、產(chǎn)

33、量、泄露電流和可靠性之間達(dá)到最佳結(jié)合。ATHENA能夠迅速的模擬各種器件加工工藝中的各個(gè)步驟，精確預(yù)測(cè)多層拓?fù)洌?攙雜分布、以及多種器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力高級(jí)仿真環(huán)境允許：3.1.4 ATLASATLAS是一種器件仿真系統(tǒng)，它可以模擬半導(dǎo)體器件的光電熱等的行為特性，它提供一個(gè)簡(jiǎn)潔方便可擴(kuò)展的模塊化平臺(tái)，該平臺(tái)基于物理原理，可分析二維三維半導(dǎo)體直流交流的時(shí)域相應(yīng)。高效穩(wěn)定的多線程算法在并行機(jī)器上運(yùn)行，不僅保持了運(yùn)算精度，還大大減少了仿真的時(shí)間。主要特征：ATLAS不需要高昂的試驗(yàn)費(fèi)用投入，只需要一臺(tái)電腦就可以精確地進(jìn)行物理器件的電光熱特性的仿真。當(dāng)工藝變動(dòng)時(shí)，能夠迅速的改變模擬數(shù)據(jù)以適應(yīng)新的工藝，提高了

34、成品率，優(yōu)化了速度功率，漏電可靠性等。ATLAS與ATHENA工藝仿真完美銜接，以其完善的可視化工具，數(shù)量巨大的例子庫(kù)和簡(jiǎn)單的器件語(yǔ)法而成名。能夠通過(guò)ATLAS直接將仿真結(jié)果導(dǎo)入到UTMOST，以便提取各種器件參數(shù)，方便將TCAD連接到流片系統(tǒng)。此外，它還支持多核多處理器SMP機(jī)器的并行處理。ATLAS的主要模塊：二維硅器件模擬器、三維硅器件模擬器、高級(jí)材料的二維三維模擬器、VCSELS模擬器、半導(dǎo)體激光二極管模擬器、光電子器件默契、鐵電場(chǎng)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)常數(shù)模擬器、半導(dǎo)體噪聲模擬模塊、二維三維量子顯示響應(yīng)模擬模塊、MixerMode、二維三維飛等溫器件模擬模塊、和ATLAS C解釋器模塊等。3.1

35、.2 TCAD工具的仿真原理Silvaco TCAD軟件是用來(lái)模擬半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能，進(jìn)行半導(dǎo)體工藝流程仿真，還可以與其它EDA工具(比如spice)組合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)電學(xué)模擬(Sentaurus和ISE也具備這些功能)。SivacoTCAD為圖形用戶界面，用戶可以直接從界面輸入程序語(yǔ)句，操作簡(jiǎn)單，其例子庫(kù)十分豐富，可以直接調(diào)用裝載并運(yùn)行，SilvacoTCAD是例子庫(kù)最豐富的TCAD軟件之一，幾乎使得用戶做的任何設(shè)計(jì)都能找到相似的例子程序以供調(diào)用。Silvaco TCAD平臺(tái)包括工藝仿真(ATHENA)，器件仿真(ATLAS)和快速器件仿真系統(tǒng)(Mercury)，它們都是全圖形操作界面，類

36、似于windows的操作界面受到了喜歡在全圖形界面操作軟件用戶的青睞?？偹苤?，計(jì)算機(jī)仿真是基于一些物理模型及方程的數(shù)值計(jì)算，Silvaco中的物理模型及方程十分復(fù)雜，信息量十分巨大，而這些方程中的某些量又需要用其他的方程來(lái)描述，這就使得信息處理量成倍增長(zhǎng)，只有將它離散化，所以Silvaco半導(dǎo)體仿真是基于網(wǎng)格計(jì)算的。而網(wǎng)格計(jì)算就是要將器件的仿真區(qū)域劃分開來(lái)，規(guī)劃成相應(yīng)密度的網(wǎng)格，在計(jì)算器件某一部分的電學(xué)、光學(xué)等特性時(shí)，只需計(jì)算相應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)處的特性即可。而數(shù)值計(jì)算需要考慮很多問(wèn)題，如精確性，計(jì)算速度，收斂性等。計(jì)算精度和網(wǎng)格點(diǎn)的密度有關(guān)，網(wǎng)格點(diǎn)的密度越大，計(jì)算精度越高，但是Silvaco中的網(wǎng)

