SilvacoTCAD基CMOS器件仿真-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的構(gòu)造與性能模擬研究

...wd...MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的構(gòu)造與性能模擬研究本文主要介紹了N溝道增強(qiáng)型MOSFET的開展歷程、基本構(gòu)造和工作原理，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silvacoTCAD的開展；以NMOS為例，描述了軟件的主要組件、原理、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。silvacoTCAD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，表達(dá)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:MOSFETTCAD工藝仿真器件仿真目錄TOC\o"1-2"\h\z\t"標(biāo)題3,2,標(biāo)題4,1,標(biāo)題5,2,標(biāo)題6,2,標(biāo)題7,2,標(biāo)題8,1,標(biāo)題9,2,標(biāo)題10,2,標(biāo)題11,2,標(biāo)題12,1,標(biāo)題13,1,標(biāo)題14,1,標(biāo)題15,1"1引言11.1MOSFET的開展11.2TCAD的開展32MOSFET的基本構(gòu)造及工作原理42.1MOSFET的基本原理及構(gòu)造42.2MOSFET的基本工作原理52.3MOSFET的特性93TCAD工具的構(gòu)成、仿真原理、仿真流程及仿真結(jié)果113.1TCAD工具的構(gòu)造與仿真原理113.2用TCAD工具仿真NMOS的步驟113.3TCAD工具的仿真結(jié)果154結(jié)論16附錄21正文：1引言在當(dāng)今時(shí)代，集成電路開展十分迅猛，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)的開展，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)展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，能夠模擬尋找最適宜的工藝來(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)展同時(shí)優(yōu)化，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)以最小的代價(jià)設(shè)計(jì)出性能符合要求的半導(dǎo)體器件。進(jìn)展新工藝的開發(fā)，需要設(shè)計(jì)很多方面的內(nèi)容，如：進(jìn)展器件性能與構(gòu)造的優(yōu)化、對(duì)器件進(jìn)展模型化、設(shè)計(jì)進(jìn)展的工藝流程、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)展聯(lián)系，本著簡(jiǎn)單易造的準(zhǔn)則，系統(tǒng)地進(jìn)展設(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)展的，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)展新工藝研究開發(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)線的公司也有時(shí)機(jī)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)展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)展工藝監(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。1.1MOSFET的開展自從晶體管創(chuàng)造以來(lái)，電子器件與社會(huì)得到了迅猛的開展。1906年，德?！だ姿固亍睱eedeForest〕創(chuàng)造了真空三極管，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)的開展，真空三極管對(duì)信號(hào)放大的可靠性差、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〔MervinKelly〕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〔RussellOhl〕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)ǎ硗夥较螂娏鲙缀鯙榱?，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〔SeymourBenzer〕發(fā)現(xiàn)鍺單晶具有其他半導(dǎo)體所不具備的非常好的整流特性。1945年，二戰(zhàn)完畢后，默文·凱利任命威廉·肖克利〔WilliamShockley〕與斯坦利·摩根〔StanleyMorgan〕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)體外表產(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)體外表電流大小的器件，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，,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)接觸晶體管的創(chuàng)造在人類微電子行業(yè)具有無(wú)比重大的意義，它由肖克利創(chuàng)造，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)，比方它的噪聲很大，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)三層構(gòu)造，這個(gè)三層構(gòu)造沒(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型構(gòu)造。這種構(gòu)造相當(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)外表，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〔RichardHaynes〕、約瑟夫·貝克爾和約翰·夏夫〔JohnShive〕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。1950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年蒂爾創(chuàng)造了硅晶體管，硅耐溫高，能夠在較高的溫度下穩(wěn)定工作，這一創(chuàng)造為晶體管的研究帶來(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)體外表的電流的作用，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)室才開場(chǎng)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)熱氧化硅外表通過(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)給集成電路的開展帶來(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)重要的創(chuàng)造促使美國(guó)無(wú)線電公司創(chuàng)造了另一樣為集成電路奉獻(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的管子。MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor〕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、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的創(chuàng)造對(duì)電子行業(yè)的開展奉獻(xiàn)不可估量。1.2SilvacoTCAD的開展及應(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SilvacoTCAD是如今EDA業(yè)界的出色代表。Silvaco中文名稱是矽谷科技，是有硅〔Sil〕谷(va)公司(co)英文單詞的縮寫。矽谷科技總部在美國(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ＥＤＡ公司的設(shè)計(jì)軟件，讓其他供給商難以望其項(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〔SILVACODataSystems〕，由IvanPesic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)。憑借其出色的工藝仿真工具ATHENA和器件仿真工具ATLAS，公司至1992年成為市場(chǎng)上主要TCAD供給商。1997年，公司再次開發(fā)新的領(lǐng)域：模擬ICCAD市場(chǎng)，其開發(fā)的EDA工具被廣泛的用于原理圖捕捉，幅員的設(shè)計(jì)和DRC、LVS和LPE等驗(yàn)證。