半導體器件模擬

CONTENTS

PART1:NMOS

1GettingStarted1

2CreatinganNMOSDeviceStructureUsingATHENA3

3NMOSDeviceSimulationUsingATLAS25

4CreatingNMOSStructureUsingDEVEDIT35

PART2:OTHERDEVICES

5ThinFilmResistor:CreatinganThinFilmResistorUsingATHENA45

6ZenerDiode56

7MSJunction:CreatingaM-SJunctiongUsingATLAS59

8MESFET65

9BJT89

10SolarCell106

11TFT119

Appendix129

Chapter1:開始

1.1在DeckBuild下運行ATHENA

進入紅帽子系統(tǒng)桌面后,在桌面空白的地方進行如下操作：

鼠標右鍵一＞新建終端一＞輸入"deckbuild-an&"命令一＞回車

過幾秒鐘時間,DECKBUILD窗口就出現(xiàn)了.在窗口左下方將看到“ATHENA”字樣.這表

明現(xiàn)在已進入ATHENA模塊.

—|DeckbuildV3.20.0.R-(NONE),dir；/space/silvaco_softwares/pc/workshop|

Filer)ViewvjEditrjFind二)MainControl『)CommandsTools

next)line:stopv)contJrun)quit)Line:1

paste)initJpause)clear；restart)kill)Stop:None

ATHENA

Versionathena5.8.4.R(TueNov918:00:27PST2004)

Copyright(c)1989-2004SILVACOInternational

Allrightsreserved

Weacknowledgethecontributionofthefol1owingcollaborativepartners:

ATHENAstartedATHENA

圖1.1DECKBUILD窗口

為了熟悉DECKBILDTATHENA的運行機制，我們可以下載和運行一些ATHENA標準

例子.

1.2下載并運行ATHENA標準例子

在AHENA窗口進行如下操作:右鍵點擊MainControl一＞選Examples...—＞雙擊所感興趣

的目錄和子目錄一＞loadexample-＞run

Chapter2:用ATHENA創(chuàng)建一個NMOS器件結(jié)構(gòu)

2.1過程總攬

在本章中,用戶將學習到創(chuàng)建一個典型MOSFET結(jié)構(gòu)的基本操作.這些操作包括：

O創(chuàng)建一個好的模擬網(wǎng)格

?保形沉積（conformaldeposition）

O幾何刻蝕

?氧化，擴散，退火以及離子注入

?結(jié)構(gòu)操作

O保存與下載結(jié)構(gòu)

所有這些操作，都單獨在ATHENA工藝模擬器中進行.

2.2創(chuàng)建一個初始結(jié)構(gòu)

2.2.1定義初始矩形網(wǎng)格

a.清理當前文本窗口:右鍵點擊File—＞選EmptyDocument.

b.把ATHENA作為模擬器——在文本窗口輸入如下語句：

goathena

接下來，我們將定義初始的矩形網(wǎng)格.需要注意的是,正確的定義網(wǎng)格在工藝模擬中至關(guān)

重要.格點數(shù)直接影響到器件的精度和時間.一個精細的網(wǎng)格應該出現(xiàn)在關(guān)鍵區(qū)域，如離子注

入的地方,pn結(jié)形成的區(qū)域，或者光模擬中的光敏部分.

c.打開網(wǎng)格定義窗口:右鍵點擊Commands—＞選MeshDefine...

2.2.2創(chuàng)建一個0.6um*0.8um模擬區(qū)域及一個非均勻網(wǎng)格

在打開的MeshDefine界面，進行如下操作：

a.Direction:X（默認項）.

b.單擊Comment輸入“Non-UnifbrmGrid（0.6um*0.8um）”.

c.單.擊Location,輸入0;單擊Spacing,輸入0.1.

d.單擊Insert.

e.采用同樣的方法設置x=0.2時spac=0.01;x=0.6時spac=0.01.

f.創(chuàng)建Y方向上的網(wǎng)格:在Direction一欄單擊Y,設置y=0.00時spac=0.008;y=0.2時

spac=0.01;y=0.5時spac=0.05;y=0.8Fbj'spac=0.15.

我們將注意到網(wǎng)格最密的地方是在表面（產(chǎn)Oum至y=0.2um的地方）.因為在后面這個區(qū)

域?qū)⑿纬蒒MOS的表面有源區(qū).

g,預覽矩形網(wǎng)格:單擊View.…（注意總共產(chǎn)生了1786個格點和3404個三角形.）

!-nx

h.寫入文本窗口:單擊WRITE.