37、格點(diǎn)總數(shù)是受到限制的，不能超過(guò)一定的值，而網(wǎng)格點(diǎn)如果太多的話，會(huì)導(dǎo)致信息量特別大，當(dāng)信息量超過(guò)所能處理的極值時(shí)，在仿真的時(shí)候就會(huì)報(bào)錯(cuò)。選擇的物理模型對(duì)仿真的精度和正確性有很大影響。仿真是基于物理的計(jì)算，仿真計(jì)算時(shí)所采用的模型和方程都具有自己的物理意義，不能憑空捏造，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合是要使用不同的物理模型的，否則仿真就會(huì)出錯(cuò)。Silvaco所采用的仿真思路和所采用的物理模型都是成熟的成果，這些成果是得到公認(rèn)的或者是發(fā)表到IEEE上的結(jié)果，用來(lái)仿真的可信度很高。3.2 用TCAD工具仿真MOSFET的步驟 下面我們以NMOS為例來(lái)具體的分析用TCAD工具的仿真流程：我們可以通過(guò)Athena輸入器件

38、參數(shù)和制作過(guò)程，并生成結(jié)構(gòu)文件。然后將Athena生成的結(jié)構(gòu)文件導(dǎo)入到atlas，使用atlas進(jìn)行器件模擬和各種參數(shù)提取。所有結(jié)果通過(guò)Tonyplot顯示出來(lái)3.2.1 對(duì)NMOS的工藝仿真首先在deckbuild環(huán)境下打開ATHENA，打開ATHENA編輯界面，1. 定義矩形網(wǎng)格命令語(yǔ)句#Non-Uniform Gird(0.6um x 0.8um)line x loc=0.00 spac=0.10line x loc=0.2 spac=0.01line x loc=0.6 spac=0.01#line y loc=0.00 spac=0.008line y loc=0.2 spac=0.

39、01line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15圖表 12. 初始化硅襯底區(qū)域產(chǎn)生了<100>晶向的硅區(qū)域,大小為0.6um x 0.8um, 摻雜為均勻的硼摻雜,濃度為1 x 1014 atom/cm3.#Initial SIlicon Structure with <100>Orientationinit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 two.d圖表 23. 在硅片的表面生長(zhǎng)一層?xùn)叛趸瘜?溫度為950度，進(jìn)行干氧氧化11分鐘,在3%的HCL環(huán)境中,一個(gè)大氣壓# Gat

40、e Oxidationdiffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3 圖表 34. 接下來(lái),要來(lái)提取生長(zhǎng)的柵氧化層的厚度#extract name="Gateoxide" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=0.3得到柵氧化層厚度為131.347Å5. 離子注入在本例中,我們?cè)O(shè)置通過(guò)能量為10KeV,注入劑量為9.5 x1011 cm-2 ,傾斜角度為7o,旋轉(zhuǎn)度為30o的硼注入,顯示注入濃度與深度的關(guān)系圖# Threshold Voltag

41、e Adjust implantimplant boron dose=9.5e11 energy=10 crystal 圖表 4 6. 多晶硅柵的等形淀積本例中我們要淀積多晶硅層的厚度是2000 埃#Conformal Polysilicon Depositiondeposit polysilicon thick=0.20 divisions=10 圖表 57. 在本例中,對(duì)于初始網(wǎng)格,我們會(huì)設(shè)置多晶硅柵的邊界在x = 0.35 m處,同時(shí),設(shè)置柵的中心位置在 x = 0.6 m處#Poly Definitionetch polysilicon left p1.x=0.35圖表 68. 接下來(lái)

42、，我們進(jìn)行多晶注入前的多晶氧化，氧化條件是：時(shí)間3分鐘,溫度900度，濕法氧化,1個(gè)大氣壓。# Polysilicon Oxidationmethod fermi compressdiffus time=3 temp=900 weto2 press=1.00圖表 79. 接下來(lái)我們要對(duì)多晶硅進(jìn)行磷摻雜,磷的劑量 3x1013 cm-2 ,能量 20 KeV.#Polysilicon Dopingimplant phosphor dose=3.0e13 energy=20 crystal圖表 810. 在進(jìn)行源漏注入之前,先進(jìn)行邊墻氧化層的淀積，我們?cè)O(shè)置淀積厚度為0.12 m #Spacer O

43、xide Depositiondeposit oxide thick=0.12 divisions=10圖表 911. 為了形成氧化墻，我們進(jìn)行干法刻蝕# Spacer Oxide Etchetch oxide dry thick=0.12圖表 1012. 我們通過(guò)注入砷進(jìn)行源漏的注入,設(shè)置砷注入的劑量:5 x 1015 cm-3注入能量:50 KeV.# Source/Drain Implantimplant arsenic dose=5.0e15 energy=50 crystal13. 源漏注入完成后，進(jìn)行快速退火,條件：氮?dú)鈿夥?1分鐘1個(gè)大氣壓,900度。# Source/Drain

44、 Annealingmethod fermidiffus time=1 temp=900 nitro press=1.00圖表 1114. 下個(gè)工藝步驟是金屬化，接著淀積并光刻鋁首先在源漏區(qū)域形成接觸孔窗口,在x= 0.2 m位置的氧化層刻蝕到左邊# Open Contact Windowetch oxide left p1.x=0.20圖表 1215. 接下來(lái),淀積一層鋁，淀積厚度為0.03m# Aluminum Depositiondeposit aluminum thick=0.03 divisions=2圖表 1316. 刻蝕鋁層，從x=0.18開始將鋁層刻蝕到右邊# Etch Alu

