Silvaco中文學習手冊

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. 結構操作f. 保存和加載結構信息4.1.2 創(chuàng)建一個初始結構1 定義初始直角網(wǎng)格a. 輸

2、入 UNIX 命令： deckbuild-an& ， 以便在 deckbuild 交互模式下調用 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；-peckbulld 泰120,金R一 mosl ewOl.in,可U 晌w 丁 Fdit 一 . F m1 丁 Haiti "cntro rCan man is 丁 Tocls 一wru5a隔sa/e as.include,:rmnT/ 17：-"|,料it1 i ifP > r nt

3、_d1.2 line v loRJ 11 y 1 o4i as pac-0 .1 srec-o.ooe EgEEQS stac=-O.OI- - =廣一| Jl， ='-11, III ， srac*u.ub4nMt orlfentatioMOO 匕口Ma1e14 inul-2得pwmll fartr£tiion inclLdlnq -laskirq off of tne nell difFu> tlnvsSO ttrnp-inOO dryo? pi電號上t .00 b cl-3 etch ox1 de thi-:kHJ.O2圖4.1 清空文本窗口b.在如圖4.2所示的

4、文本窗口中鍵入語句go Athena ;一 口 fe2kbuild V3.20, 口口附日值 ditedl dfr；，£paeQ/Olua亡口”:.p|Ig VUjw Et：t F ndMiirt Cofitrol i Commands j Took 3仿真結構中存在離子注入或者形成PN結的區(qū)域應該劃分更加細致的網(wǎng)格。co achoriL圖 4.2 以 “ go athena ” 開始接下來要明確網(wǎng)格。網(wǎng)格中的結點數(shù)對仿真的精確度和所需時間有著直接的影響。c.為了定義網(wǎng)格，選擇Mesh Define 菜單項，如圖4,3所示。下面將以在0.6科mx 0.8題方形區(qū)域內創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格為例

5、介紹網(wǎng)格定義的方法。圖4.3 調用ATHENA網(wǎng)格定義菜單2 在0.6科mx 0.8 航方形區(qū)域內 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）欄并輸入彳1 0;點擊Spacing （間隔）欄并輸入值 0.1 ;b.在 Comment(注釋)欄，鍵入"Non-Uniform Grid(0.6um x 0.8um)”，如圖 4.4所示;c.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)格線分別設為0.2和0.6,間距均為0

6、.01。這樣在X方向的右側區(qū)域內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)；e.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 ;f.在網(wǎng)格定義窗口中點擊insert鍵，將第二、第三和第四條Y網(wǎng)格線設為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。OeL-.ld 11 A-%也h De'In-.Dlratl hmrXL.lmi ltmr¥ IxT.g 5gmM8y ic<-D.2 spK.c-iX01y :：

7、c-5匚日IeHy自51 ncMian;SwciM：Cqmvtithrri,B60Q J-9砥 0 g廿t ,gn口印tjhWwd 口歸 mGuM * -日lri)WFJTT v圖4.6 丫方向上的網(wǎng)格定義g.h.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。為了預覽所定義的網(wǎng)格，在網(wǎng)格定義菜單中選擇 View鍵，則會顯示View Grid窗口。-1 Xt；：kbl11d廿至衛(wèi)口.dlR - CHOlu E）建di ted1日什；白pg ml ?芋匚_三二蟲可亨-1"卡仃包|，Hie r View rEdh 廠 f pid -) 同企in contr

8、r r) Qommands - i Tool：line xHn-e *Unt x n'i re yi - = v11 ri y4.1.3定義初始襯底參數(shù)qu Athen«麻 Sin-Uniform .rid CU.fcuvi ：: U.B jh)1 ：<-0. 2 5EKHC-D.01 Sp4：-D.D11 do-0. D D spar-0.003l K=O.2 &t>JlC=Di011h0.5 spac"0i Ki,-=0E s皿=0,'5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仿真結構建立了一

9、個直角網(wǎng)格系的基礎。接下來需要對襯底區(qū)進行初始化。對仿真結構進行初始化的步驟如下:a.在 ATHENA Commands菜單中選擇Mesh Initialize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雜質板上的Boron鍵，這樣硼就成為了背景雜質;c. 對于Concentration 欄，通過滾動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 X1014原子數(shù)/cm 3；（也可以通過以Ohm - cm為單位的電阻系數(shù)來確定背景濃度。）d. 對于Dimensionalit

10、y 一欄，選擇2D。即表示在二維情況下進行仿真;e. 對于 Comment 欄，輸入"Initial Silicon Structure with <100> Orientation如圖4.8;f. 點擊WRITE鍵以寫入網(wǎng)格初始化的有關信息。X-ln d VTt|i - iblaNrriot; T § imn nrhfAtin 置 1 0 1T Q 111 |iniBurltri Amtlmony曲七目01匚例口 1 " usSllkjfrn2incSelerJunB pMHuifuM igmesiumFnunulnumGSill jrnCftr&a