2.3定義襯底

a.打開ATHENAMeshInitialize菜單:右鍵點擊Commands—>MeshInitialize.

b.在彈出的窗口作出如下選擇：

Material:Silicon

Orientation:100

Impurity:Boron

Concentration:ByConcentration,1.0,14

Dimensionality:2D

Comment:InitialSiliconStructurewith<100>Orientation(可選項.建議新手使用,)

這樣一來，一個尺寸0.6umX0.8m、均勻摻雜硼1XlOMatom/cn?、(100)方向的硅襯底就

創(chuàng)建出來了.(Si(100)襯底:具有低界面電荷、低界面缺陷的優(yōu)點.CMOS集成電路一般采用

(100)晶向的硅材料)

c.單擊WRITE

d.單擊RUN

DECKBUILD自動產(chǎn)生一臨時結(jié)構(gòu)文件structoutfile=.history01.str.采取以下方法還可查

看其具體結(jié)構(gòu):鼠標高亮history。Lstr”一>右鍵點擊Tools—>選擇Plot及PlotStructure,稍

等一會兒，就可看到結(jié)構(gòu)圖.默認情況下，它只顯示regional和material信息.

如想查看網(wǎng)格或其它信息，右鍵點擊plot—>Display,選擇第一個圖標(Mesh)然后點擊

Apply即可看到其網(wǎng)格分布.Tonyplot:Display(2DMesh)窗口其他圖標分別表示:Edges、

Regions(orMaterial)Contour>Light、VectorssJunctions>Electrodes>Threed、Draw(?).

2.4生成柵氧層

接下來，我們將要在硅表面上在950℃、3%HCL、1個大氣壓條件下采用干氧法持續(xù)11

分鐘成長一層柵氧層.

先后選擇uCommands一>Process—>DifTuse,"打開ATHENADiffuse菜單.在時間、溫度、

環(huán)境欄分別輸入或選擇11、950、Dry02.（注意:輸入數(shù)字后均需按回車鍵.）選擇GasPressure

（atm）和HCL%,輸入預先設定好的值1和3.Comment一欄輸入“gateOxidation”.然后寫入

DECKBUILD.

單擊Cont按鈕繼續(xù)模擬.之后將生成str文件.

接著繪畫str文件.history02.str------高亮"?history02.str”并選擇Plot及PlotStructure即

可看到最新模擬結(jié)構(gòu).

2.5提取柵氧層厚度

下來將提取在氧化過程中柵氧層的厚度.將使用到DECKBUILD中Extract語句.

Extract可非?？焖偃菀椎卣虾涂刂颇持祷蚯€.你可以創(chuàng)建你自己定制的表達式或選

擇工藝和器件模擬器提供的標準程序.也即，你可選一標準的表達式并修改使之滿足自己的需

要.

依次選擇"Commands—>Extract”進入ATHENAExtract菜單.選擇或輸入以下：

Extract:Materialthickness

Name:Gateoxide

Material:Si0-2

Extractlocation:X

Value:0.3

單擊WRITE及Cont按鈕繼續(xù)模擬，將可看到提取的柵氧層厚度.厚度約在131埃.

在一步我們將用DECKBUILD的Optimizer對柵氧層的厚度進行優(yōu)化.

2.6優(yōu)化柵氧層厚度

在本節(jié)我們將學習怎樣使用Optimizer對柵氧層工藝參數(shù)進行優(yōu)化.假設柵氧層目標厚

度為100埃.為了達到此目的,擴散溫度和氣壓均需調(diào)節(jié).

先后單擊“MainControl—>Optimizer”即進入DECKBUILDOptimizer界面.

在Mode為Setup下，選擇最大誤差為1%------uMaximumerror（%）=1"（Stopcriteria

一欄卜）.

改Mode為Parameters.在本例中,柵氧厚度優(yōu)化參數(shù)選擇溫度和壓強.為此，我們得回到

DECKBUILD中并高亮adiffusetime=lltemp=950dryo2press=1.00hcl.pc=3”（如圖2.1）.

然后再回到Optimizer,依次選擇"Edit—>Add"，選temp和press項，單擊Apply.

改Mode為Targets.Optimizer將用DECKBUILD中Extract語句定義優(yōu)化目標.因此，再次

回到DECKBUILD文本窗口并高亮extract一句（如圖2.2）.在再回到Optimizer時，選“Edit

一>Add"，在Targetvalue欄輸入目標值“100”.

為了監(jiān)視整個優(yōu)化過程，在Mode欄選Graphics并單擊Optimize.

整個優(yōu)化過程將不斷調(diào)整溫度和壓強以最終達到目標值.

最終Optimizer將收斂于溫度、壓強分別約為926℃、0.98時，提取的柵氧厚度為100.209

埃.接著我們將這個值復制到DECKBUILD中以得到目標值——改Mode為Parameters,選

Edit—>CopytoDeck^即可.

圖2.1高亮diffuse一句

圖2.2高亮extract一句

2.7離子注入

離子注入是半導體摻雜的主要方法.因為離子注入在小的關(guān)鍵尺寸(criticaldimension,CD)

和淺摻分布,高劑量，斜注入(tiltedimplant)和其他先進技術(shù)有著廣泛應用，因此，對例子注入過

程的模擬就顯得非常重要了.

