第3章工藝及器件仿真工具silvaco-tcad

器件仿真（ATLAS）；SPICE模型的生成和開發(fā)；

浙大微電

浙大微電

浙大微電

浙大微電

–在LINU系統(tǒng)提示符下，輸入命令decd-&，以便進duild交互模式并調(diào)用TEN程序。這時會出現(xiàn)如下圖所decbuild主窗口，點File 下pty ，清空build文本窗口；

浙大微電

–在如圖所示的文本窗口中鍵入語句goAthena

浙大微電

為了定義網(wǎng)格，選擇MeshDefine

浙大微電

在0.6μm×0.8μm的方形區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建非均勻網(wǎng)在網(wǎng)格定義菜單中，Direction欄缺省為X方向Location欄，輸入值0，表示要的網(wǎng)格線定義點在位置0；在Comment欄，鍵入注釋行內(nèi)容“Non-Uniform（0.6umx0.8um)”，如圖所示

浙大微電

在X=0.2和X=0.6處，分別第二和第三個網(wǎng)格線定義點，

浙大微電

在網(wǎng)格定義窗口中點擊insert鍵，并繼續(xù)第二、第三和網(wǎng)格間距分別設0.01，0.05和0.15，如圖所示。

浙大微電

則會顯示ViewGrid

浙大微電

①在TENAmds菜單中選擇MhInitilize…選項。THNA網(wǎng)格初始化菜單將會彈出。在缺省狀態(tài)下，硅材料為0> 點擊Boron雜質(zhì)板上的Boron鍵，這樣硼就成為了背景雜 對于Concentration欄，通過滾動條或直接輸入，選擇理想濃度值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（也可以通過以Ohm·cm為單位的電阻系數(shù)來確定背景濃度）

浙大微電

對于Comment欄，輸入“InitialSiliconStructure<100Orientation” 點擊WRITE

浙大微電

Structoutfile=.history01.str是Deckbuild通過歷史記錄功 選中文件“.history01.str（目前僅有尺寸和材料方面

浙大微電

浙大微電

Edges和ions圖象已選。把esh圖象也選上，ppl。將出現(xiàn)初始的三角型網(wǎng)格，如圖所示。

浙大微電

層，條件是1個大氣壓，950°C，3%HCL,11分鐘。為 中依次選擇Process和Diffuse…，ATHENADiffuse菜

浙大微電

②在Ambient欄中，選擇DryO2項；分別檢查Gaspressure

浙大微電

Plot和PlotStructure…，將結構繪制出來；最終的柵極

浙大微電

下面通過Deckbuild中的Extract①在Commands菜單中點擊Extract…，出現(xiàn)ATHENAExtract菜單；Extract欄默認為Materialthickness；在Material…，并選擇SiO~2；在Extractlocation這一欄，②點擊WRITE鍵，Extract語句將會出現(xiàn)在文本窗口中。在

浙大微電

③點擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵，繼續(xù)進行ATHENA

浙大微電

最優(yōu)化函數(shù)：

浙大微電

①依次點擊Maincontrol

浙大微電

umError在criteria一欄中的值從5改為 模式,– 優(yōu)化，在build窗口中選中柵極氧化這一步驟，如下圖所示。

浙大微電

一個名為Deckbuild：ParameterDefine的窗口將會 被列出；

浙大微電

浙大微電

化”這個目標添加到了Optimizer的目標列表中去。在目標 value中輸入值100?（見下

浙大微電

為了觀察優(yōu)化過程，我們可以 s模式改為 厚度100.209?，如右圖所示；

浙大微電

?為了這些值，需要返回Parameters模式并依次點擊Edit和CopytoDeck菜單項以更新輸入文檔中的最優(yōu)化

浙大微電

ATHENA中，離子注入是通過在ATHENAImplant菜單中設①在Commands菜單中，依次選擇Process和Implant…，出現(xiàn)ATHENAImplant菜單。②在Impurity一欄中選擇Boron；通過滾動條或者直接輸入的

