Silvaco中文學(xué)習(xí)手冊

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來進行工藝仿真以及ATLAS來進行器件仿真。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、擴散、退火以及離子注入e. 結(jié)構(gòu)操作保存和加載結(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

2、&,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EmptyDocument，清空DECKBUILD文本窗口；File。U侄皿vEditr:FindriHaitiScntro£Conmanis丁Tocls-沖Lsawsare心include.iFmnI/O"meritnspac-0.12sroc-rijiOS4SC3C=Q<0Q6e§ec=loiWit.Qi'qrrrrs-j-hULEF,2line1on.%'1hfry1(KTiQ4-。一I.

3、n，=-。=11.111】srac*u.ub盲*口.FMitor1ent«-icin-lOi-ic,pixisleHsn«e-ijl-2fartrtiioninclLdlnq-laskirqoffoftnenell#difFu>time-3Qttrnp-inOOdryo?pre=i.tnbcl-3#牡5awldethi-:kHJ.O2胛fIILmplant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goAthena;De：亡kiI日歸.20,HR=MON日足dited),dir；/£pifl已e/疝Iua已jprftwareWpc/y|-1.

4、FilerjviEditj*ndMirt匚oritroli匚ornmandtjTook弋coachoriL圖4.2以“goathenaw開始仿真接下來要明確網(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。結(jié)構(gòu)中存在離子注入或者形成PN結(jié)的區(qū)域應(yīng)該劃分更加細致的網(wǎng)格。為了定義網(wǎng)格，選擇MeshDefine菜單項，如圖4.3所示。下面將以在0.6pmx0.8畫方形區(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。2在0.6mx0.8商方形區(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

5、入值0.1;在Comment(注釋)欄，鍵入"Non-UniformGrid(0.6umx0.8um)"，如圖4.4所示;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0.01o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)；接下來，我們繼續(xù)在丫軸上建立網(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;在網(wǎng)格定義窗口中點擊insert鍵，將第

6、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。況L-.Lj1一A-15De-1IKDlratllun*ZVIhl頃1IoRi,Lele.eg.h.i|nn?iion;Spacing：040ai)o-JcommeAliorMJnlfemGri4jiGmin眥ME.WFlTf圖4.6丫方向上的網(wǎng)格定義為了預(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ViewGrid窗口。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。-1Deckbl11dvm.icj.dlR5bluE)日圳tedXdkr,/牛

7、e舟典co_玲項-§腿p甘g|，F(xiàn)lhlIViewrEdh。fpid-)F皆incontrrr)Qommands-iTfol：1:-2-0.25EKHC-D.01Sp4：-D.D11dc-0_DDspar0-0D31.<=0,2&ygiC=DiOi1h0.5spacMJiK4.1.3定義初始襯底參數(shù)加Athen«畔.rid(D.U.BJu)>c-Hn-ekUn#mnirey'I由ylinFy11nsv圖4.7對產(chǎn)生非均勻網(wǎng)格的行說明由網(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)進行初始化。

8、對仿真結(jié)構(gòu)進行初始化的步驟如下:a. 在ATHENACommands菜單中選擇MeshInitialize選項ATHENA網(wǎng)格初始化菜單將會彈出。在缺省狀態(tài)下,<100>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);1.0,而在Expc.對于Concentration欄，通過滾動條或直接輸入選擇理想濃度值為欄中選擇指數(shù)的值為14。這就確定了背景濃度為1.0x1014原子數(shù)/cm3;(也可以通過以O(shè)hm-cm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行仿真;e. 對于Commen

9、t欄，輸入aInitialSiliconStructurewith<100>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。DeckUj；d：tiaBzeiblaNrriot;廠$iccirnrhfAtin蜀101TQ111|iniBurltriAmtlmonyArse'akPlosuhcrus,旬Efl21HCSelerJunEmivHlui演b'lgmef.iurnAluminumGalljmCarbonChromimmiZuBrmanrumIndiumCoitCtmil«（ilum;.-I=?ilj-Ik*臨*St