在本例中，我們將采用一種注入硼9.5X10”cm?2、能量lOKeV、離子傾斜角度為7。、

旋轉(zhuǎn)30°的閾值電壓調(diào)整注入.

具體過程如下：

a.選“Commands—>Process一Xmplant…”打.開ATHENAImplant菜單.

b.選擇或輸入以下：

impurity:Boron

Dose:9.5X1011

Energy:10

Model:DaulPearson

Tilt:7

Rotation:30

MaterialType:Crystalline

Commnt:ThresholdVoltageAdjustimplant

c.單擊WRITE及Cont

2.8用TONYPLOT分析硼雜質(zhì)分布

a.用TONYPLOT繪畫str文件“.history05.str”.接著選“Plot—>Display...

b.單擊Contours圖標(第四個).

c.依次選擇**Define—>Contours…"，Quantity選Boron.

d.單擊Apply.

硼雜質(zhì)的分布圖如圖所示

TonyPlotUZ&28.R__________

FilerjViewjr)Plotv)ToolsvjPrintJronerties，jHelpv)

AIHtNA

Datafrom.historyOb.str

ftmn(K:in3)

1

61..9

G1..4

51..S

1

51.5.4

1.S

41.4.5

1.5

31.3

1乙

2

?SILVACOInternational2005

圖2.3離子注入后硼雜質(zhì)濃度分布圖

接下來，我們用二維結(jié)構(gòu)圖上cutline工具創(chuàng)建一個硼雜質(zhì)分布的一維橫截圖.

a.選"Tools—>Cutline）,打開Cutline菜單.

b.選第一個圖標（默認選項）.

c.鼠標左鍵點擊氧化層上方并拖拉至結(jié)構(gòu)的底部.硼雜質(zhì)一維分布圖就如圖所示.

TonyPlotV28.26R

FileT)View「)Plot丁)Tools，；PrintrProperties丁)Helpv

ATHENASeclton1fromliisUjryt)5.str

DatafromJitstoryOS.str(0297.-0JJ193)to(0.297.0.Z93)

14-

0.1112t,314OSOA9.7

Micros

Dragmousetodefinestartandendofcutline?SILVACOInternational2005

圖2.4在結(jié)構(gòu)上畫垂直橫截線

2.9共形沉積(conformaldeposition)多晶硅

共形沉積可用來產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu).共形沉積是最簡單的沉積模型，可用于對沉積層形狀并無

特別要求的任意情形.

NMOS工藝中多晶硅厚度為2000埃.

a.首先打開ATHENADeposit菜單----依次選uProcess—>Deposit—>Deposit...”即可.

b.選擇或輸入以下：

Type:confbrmal(默認選項)

Material:Polysilicon

Thickness:0.2

Totalnumberofgridlayers:10

Comment:ComformalPolysiliconDeposition

c.單擊WRITE及Cont

d.繪畫結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)如下.

圖2.5多晶硅的共形沉枳

2.10簡單幾何刻蝕

接下來是多晶硅柵極的定義.在本例也多晶硅柵極邊緣在x=0.35um處,中心在x=0.6um

處.因此，我們將刻蝕x=0.35um以左的區(qū)域.

a.依次選擇“Commands—>Process—>Etch—>Etch...”打開ATHENAEtch菜單.

b.選擇或輸入以下：

EtchMethod:Geometrical(默認選項)

Geometricaltype:Left

Material:Polysilicon

Etchlocation(um):0.35

Comment:PolysiliconDefinition

c.單擊WRITE及Cont.

得到的結(jié)構(gòu)圖如下.

圖2.6刻蝕多晶硅以形成柵極

2.11多晶硅氧化

下一步是多晶硅氧化以為多晶硅離子注入摻雜作準備.氧化條件為在900CJ個大氣壓

下用濕氧法進行3分鐘.

因為氧化是在未損傷的圖案化的(非平面的)多晶硅上進行，所以產(chǎn)用的方法為fermi和

compress方法.fermi方法是用在摻雜濃度小于IX的未損傷的襯底而compress方法

用于模擬非平面結(jié)構(gòu)氧化及二維氧化.

a.首先打開ATHENADiffuse菜單:依次選擇"Commands—>Process—>Diffuse...”即可.

b.選擇和輸入以下：

Time:3

Temperature:900

Ambient:Wet02

Gaspressure:1

HCL(uncheck)

DiffusionModels:Fermi

OxidationModels:Compressible

Comment:PolysiliconOxidation

c.單擊WRITE及Cont

得到的結(jié)構(gòu)如圖.