浙大微電

默認為DualPearson模式；將MaterialType選為ThresholdVoltageAdjustimplant；

浙大微電

硼雜質(zhì)的剖面形狀可以通過2DMesh菜單或TONYPLOT的Cutline工具進行繪制。在2DMesh菜單中，硼雜質(zhì)的剖面

浙大微電

首先，我們用圖示的方法說明如何利用2DMesh菜單 口Display(2DMesh)

浙大微電

ty選項為Netdo Netdo

浙大微電

浙大微電

在TONYPLOT中，依次選擇Tools和Cutline…項，彈Cutline窗口 在缺省狀態(tài)下，Vertical圖標已被選中，這將把圖例限制在直方向 在結構圖中，從氧化層開始按下鼠標左鍵并一直拖動到結構部。這樣，將會出現(xiàn)一個一維的硼雜質(zhì)剖面圖，如圖所示

浙大微電

淀積可以用來產(chǎn)生多層結構。共形淀積（ConformalDeposition）最簡單的淀積方式，并且在各種淀積層形狀要求不是非常嚴格的情況下使用在NMOS工藝中，多晶硅層的厚度約為2000?，這使得用共形多晶硅淀積取而代之成為可能。為了完成共形淀積，從ATHENACommands菜單中依次選擇Process、Deposit和Deposit…菜單項。ATHENADeposit菜單如

浙大微電

在Deposit菜單中，淀積類型默認為Conformal；在Material菜中選擇Polysilicon，并將它的厚度值設為0.2；在Gridspecification參數(shù)中，點擊Totalnumberoflayers并將其值設為10。（在一個淀積層中設PolysiliconDeposition，并點擊WRITE鍵； 下面這幾行將會出現(xiàn)在文本窗口中#ConformalPolysilicondepositpolysiliconthick=0.2

浙大微電

通過DeckbuildTools菜單的Plot和Plotstructure…

浙大微電

接下來就是多晶硅的柵極定義。這 多晶硅柵

浙大微電

在DeckbuildCommands菜單中依次選擇Process，Etch和Etch…出現(xiàn)ATHENAEtch菜單；在Etch菜單的Geometricaltype一欄中選擇Left；在Material一欄中選擇Polysilicon；將Etchlocation一欄的值設為0.35；在Comment欄中輸入注釋PolyDefinition；點擊WRITE鍵產(chǎn)生如#Polyetchpolysiliconleft點擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)進行ATHENA仿真，并將刻蝕結繪制出來，如圖所示

浙大微電

3分鐘的濕氧氧化。因為氧化過程要在非平面 破壞的 為了演示這一氧化過程，可在ATHENACommands菜

浙大微電

950改為900；在Ambient一欄中，點擊WetO2；激活Gas Comment欄中輸入注釋PolysiliconOxidation，點擊 #Polysilicon

浙大微電

methodfermidiffustime=3temp=900wetO2③點擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵繼續(xù)進行ATHENA仿

浙大微電

在完成了多晶硅氧化之后，接下來要以磷為雜質(zhì)創(chuàng)建一個重的多晶硅柵極。這里雜質(zhì)磷的劑量為3×1013cm-2，注入能量為20KeV為了演示多晶硅摻雜這一步驟 再一次使用ATHENAImplant菜單 ATHENAImplant菜單；在Impurity欄中，將Boron改為Phosphorus；Tilt和Rotation中分別輸入值20、7、30；Model默認為DualPearson；將MaterialType選為Crystalline；在Comment欄中輸入Polysilicon

浙大微電

#Polysiliconimplantphosphordose=3e13energy=20② 擊d的ont鍵繼進行TEN仿點擊（DMh）菜單上ontou鍵及pply鍵將結構的to 如圖所示；

浙大微電

為了看到注入磷后的雜質(zhì)分布圖，可在Display（2DMesh）單中點擊fine子菜單并選擇ntou…，TOYLOT：ntous彈出在 t選項，默認值為to將o改為hohous； 依次點擊Apply鍵和Dismiss鍵；注入磷雜質(zhì)的剖面圖將會出現(xiàn)圖所示