10、k1/0J9.9LK»21JmOinieras-laiaLlitv：Aut：11口|2t>Cylirdn-zalt-ci：Ina.Gridsclfinifartar:1.0HD,用牛"-:，罟ihpoiriiFirtcci：_lirt*疵h拙二l-6_-«就rsinicFK艇沸1，藤園”'巳n£IPinCti<nitllirtitrInm，iRw5埴少.,，航fig%HdlaEE: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

11、的run鍵。輸出將會出現(xiàn)在仿真器子窗口中。語句structoutfile=.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：選中文件".history01.str”。點擊Tools菜單項，并依次選擇Plot和PlotStructure，如圖9所示；在一個短暫的延退之后，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；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Ap

12、ply。將出現(xiàn)初始的三角型網(wǎng)格，如圖4.11所14示?，F(xiàn)在，之前的INIT語句創(chuàng)建了一個0.6mx0.8畫J、的、雜質(zhì)硼濃度為1.0X10原子數(shù)/cm3、摻雜均勻的100晶向的硅片。這個仿真結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以進行任何工藝處理步_fTwUfilrt'PlotGirdT，日禎tfiWHhver.i,litfDn,.JJMain匚劍iU梆*Jcunrniun*驟了（例如離子注入，擴散，刻蝕等）。20AFlkjVIewiEdL-)FinilI-"*-WMdMW1C3t.wn3#Grid：(O.&utxD.6uiJ11wk1ikbOlDO'5|«C«0.1

13、Clllrte-iKfZ5pi<-0i011IlWKSPibC.QIlHr*yls<-g»OS5pa-Qiti301lwylyzipwo.ui1iwyjpi-Mi.051Iroey1dc-I.Hspa.c-Cl-03vErtfitlelS111CtnStnucE胃#1Vhcm財1日匚就*15initsillcmc.bariDfa9.Dfi-1-4ari'entiaiti-crwlDD.dwit用心嚀muAThCM：-mg,HU心?ATHEMWArHEM>1加&】萌42酣linek1nc«ik.-sghacH!,01HliilWN1u,Wip

14、axOjCC訴眼5*I(Il-ft.2Un*fhiwYilmReHiwiInitillSIPcob就iKluwwth<1«Q>Cri«ntitfcin511ICPn：QiHi?<1it3tlQgTtOOE(J網(wǎng)EtftKLIfT*，心im”圖4.9繪制歷史文件結(jié)構(gòu)：IBlaaiElftlo|fil®lalItaofitDt£Bi££tCiaiTVfit圖4.10Tonyplot: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，95

15、0C,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DiffuseATHENADiffuse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溫度默認選中（見圖4.12）;TIH：!WKfPE咬.IPhe-村網(wǎng)5舊H播-圖4.13柵極氧化結(jié)構(gòu)b. 在Ambient欄中，選擇DryO2項；分別檢查Gaspressure和HCL欄。將HCL改成3%;在Comment欄里輸入"GateOxidation"5WRITE鍵；有

16、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；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"捶續(xù)耋成；".history02.str然后點擊Tools菜單項，并依次選擇Plot和PlotStructure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

17、化層的厚度。a.在Commands菜單點擊Extract，出現(xiàn)ATHENAExtract菜單；Extract欄默認為Materialthickness;在Name一欄輸入"Gateoxide”;XMOterial一欄，點擊Material，并選擇iO2;在Extractlocation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)。由于這里只有一個二氧化硅層，所以這個參數(shù)是可選的。然而當(dāng)存在有多個二氧化硅層時，則必須指定出所定義的層;點擊DECKBUILD控制欄上的Cont鍵，繼續(xù)進行ATHENA仿真仿真。Extract語句運行時的輸出如圖4.14所示;從運行輸出可以看到，我們測量的柵極氧化厚度為131.347?ne-：t)line)SiS,=toflt)tiarQuitUriKimpaste)hit)paiKEclear)r&c