圖2.7多晶硅柵的氧化

2.12多晶硅摻雜

多晶硅氧化后，下?步就是用磷摻雜多晶硅以形成n+多晶硅柵.在這里，磷劑量為3X

1013cm巳注入能量為20KeV.

a.首先打開ATHENAImplant菜單:依次選擇"Commands—>Process—>Implant..."即可.

b.選擇和輸入以下：

Impurity:Phosphorus

Dose:3X1013

Energy:20

Tilt:7

Rotation:30

Model:DualPearson

MaterialType:Crystalline

Comment:PolysiliconDoping

c.單擊WRITE及Cont

d.繪畫結(jié)構(gòu),并觀察其凈摻雜分布----aDisplay(2DMesh)一>Contoursicon(第四個)

—>Apply”.

圖2.8多晶硅離子注入后凈摻雜分布

e.觀察磷分布---先打開Contours窗口：“Display(2DMesh)—>Contoursicon—>Apply

一>Define(右鍵)->Contours...”,然后選Quantity為Phosphorus,最后單擊Apply及Dismiss.

磷雜質(zhì)濃度分布如下圖所示.

口TonyPldTV2.8.2&R

File?ViewPlot1Tools，：Print\)PropertiesHelp；

ATHENA

Datafrom.histoi\O9.str

S

U

C

U

D

一

二

F

揩

僚

e

駕

產(chǎn)

i

為

2

?SILVACOInternational2005

圖2.9磷雜質(zhì)濃度分布

2.13隔離氧化層的淀積(SpacerOxideDeposition)

源、漏離子注入之前必須進行隔氧淀積.本例中隔氧淀積厚度為0.12um.

a.首先打開ATHENADeposit菜單：依次選擇“Commands—>Process—>Deposit

一>Deposit…”即可.

b.選擇和輸入以下：

Material:Oxide

Thickness:0.12

Totalnumberofgridlayer:10

Comment:SpacerOxideDeposit

c.單擊WRITE及Cont

圖2.10隔氧淀積后的結(jié)構(gòu)

2.14側(cè)墻(SidewallSpacer)氧化隔離的形成

a.打開ATHENAEtch菜單

b.選擇或輸入以下：

Material:Oxide

Thickness:0.12

Commnt:SpacerOxideEtch

c.單擊WRITE及Cont

圖2.11干刻形成邊墻隔氧

2.15源/漏極注入與退火

為了形成NMOS的n+源/漏，在本例中,采用的是神淇劑量為5X10，m&,注入能量為

50KeV:

a.打開ATHENAImplant菜單

b.選擇或輸入以下：

Implant:Arsenic

Dose:5XIO15

Energy:50

Tilt:7

Rotation:30

MaterialType:Crystalline

Comment:Source/DrainImplant

c.單擊WRITE

接下來在900℃、1個大氣壓、氮氣氛圍下退火1分鐘：

a.打開ATHENADiffuse菜單

b.選擇或輸入以E

Time:1

Temperature:900

Ambient:Nitrogen

GasPressure:1

DiffusionModels:Fermi

OxidationModcls(uncheck)

Comment:Source/DrainAnnealing

c.單擊WRITE及Cont

用TONYPLOT繪畫該結(jié)構(gòu)的摻雜分布如下圖.

圖2.12源/漏離子注入與退火后凈摻雜分布

下一步，我們想觀察退后前后凈摻雜分布.為了達到此目的，

a.在上圖窗口中,依次選“File—>LoadStructure...”,在filename一項鍵入".history12.str",

隨后右鍵點擊Load并選Overlay.這樣一來，".historyI2.str”將覆蓋于u.history12.strM之上.

b.依次單擊“Tools—>Cutline...''打開Cutline窗口.

c.選擇鍵盤圖標，輸入如下X、丫值：

StartX:0.1Y:-0.05

EndX:0.1Y:0.2

d.接回車鍵,在彈出的信息確認框中單擊Confirm按鈕即可看到退火前后一維濃度分布

圖如圖.

TonyPlotU282&R

File?ViewPlot'jTools,)Printv)PropertiesHelp，?

ATHENAOVERLAYSoction1from.history13.str

Datafrommultiplefiles(0.1,0.05)to(0.1,02)

Het

_20

=19

18

1e2

17n2

云

=1$w

=.6

-,tJ,7S

_12:

=凝

I(kl00€008110120.140.1S018120.220.24

Microns

&SILUACDInternational2005

圖2.13退火前后凈摻雜濃度分布

2.16金屬的淀積

Athena中的電極可以是任意金屬、硅化物或多晶硅區(qū)域.唯一的特例是背電極可以安置

在結(jié)構(gòu)的底部而不需考慮那里是否存在金屬.在本例中,NMOS的金屬化是先形成源/漏的接

觸窗口，然后沉積A1和A1圖案化.