11、mp;onChromiiurniZMBrmmnrumlEium胃口。尊OMWtrttk. Q" . 'i =. tb* itk 曳，趾卜 1y 0 J 9.9 LK»2 1J 14 卵Oinieras.laiaLl itv： Aut：1 1口 | 2t> Cylirdncalt-c - i： In a.Grid sclfini fartar: .Q 1 n.Q|：9司槽中+1。*號 , -:；，；i h poiriiFirtcci： _ - w-擊 7修好j 1：<. Z .? _ , " i 3家<rsiEn:e 班:“叮 1十 足&q

12、uot;' 匕 -£ I 禺，hnw，R*：Cti<nitllirtitr In Uri6SG+ X"' Rijt :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弁且繪圖現(xiàn)在，我們可以運行 ATHENA以獲得初始的結構。點擊DECKBUILD控制欄里的run鍵。輸出將會出現(xiàn)在仿真器子窗口中。語句 struct outfile=.history01.str 是DECKBUILD 通過歷史記錄功能自動產(chǎn)生的，便于調試新文件等。使初始結構可視化的步驟如下：a. 選中文件".history01.str"。點擊To

13、ols菜單項，并依次選擇 Plot和PlotStructure ，如圖9所示；在一個短暫的延遲之后，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 ；b. 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 Apply 。將出現(xiàn)初始的三角型網(wǎng)格，如圖 4.11所現(xiàn)在，之前的INIT語句創(chuàng)建了一個 0.6科mx 0.8由小的、雜質硼濃度為1.0 X1014原子數(shù)/cm 3、摻雜均勻的100晶向的硅片。這個仿真結構已經(jīng)可以進行任何工藝處理步驟了（例

14、如離子注入，擴散，刻蝕等）。5土Kbul Id 以 20 0-K nrtoLinited l!ed 1.，I r: oFH lu總8二ftwai削比白 wmI E J Vlu*，j Ed L ) FinilIC 3t.wn3* lKri-Jn1fflm Grid： (O.&ut x D.6uiJ11w k 1 ikbOl D Oi an «c *0.10Urte - iKtZ 5pi<-0i0111a K IlKFM 版pxF.QIlHidin CnM * )Goimuii也fTwto )CllSt |H制叫修MB Tern mor.Hwn 型e.時曲已驚11阿flXH

15、r* y ls<-g»OS 5pa-Qitl30I lw y l&cf.z ipw&o.uiII y但/§科奧EQ§1 Ine y 1 dc-I.H spa.c-Cl- 03v ErtStiei sillctn st ructuir 7gl bitncni ni t sill cm c.bariDfa9 .Dfi-1-4 a ri'entiaiti- crwl DD .d0MtMH：W皿出上MH=3 AThCM：- awrg 工AMW 4THEMWAIHir4A>Mm h Im&Z frtM.Siline k 111cs

16、.總 sghacH) .01HliilW M叩wU/CCM 岫 y I (Il-ft. 2 S.i&M.CUn* p 1武,£ "mtj"Hiw y il is:用."Y與i In it ill SIPcob 支 Mdurr 邛出 <1«Q> Cri«ntitfcinlldt 511 Icen： <fffijlFpp»1rtftl4 QiHi?<1it3tlQgTtOO MOr。EtftKL SUt f 1 I5:lmgd fkbcuHf ig，3ATrFN圖4.9繪制歷史文件結構mW .我：

17、01卬口創(chuàng)U心0電心- IBIa SIEI ftl o|fil®lS|ftfinu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，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，950C,3%HCL,11 分鐘。為了完成這個任務，可以在 ATHENA 的Commands 菜單中依次選擇Process 和 Diffuse ATHENA Diffuse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

18、。Constant溫度默認選中（見圖 4.12）;圖4.12由擴散菜單定義的柵極氧化參數(shù)圖4.13 柵極氧化結構b. 在Ambient 欄中，選擇 Dry O2 項；分別檢查 Gas pressure 和HCL欄。將HCL 改成 3% ;在 Comment 欄里輸入" Gate Oxidation " 5WRITE 鍵；c.有關柵極氧化的數(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；d. 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"耨

19、速窕餞.history02.str然后點擊Tools菜單項，并依次選擇Plot和Plot Structure 將結構繪制出來； 最終的柵極氧化結構將出 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化層的厚度。a. 在Commands 菜單點擊Extract，出現(xiàn)ATHENA Extract 菜單；Extract欄默認 為 Material thickness ;在 Name 一欄輸入" Gateoxide ”;又Material 一欄，點擊 Material ，并選拍iO2 ;在Extract location