45、minumetch aluminum right p1.x=0.18圖表 1417. 提取NMOS結(jié)構(gòu)的器件參數(shù)這些參數(shù)包括:a. 結(jié)深b. N+源漏方塊電阻c. 邊墻下LDD區(qū)的方塊電阻d. 長(zhǎng)溝閾值電壓a. 提取第一個(gè)硅材料層坐標(biāo)為x=0.2m處的結(jié)深#extract name="nxj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.2 junc.occno=1b. 提取坐標(biāo)x=0.05m處的方塊電阻#extract name="n+ sheet res" sheet.res materia

46、l="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1c. 提取邊墻下在0.3m處的方塊電阻#extract name="Idd sheet res" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1d. 提取x=0.5m處的一維閾值電壓#extract name="1DVt" 1dvt ntype qss=1e10 x.val=0.5提取結(jié)果a. x=0.2m處的結(jié)深是0.595944mb

47、. x=0.05m處的N+方塊電阻是28.6859/c. x=0.3m處的LDD方塊電阻是1667.6/d. x=0.5m處的長(zhǎng)溝道電壓時(shí)0.325191V18. 鏡像，將左邊NMOS鏡像到右邊，形成一個(gè)完整的NMOS#struct mirror right圖表 1519. 下面步驟是設(shè)置電極#electrode name=source x=0.10#electrode name=drain x=1.10#electrode name=gate x=0.60#electrode name=backside backside圖表 16到這進(jìn)行完了ATHENA中的工藝仿真步驟，下面要進(jìn)行的是器件仿

48、真3.2.2 對(duì)NMOS的器件仿真將ATHENA界面換成ATLAS界面1. 讀取從ATHENA中生成的結(jié)構(gòu)文件go atlas#mesh infile=nmos.str2. 設(shè)置模型：我們選擇CVT模型，選擇SRH(Fixed Lifetimes)復(fù)合模型#models srh cvt boltzman print temperature=300#mobility bn.cvt=4.75e+07 bp.cvt=9.925e+06 cn.cvt=174000 cp.cvt=884200 taun.cvt=0.125 taup.cvt=0.0317 gamn.cvt=2.5 gamp.cvt=2.

49、2 mu0n.cvt=52.2 mu0p.cvt=44.9 mu1n.cvt=43.4 mu1p.cvt=29 mumaxn.cvt=1417 mumaxp.cvt=470.5 crn.cvt=9.68e+16 crp.cvt=2.23e+17 csn.cvt=3.43e+20 csp.cvt=6.1e+20 alphn.cvt=0.68 alphp.cvt=0.71 betan.cvt=2 betap.cvt=2 pcn.cvt=0 pcp.cvt=2.3e+15 deln.cvt=5.82e+14 delp.cvt=2.0546e+143. 設(shè)置電極的金屬功函數(shù)，設(shè)置接觸特性為肖特基接觸#

50、contact name=gate n.poly 4.#interface s.n=0.0 s.p=0.0 qf=3e105.我默認(rèn)設(shè)置最大插入值是25，讓使求解器首先使用GUMMEL插值法，如果不收斂，再使用NEWTON法。#method newton gummel itlimit=25 trap atrap=0.5 maxtrap=4 autonr nrcriterion=0.1 tol.time=0.005 dt.min=1e-25 damped delta=0.5 damploop=10 dfactor=10 iccg lu1cri=0.003 lu2cri=0.03 maxinner

51、=256. 求解，得到Id-VGS曲線。首先猜想零偏壓情況下勢(shì)能和載流子濃度的初始值，將漏電極設(shè)置0.1V的直流偏壓，柵電極電壓以0.1V為步距，從0V-3.3V變化。#solve initsolve vdrain=0.1 log outf=nmos1_0.logsolve name=gate vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.1 圖表 177. 在柵極上分別加上四種不同的電壓：0.3V，1.1V，2.2V，3.3V,得到四條Id-VDS 曲線solve initsolve vgate=0.3 outf=solve_tmp0solve vgate=1.1 outf=sol

52、ve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3 #load in temporary files and ramp Vdsload infile=solve_tmp0log outf=mos1ex02_0.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.1 load infile=solve_tmp1log outf=mos1ex02_1.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.1 load in

53、file=solve_tmp2log outf=mos1ex02_2.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.1 load infile=solve_tmp3log outf=mos1ex02_3.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.1圖表 187. 提取器件參數(shù)Vt、Beta、Theta。extract name="vt" (xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain") - abs(ave(v."drain")/2.0)extract name="beta" slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain") * (1.0/abs(ave(v."drain")extract name="th