為了形成源/漏的接觸窗口獷=0.211111以左的氧化層將被刻蝕掉.

a.打開ATHENAEtch菜單

b.選擇或輸入以下：

Geometricaltype:Left

Material:Oxide

Etchlocation:0.2

Comment:OpenContactWindow

c.單擊WRITE及Cont

HiTONYPLOT繪畫其結(jié)構(gòu)圖如圖.

圖2.14金屬化前形成接觸窗口

接下來用ATHENADeposit沉積0.03um厚的AL

a.首先打開ATHENADeposit菜單.

b.選擇或輸入以下：

Material:Aluminum

Thickness:0.03

Totalnumberofgridlayer:2

Comment:AluminumDeposition

c.單擊WRITE及Cont

圖2.15HalfNMOS結(jié)構(gòu)的鋁沉積

最后用Etch刻蝕x=0.18um以右的鋁層：

a.打開ATHENAEtch菜單.

b.選擇或輸入以下：

Geometricaltype:Right

Material:Aluminum

Etchlocation:0.18

Comment:EtchAluminum

c.單擊WRITE及Cont

圖2.16HalfNMOS結(jié)構(gòu)的鋁刻蝕

2.17提取器件參數(shù)

在本節(jié)中，我們將提取HalfNMOS結(jié)構(gòu)的一些器件參數(shù)?這些參數(shù)包括:結(jié)深、n++源/漏

方塊電阻、隔氧下LDD方塊電阻、長溝道閾值電壓.所有這些參數(shù),均可用DECKBUILD中

的Extract提取.

2.17.1提取結(jié)深

a.打開ATHENAExtract菜單---依次選擇“Commnds—^Extract”即可.

b.選擇或輸入以下：

Extract:Junctiondepth

Name:nxj

Material:Silicon

Extractlocation:X=0.2

c.單擊WRITE.

文件窗口將出現(xiàn)：

extractname=Mnxjnxjmaterial=nSilicon"mat.occno=lx.val=0.2junc.occno=l

在該extract語句中,name二“nxj”是n型源/漏結(jié)深;xj表明結(jié)深將要被提

取;material="Silicon”指包含結(jié)的物質(zhì)為硅;mat.occno=l表明提取結(jié)深的位置為第一層硅

處;x.val=0.2指提取源/漏結(jié)深于x=0.2um處;junc.occno=l表明提取結(jié)深在第一個結(jié)處.在更

復雜的結(jié)構(gòu)中，相同的物質(zhì)層中有多于1個結(jié).例如，?個n+源/漏區(qū)位于p型阱和n型襯底中

的結(jié)構(gòu)，就有兩個結(jié).

2.17.2提取N++源/漏方塊電阻

為了提取方塊電阻，先再次激活ATHENAExtract菜單，然后選擇或輸入以下：

Extract:Sheetresistance

Name:n++sheetresistance

Extractlocation:X=0.05

接著單擊WRITE.文本窗口將出現(xiàn)如下文字：

extractname="n++sheetres”sheet.resmaterial="SiHcon”mat.occno=lx.val=0.05

region.occno=l

在該語句中,sheet.res為即將提取的是方塊電阻;mat.occno=l和region.occno=l定義物質(zhì)

和區(qū)域發(fā)生層數(shù)均為l;x.val=0.05表明提取的位置為x=0.05um處.

提取的結(jié)果數(shù)據(jù)保存在results.final中.

2.17.3提取LDD方塊電阻

為了提取隔氧下的LDD方塊電阻，由前面模擬得到的結(jié)構(gòu),X=0.3是合理的.提取過程如

上,需改變的只是Extract和Name改為Iddsheetres以及Extractlocation的X量改為0.3.

2.17.4提取長溝道閾值電壓

為了提取x=0.5um處NMOS的長溝道閾值電壓：

a.打開ATHENAExtract菜單.

b.選擇或輸入以下：

Extract:QUICKMOSIDVt

Devicetype:NMOS

Name:Idvt

Qss:lelO

Extractlocation:X=0.5

c.單擊WRITE與Cont.

在這里需要特別指出的是,Qss為陷阱電荷（單位為cm”）.默認情況下，襯底0V,柵壓為0-5V,

步長0.25V,器件溫度為300Kelvin.

2.18鏡像得到完整NMOS結(jié)構(gòu)

前面得到的只是HalfNMOS結(jié)構(gòu)，為了得到完整結(jié)構(gòu)，接下來需對該結(jié)構(gòu)進行Mirror.該

步驟必須在輸HI結(jié)構(gòu)或命名電極之前完成.具體過程如下：

a.依次選“Commands—>Structure—>Mirror”打開ATHENAMirror菜單.

b.在彈出的窗口中選Right.

c.單擊WRITE及Cont.

完整結(jié)構(gòu)如下.