浙大微電

在源極和漏極植入之前，首先需要進行的是側 氧化層淀積。這里側 氧化層淀積的厚度為0.12μm。可通過Deposit菜單實現(xiàn)，步驟如下 在ATHENACommands菜單中，依次選擇Process、Deposit和Deposit…菜單項。ATHENADeposit菜單將會出現(xiàn)； specification參數(shù)“Totalnumberofgridlayers”設為10；在Comment欄中添加注釋語句SpacerOxidedeposition，并點擊

浙大微電

#SpacerOxideDepositoxidethick=0.12

浙大微電

側墻氧 的形為了形成側墻氧 ，必須進行干刻蝕。這可以通ATHENAEtch 在Etch菜單的Geometricaltype一欄中，點擊Dry中輸入值0.12；Comment欄中添加注釋SpacerOxideetch；點擊WRITE#SpacerOxideetchoxidedry

浙大微電

源/漏極注入和退

浙大微電

Rotation中分別輸入值50、7、30；將MaterialType選為Crystalline；在Comment欄中輸入Source/DrainImplant；#Source/Drainimplantarsenicdose=5e15energy=50

浙大微電

Gaspressure，并將其值設為1；在Display欄中點擊Comment欄中添加注釋Source/DrainAnnealing并點擊

浙大微電

#Source/Drainmethoddiffustime=1temp=900nitro

浙大微電

會看到退火過程前后NetDo 在源/漏極退火后的TONYPLOT中，依次點擊File和Structure…菜單項 中產(chǎn)生的歷史文件（histo.r），在filne欄中鍵入.hior1tr依次點擊Lod、Ovla項，如圖；

浙大微電

Datafrommultiple

浙大微電

④在兩個結構圖相互疊加以后，依次選擇TONYPLOT中

浙大微電

⑤完成后，點擊keyboard的return鍵，TONYPLOT

浙大微電

化層應從左邊X=0.2μm開始刻蝕。使用ATHENAEtch菜單的

浙大微電

在Etch菜單的Geometricaltype一欄中，點擊Left；在Material欄中，選擇Oxide；在Etchlocation欄中輸入值0.2；在Comment欄中添加注釋OpenContactWindow；點擊#OpenContactetchoxideleft

浙大微電

繼續(xù)ATHENA仿真，并將刻蝕后的結構圖繪制出來，如

浙大微電

接下來，利用ATHENADeposit菜單，一個厚度為0.03；對于Gridspecification參數(shù)，將Totalnumberofgridlayers設為2；在Comment欄中添加注釋AluminumDeposition#Aluminumdepositaluminumthick=0.03

浙大微電

浙大微電

①在Etch菜單的Geometricaltype一欄中，點擊Right；在Material欄中，選擇Aluminum；在Etchlocation欄中輸入值0.18；在Comment欄中添加注釋EtchAluminum；點擊WRITE將會出現(xiàn)如下語句：#Etchetchaluminumright②繼續(xù)ATHENA仿真，并將刻蝕后的結構圖繪制出來，如圖所示

浙大微電

在這一節(jié)中

浙大微電

計算結深的步驟為在Commands菜單里點擊Extract…。ATHENAExtract菜單將會現(xiàn)；在Extract欄中選擇Junctiondepth；在Name欄中輸入nxj；在Material欄中選擇Material…并選擇Silicon；在Extractlocation欄中點擊Xextractname=“nxj”xj 在這個extract語句中，name=“nxj”是n型的源/漏極結深；xj說明了結深需要計算；material=“Silicon”是指結的材料，在這里，材料是硅o（occurrenceno.）=1是指計算結深要從第一層材料開始x.val=0.2是指在X=0.2μm的地方得到源/漏極結o=1是指計算結深要從指定層的第一個結開

浙大微電

為了測定該方塊電阻，按如下步驟再一次調(diào)用ATHENAExtract菜單將Extract欄從Junctiondepth改為sheet n++sheetres；在Extractlocation欄中，選中X網(wǎng)格并輸入值0.05；點extractname=“n++sheetres”sheet.reso=1 了n++區(qū)域的測量路徑。這是通過給出區(qū)域內(nèi)X=0.05μm這點的網(wǎng)格來現(xiàn)的

浙大微電

測量LDD方塊電 把被測電阻命名為‘lddsheetres’。簡單地按如下步驟調(diào)用ATHENAExtract菜單。將Name欄改為lddsheetres；選中X網(wǎng)格，并將Extractlocation欄中的值改為0.3；點extractname=“l(fā)ddsheetres”