R)nyPl01U2.B.28.Rn

FIeViewPlotTtx?ls-Print、)Properties\、Help

ATIIENA

Datafromnmos.str

?SILVACOInternational2005

圖2.18完整NMOS結(jié)構(gòu)（定義電極前）

從這個圖中可以看出，右半部分結(jié)構(gòu)完全是左半部分的復制，具體的量包括網(wǎng)格，摻雜值,

等等.

2.19定義電極

為了便于在器件模擬器ATLAS中設置偏壓,NMOS晶體管的電極必須進行定義：

a.依次選“Commands—>Structure—>Electrode...”打開ATHENAElectrode菜單.

b.選擇或輸入以下：

ElectrodeType:SpecifiedPositon

Name:Source

XPosition:0.1

c.單擊WRITE.

類似地，可以定義漏極位于x=l.l、柵極位于x=0.6處.

最后定義背電極.在ATHENA中，背電極可以位于結(jié)構(gòu)的底部而不需要那里是否有金屬

存在.為了定義背電極，在打開的Electrode中，選ElectrodeType為Backside,然后在Name一欄

鍵入backside即可.

2.20保存ATHENA結(jié)構(gòu)文件

雖然DECKBUILD的歷史功能（historyfunction），可保存每個工藝步驟的結(jié)構(gòu)文件，但

在很多情況下，我們需要的是獨立保存和初始化結(jié)構(gòu).理由如下：

i.歷史文件的個數(shù)有限制（默認是25個）

ii.沒必要在每次DECKBUILD文本運行后保存幾十個歷史文件（每個歷史文件占幾十

或幾百K字節(jié)）

iii.通常用戶想保存的只是關(guān)鍵步驟后的文件（如最后得到的結(jié)構(gòu)文件）

為了保存或裝我一個結(jié)構(gòu)，

a.依次選“Commands—>FileI/O...”打開ATHENAFileI/O菜單.

b.單擊Save按鈕并命名文件為nmos.str

c.單擊WRITE和Cont.

d.用TONYPLOT打開nmos.str結(jié)構(gòu)文件.選擇電極按鈕以觀察漏極、源極、柵極和背電

圖2.19完整NMOS結(jié)構(gòu)

Chapter3:用ATLAS對NMOS進行器件模擬

3.1ATLAS總攬

ATLAS是一個基于物理的二維器件模擬器.它可預測特定半導體結(jié)構(gòu)的電學行為，并了

解器件運行時內(nèi)部物理機制.

在SILVACO'sVIRTUALWAFERFAB模擬環(huán)境下,ATLAS可單獨使用或者是作為一個核心

工具.在預測電路性能各過程變量影響的先后順序中,器件模擬將擬合器件模擬和SPICE模型

提取結(jié)果.

3.1.1ATLAS輸入和輸出

圖3.1顯示的是出入ATLAS信息的類型.大部分ATLAS模擬使用兩個輸入:一個包含等

待執(zhí)行的命令文本文件，以及一個定義結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)文件.

ATLAS產(chǎn)生三種輸出文件.運行輸出(run-timeoutput)提供仿真運行過程的指南，并告

知錯誤信息和警告信息出現(xiàn)的位置;日志文件(logfiles)保存器件分析時所有終端的電流電

壓;解文件(solutionfiles)保存器件處于某一偏壓下解變量相關(guān)的二維、三維數(shù)據(jù).

圖3.1ATLAS的輸入與輸出

3.1.2ATLAS的命令順序

在ATLAS中，每個輸入文件必須包括以正確順序排列的五組語句(排列順序如圖3.2).如

果順序錯誤，通常會產(chǎn)生一個錯誤信息，程序運行停止，或?qū)е鲁绦虻牟徽_運行.

GroupStatements

MESH

1.StructureSpecificationREGION

ELECTRODE

DOPING

MATERIAL

MODELS

CONTACT

INTERFACE

3.NumericalMethodSelection-METHOD

LOG

4.SOLVE

LOAD

SAVE

5.ResultsAnalysis_____EXTRACT

TONYPLOT

圖3.2ATLAS命令組以及每組主要的語句

3.1.3開始運行ATLAS

為了在DECKBUILD下運行ATLAS,鍵入

deckbuild-as&

幾秒延時后,DECKBUILD將如圖3.3所示，從DECKBUILD下方可以看出，現(xiàn)在已進入

ATLAS而不是ATHENA模塊.

nextJline)stopyJ)cont)run)quitLine:1

paste)initJ)pause)clear)restart)killStop;None

WedMar913:22:562005

E乂0cLitingonhost:svco-sg31

ATLM>

ATLASstartedATLAS

圖3.3DECKBUILD窗口下ATLAS模擬器

3.1.4用ATLAS定義結(jié)構(gòu)

在ATLAS中，一個器件結(jié)構(gòu)可以用三個不同方式來定義：

1.從某一文件中讀入已經(jīng)存在的結(jié)構(gòu).這個結(jié)構(gòu)可以由其他程序（如ATHENA或者

DEVEDIT)創(chuàng)建.

2.利用DECKBUILD的自動界面特性，從ATHENA或DEVEDIT轉(zhuǎn)換而來.

3.用ATLAS命令構(gòu)建一個結(jié)構(gòu).

相對于第三種方法，第一和第二種方法使用起來更便利,故而更受青睞.在本手冊中，將使

用第二種方法.

3.2NMOS結(jié)構(gòu)的ATLAS模擬

在本手冊中，我們將實現(xiàn)如下模擬：

l.Vds=0.1V時Id-Vgs關(guān)系曲線.

2.提取一些器件參數(shù)，如Vt,Beta和Theta.

3.Vgs=l.IV,2.2V,3.3V時Id-Vds關(guān)系曲線.

在第二章用ATHENA創(chuàng)建了NMOS結(jié)構(gòu)，接下來,將模擬NMOS器件的電學特性.

3.3創(chuàng)建ATLAS輸入DECK文件

為了開始ATLAS模擬器，鍵入語句：

goatlas

為了載入由ATHENA產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)文件“nmos.str”：

在ATLASCommands菜單中，依次選擇Structure—>Mesh...”打開ATLASMesh菜單.

a.在Type一欄，單擊Readfromfile.

b.在Filename?欄，填入結(jié)構(gòu)文件名“nmos.str”.

c.單擊WRITE按鈕.

3.4模型定義命令組

因為NMOS結(jié)構(gòu)已經(jīng)在ATHENA中創(chuàng)建，故跳過結(jié)構(gòu)定義命令組.在模型定義命令組中,

我們必須分別用Model語句、Contact語句和Interface語句定義模型、接觸特性以及界面屬

性.

3.4.1模型定義

對于簡單的MOS模擬,推薦使用模型SRH和CVT.SRH是Shockley-Read-Hall復合模型

而CVT是Lombardi反型層模型(參見ATLASUser'sManualvol.lpp.3-43),它設置一個包含濃

度、溫度、平行場、垂直場依賴的通用遷移率模型.為了定義這兩個模型：

a.依次選擇"Commands—>Modcls—>Models..."打開ATLASModel菜單.

b.選擇以下選項：

Category:Mobility

Mobility:CVT

PrintModelStatus:Yes

為了改變CVT模型默認值(如果必要的話)：

1.單擊DefineParameters及CVT…，即可看到CVT菜單.

2.修改參數(shù)后單擊Apply.

為了增加復合模型：

a.在Category一欄選擇Recombination”將看到三個復合模型:Auger,SRH(FixedLifetimes)

和SRH(Conc.Dep.Lifetimes).

b.選擇SRH(Conc.Dep.Lifetimes).

c.單擊WRITE.

3.4.2定義接觸性質(zhì)

電極與半導體的接觸在默認情況下被假設成歐姆接觸.如果定義了功函數(shù)，電極就被看作

是肖特基接觸Contact語句用來定義?個或多個電極的金屬功函數(shù).為了定義n型多晶硅的功

函數(shù)：

a.依次選擇"Commands—>Models—>Contacts…”打開ATLASContact菜單.

b.輸入或選擇如下：

Electrodename:gate

n-poly

c.單擊WRITE.

3.4.3定義界面性質(zhì)

為了定義NMOS結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì),將使用Interface語句.該語句用來定義半導體/絕緣體

界面的界面電荷密度和表面復合速度.為了定義Si-SiO2界面處存在面密度為3X101%!?的固

定電荷：

a.依次選擇aCommands一>Models一>Interface”打開ATLASInterface菜單.

b.在FixedChargeDensity—*欄輸入3el0.

c.單擊WRITE.

3.5數(shù)值方法選擇命令組

接下來，我們?yōu)槟M選擇數(shù)值方法的類型.在解半導體器件問題時可以使用不同的方法.

對于MOS結(jié)構(gòu),將使用解耦合(GUMMEL)和全耦合(NEWTON)方法.簡單說來，解耦合方法

(如GUMMEL方法)將在保持其他變量不變的情況下輪流解每個未知量，這個過程一直持續(xù)

到得出一個穩(wěn)定解.全耦合方法(如NEWTON方法)是同時解系統(tǒng)中所有的未知量.Method語

句歸納如下：

a.依次選擇"Commands—>Solutions—>Method..”打開ATLASMethod菜單.

b.在Method一欄同時選擇Newton和Gummcl.

c.Max.numofinterations默認值為25.如有必要可改變.

d.單擊WRITE.

同時選擇Newton和Gummel將導致解答過程先進行Gummel循環(huán),如果還沒收斂的話，

接著用Newton方法求解.

3.6解定義命令組

在解命令組里,Log語句用來保存ATLAS計算產(chǎn)生的包括所有終端性質(zhì)的日志文

件,Solve語句用來解不同偏壓時的情形,Load語句用來載入所有解文件(solutionfiles).