浙大微電

將ATHENAExtract菜單的Extract欄從 改QUICKMOS1DVt；在Name欄輸入1dvt；在Devicetype欄點擊NMOS；激活Qss欄并輸入表面態(tài)電荷值1e10；在Extractlocation欄輸入值0.5；extractname=“1dvt” ypeqss=1e10vt說明了測量一維閾值電壓的atntpen型的晶體管；v=是在器件溝道內(nèi)的一qss-5，0，為步進單位，器件溫度為0K。繼續(xù)ATHENA仿真，所有測量值將會出現(xiàn)在Deckbuild輸出窗口中些信息也會被存入現(xiàn)存文檔文件‘results.final’中

浙大微電

現(xiàn)ATHENAMirror菜單；在Mirror欄中選擇Right，如下圖。

浙大微電

點擊WRITE鍵將下列語句寫入輸入文件：structmirror 點擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)ATHENA仿真，并整的NMOS結構繪制出來，如下圖所示從圖中可以看出，結構的右半邊完全是左半邊的鏡像，包括結網(wǎng)格、

浙大微電

電極的確為了使器件仿真器ATLAS實現(xiàn)偏置，有必要對NMOS器件的極進行標注。結構的電極可以通過ATHENAElectrode菜單進行定義調(diào)用這個菜單的步驟如下 ATHENAElectrode菜單將會出現(xiàn)；在ElectrodeType欄中，選擇SpecifiedPosition；在Name欄中，輸入source；點擊XPosition并 點擊WRITE鍵，下面的語句將會出現(xiàn)在輸入文件中electrodename=source

浙大微電

類似地，使用ATHENAElectrode菜單在X=1.1μm處確定漏極電極將electrodename=drain多晶硅柵極電極的確定也有同樣的形式。對這種結構而言，可以通和源極或漏極相同的方式得到：electrodename=gate在ATHENA中，backside電極可以放在結構的底部而不用金屬片確定backside電極在ATHENAElectrode菜單的ElectrodeType欄中選擇Backside。后輸入文件名backside。下面的底部電極語句將會出現(xiàn)在輸入文件electrodename=backsidebackside語句說明一個平面（高度為0）的電極將會放置在仿真結的底部繼續(xù)運行輸入文件。從Deckbuild輸出窗口中可以看到相關說明隨著電極的確定，NMOS結構也已經(jīng)完成

浙大微電

始化。保存或加載結構，可以使用ATHENAFileI/O菜單， 在Commands菜單中選擇FileI/O；點擊Save

浙大微電

點擊WRITE鍵，將會出現(xiàn)：struct Electrodes

浙大微電

浙大微電

ATLAS概 ATLAS可以單獨使用，也可以在SILVACO’sVIRTUALWAFERFAB仿真平臺中作為

浙大微電

ATLAS會產(chǎn)生三種輸出文件：運行輸出文件(run-timeoutput)文件(logfiles) 結果文件(solutionfiles)

浙大微電

往會出現(xiàn)錯誤信息并使程序終止，造成程序運行。

浙大微電

開始運行在Deckbuild下開始運行ATLAS，需要在UNIX系統(tǒng)命令提示符下輸入deckbuild-命令行選項-as指示Deckbuild將ATLAS作為默認仿真工具開始運在短暫延時之后，將會出現(xiàn)如圖所示Deckbuild主窗口。從該口可以看出，命令提示已經(jīng)從ATHENA變?yōu)榱薃TLAS

浙大微電

在ATLAS中，一個器件結構可以用三種不同的方式進行定義從文件中讀入一個已經(jīng)存在的結構。這個結構可能是由其程序創(chuàng)建的，比如ATHENA或DEVEDIT（Silvaco器件結構編件buil自動接口界面從TNA或DEET轉(zhuǎn)化而來；可以使用ATLAS命令語言進行構建第一和第二種方法比第三種方法方便，所以應盡量采用前兩種方法。在本章中， 通過第二種方法，利用ebuild的自動接口界MOTNA為TL。