3.6.1Vds=0.1V時Id-Vgs曲線

在本手冊中,我們期望得到NMOS結(jié)構(gòu)的一條簡單的Vds=0.1V時Id-Vgs曲線，為了達到

此目的：

a.依次選擇"Commands—>Solutions—>Solve...”打開ATLAStest菜單.

b.單擊Prop…按鈕，激活ATLASSolveproperties菜單.

c.在Logfile一欄輸入日志文件名“nmosl_"并單擊OK按鈕.

d.接著，將鼠標移至工作表區(qū)域,單擊鼠標右鍵，選擇“Addnewrow”如圖3.4所示.

e.把鼠標移至gate參數(shù)，接著單擊鼠標右鍵.在一列電極名稱中選擇電極drain.然后將

InitialBias設置為0.1并單擊WRITE.

f.接著，再次將鼠標移至工作表區(qū)域,單擊鼠標右鍵，選擇“Addnewrow”.

g.在“gate”-行，將鼠標移至CONST,單擊鼠標右鍵，選擇“VAR1”，并將最終偏壓Final

Bias

設置為3.3,步長Delta設置為0.1.

圖3.4增加新的一行

h.單擊WRITE.在DECKBUILD文本窗口將看到如下語句：

solveinit

solvevdrain=0.1

logoutf=nmosl_0.log

solvename=gatevgate=0vfinal=3.3vstep=0.1

在上面語句中,solveinit提供零偏壓（或熱平衡）下電勢和載流子濃度的初始估計值.解完

零偏壓情形,第二個solve語句也即"solvevdrain=0.1"將在漏極上設置一直流偏壓.如果某一

特別的電極的偏壓沒有被任意Solve語句定義,則該電壓為零.因此，沒必要用Solve語句明確

地定義所有電極的偏壓.

第三個語句是一個Log語句：“l(fā)ogout4nmosl_0.log”.該語句將ATLAS計算的所有的

模擬結(jié)果都保存在nmosl_0.log這個日志文件中.這些結(jié)果包括直流模擬時的每個電極的電

流電壓.為了終止終端性質(zhì)保存到這個文件,可使用另一個Log語句“l(fā)ogoff'或使用另一個

log文件名.

最后一個Solve語句"solvename=gatevgate=0vfinal=3.3vstcp=0.1”將使柵壓以步長0.1V

從0V變化到3.3V.注意該語句中的name參數(shù)必不可少且電極名稱是區(qū)分大小寫的.

3.6.2提取器件參數(shù)

一些器件參數(shù)如Vt,Beta和Theta的提取，可用ATLASExtract菜單來實現(xiàn)：

a.依次選擇"Commands—>Extracts—>Device..."打開ATLASExtraction菜單.

b.在默認情況下,Vt在Testname一欄中被選擇.當然，用戶可以修改默認的提取表達式.

c.單擊WRITE按鈕,VtExtract語句將出現(xiàn)在DECKBUILD文本窗口中.

重復上述步驟，將第二步中的Vt依次改為Beta、Theta.

在運行(run)模擬之前，我們需要用Tonyplot語句繪畫出模擬結(jié)果.為了自動繪畫出Id-Vgs

關(guān)系曲線，在最后的Extract語句后鍵入以下Tonyplot語句即可：

tonyplotnmosl_0.log

現(xiàn)在，我們可以開始運行模擬.單擊DECKBUILD上run按鈕開始器件模擬.一旦模擬完

成,TONYPLOT將自動繪制ld-Vgs曲線,曲線圖如下.

圖3.5NMOS器件的ld-Vgs關(guān)系曲線

同樣地，提取的器件參數(shù)(即Vt、Beta和Theta)可以從DECKBUILD的運行輸出窗口看到,

如圖3.6.

47G-14.3*-22.9*

ElectrodeVaCV)Jp(A/um)

source0.000e+00-5.847e-05-2.976e-27-5.847e-05-5.847e-05

drain1.000e-U15.847e-052.019e-235.847e-055.847L05

gate3.300e+00-O.OOOe+OO-0.000e+00-0.000e+00o.onnH-on

backside0.000e+00-1.8826-14-7.709e-16-1.959e-14-1.959e-14

Total-1.25413

Timeforbiaspoint:24.00sec.

Totaltime:1067.96sec.

ATLAS>

EXTRACT>initinf="nmos1_0.log"

EXTRACT>extractnam9="vt"

(xinterceptCmaxslopeCcurve(abs(v."gateM),absCi."drain"))))-

absfaveCv.,,drainM))/2.0)

vt=0.203864V

EXTRACT>extractname="beta"

slopeCmaxslopeCcurveCabsCv."gate").absCi."drain"))))*

C1.0/absCaveCv."drain")))

b9ta=0.000280309A/V2

EXTRACT〉extractn