浙大微電

浙大微電

go Mesh…項。ATLASMesh菜單將會彈出，如圖所示； 在Type欄中，點擊Readfromfile，在Filename欄中

浙大微電

浙大微電

浙大微電

在ATLASCommands菜單中，依次選擇Models和Models…項。Deckbuild：ATLASModel菜單將會

浙大微電

記錄模型的狀態(tài)，在PrintModel

浙大微電

也可以在其中添加復合模型，步驟為在Category欄中選 bination選項。三種不同的復合模型會出現(xiàn)，如圖3.57所示，分別為Auger，SRH（FixedLifetimes）以選擇SRH（FixedLifetimes）模型仿真NMOS結構點擊WRITE鍵，Model語句將會出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中

浙大微電

（hottntt語句用于定義有一個或多個電極的金屬功函數(shù)。用ontt語n型多晶硅柵極接觸功函數(shù)的步驟為：① 在TLSomds菜單中，依次選擇Mod和ontt…項。build：TLonttldename一Gt；選擇n-pol代表n型多晶硅，如右圖；②點擊WRITE鍵，語句Contactname=gaten.poly將會出現(xiàn)在輸入文件中

浙大微電

為了定義MO結構的接觸面特性，我們需要使用Intfce語句。×m-，步驟 在ATLASCommands菜單中，依次選擇Models和Interface項，Deckbuild：ATLASInterface菜單將會出現(xiàn)；在FixedChargeDensity 點擊WRITE將Interface語句寫入Deckbuild文本窗口中。語句為：Interfaces.n=0.0s.p=0.0

浙大微電

浙大微電

①在ATLASCommands菜單中，依次選擇Solutions和Method…項。Deckbuild：ATLASMethod菜單將會出現(xiàn)；在Method欄中選擇NEWTONGUMMEL選項，如下圖所示；

浙大微電

Newton

浙大微電

果文件。這些語句都可以通過Deckbuild：ATLASTest菜單1Vds=0.1V時，獲得Id~Vgs下面我們要在NMOS結構中，獲得Vds=0.1VId~Vgs

浙大微電

在ATLASCommands菜單中，依次選擇Solutions和Solve…項。Deckbuild：ATLASTest菜單將會出現(xiàn)，如左圖所示；點擊Props…鍵以調(diào)用ATLASSolveproperties菜單；在Logfile欄中將文件名改為“nmos1_”，如右圖所示。

浙大微電

將鼠標移至Worksheet區(qū)域，右擊鼠標并選擇Addrow 一個新行被添加到了Worksheet

浙大微電

點擊InitialBias欄下的值并將其值改為0.1，然后點擊 擇Addnew

浙大微電

⑦這樣就在drain⑧在gate行中，將鼠標移至CONST類型上，右擊鼠標并選擇VAR1。分別將FinalBias和Delta的值改為3.3和0.1，

浙大微電

SolveSolveLogSolvename=gatevgate=0vfinal=3.3

浙大微電

上述語句以Solveinit語句開始。這條語句提供了一個初在得到了零偏置解以后，第二條語句即Solvevdrain=0.1第三條語句是Log語句，即Logoutf=nmos1_0.log。這

浙大微電

要停止保存這些信息，可以使用帶有“off的loglogoff，或使用不同的log最后一條solve語句：Solvename=gatevfinal=3.3句中Name和Theta。這可以通過ATLASExtract菜單來完成：

浙大微電

①在ATLASCommands下，Testname欄中選擇

浙大微電

extractname=“vt”(xintercept(maxslope(curve(abs(v.“gate”),abs(i.“drain”))))- 下面，繼續(xù)調(diào)用Deckbuild：ATLASExtaction菜單。然后點擊Test 點擊WRITE鍵，BetaExtract語句將會出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中extractabs(i.“drain”))))

浙大微電

最后，我們要再一次調(diào)用Deckbuild：ATLASExtaction 點擊WRITE鍵，BetaExtract語句將會出現(xiàn)在extractname=“theta”((max(abs(v.“drain”))*$“beta”)/max

浙大微電

在開始仿真之前，我們還需要使用TonplotIdgs曲線，只要在最后一條rt語