2004年SILVACO將其EDA產(chǎn)品線別離出來(lái)，成立了獨(dú)立于SILVACO的Simucad設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司〔SimucadDesignAutomation〕，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)先地位打下根基。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。Silvaco公司在美國(guó)經(jīng)過(guò)20多年的開展，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，高速的準(zhǔn)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開展迅猛，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)上其他供給商無(wú)可比較的。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AnalogDesignFlow。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。Silvaco公司還開發(fā)了幅員設(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)歷，希望在中國(guó)尋求一片開展的天地，為中國(guó)市場(chǎng)解決Foundry的問(wèn)題。2MOSFET的構(gòu)造及其基本工作原理2.1MOSFET的基本構(gòu)造金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)簡(jiǎn)稱MOSFET。它的核心構(gòu)造是絕緣體、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的基本構(gòu)造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)體外表感應(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管的構(gòu)造。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)多晶硅形成的柵極構(gòu)造。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構(gòu)造是對(duì)稱的，所以源極區(qū)和漏極區(qū)沒(méi)有物理上的差異。在MOS構(gòu)造中，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。2.2MOSFET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)作用下向上外表聚集。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。2.3MOSFET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)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，假設(shè)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)，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??；假設(shè)繼續(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；假設(shè)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)抑制夾斷區(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)展仿真的原理、步驟及結(jié)果3.1TCAD工具的構(gòu)造及仿真原理SilvacoTCAD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tonyplot，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)組件的構(gòu)造和原理：3.1.1DeckBuild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)展各個(gè)步驟的仿真。例如，我們首先由ATHENA或DECKBUILD生成器件構(gòu)造模型，包括器件尺寸、構(gòu)造、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)展仿真，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)展顯示輸出。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)構(gòu)造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3.1.2TonyplotTonyPlot功能非常強(qiáng)大，由TCAD仿真生成的一二維構(gòu)造都可以通過(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、三維構(gòu)造，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，也可將器件構(gòu)造中的信息直接導(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、二維構(gòu)造中的一維切割線、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SILVACOTCAD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、SpiceRawFile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)展注釋，為報(bào)告和演示建設(shè)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)得出的一維和二維構(gòu)造進(jìn)展詳盡測(cè)量和分析。TonyPlot能夠很容易地進(jìn)展多個(gè)圖表之間的比較，能夠顯示電結(jié)果是若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構(gòu)造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)與生產(chǎn)模式聯(lián)合起來(lái)一起使用，能夠提供準(zhǔn)確地成品率分析和有效地校準(zhǔn)工具。3.1.3ATHENAATHENA是由SUPREM-IV開展而來(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)展準(zhǔn)確地模擬，仿真能夠得到各種半導(dǎo)體器件的構(gòu)造，并能預(yù)測(cè)器件構(gòu)造中的幾乎參數(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)量、泄露電流和可靠性之間到達(dá)最正確結(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，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多層拓?fù)?，攙雜分布、以及多種器件構(gòu)造的應(yīng)力高級(jí)仿真環(huán)境允許：3.1.4ATLASATLAS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)電腦就可以準(zhǔn)確地進(jìn)展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ATLASC解釋器模塊等。3.1.2TCAD工具的仿真原理SilvacoTCAD軟件是用來(lái)模擬半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能，進(jìn)展半導(dǎo)體工藝流程仿真，還可以與其它EDA工具(比方spice)組合起來(lái)進(jìn)展系統(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。SilvacoTCAD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?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)算器件某一局部的電學(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，如準(zhǔn)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)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輸入器件參數(shù)和制作過(guò)程，并生成構(gòu)造文件。然后將Athena生成的構(gòu)造文件導(dǎo)入到atlas，使用atlas進(jìn)展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)境下翻開ATHENA，翻開ATHENA編輯界面，定義矩形網(wǎng)格命令語(yǔ)句#Non-UniformGird(0.6umx0.8um)linexloc=0.00spac=0.10linexloc=0.2spac=0.01linexloc=0.6spac=0.01#lineyloc=0.00spac=0.008lineyloc=0.2spac=0.01lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0.15圖表SEQ圖表\*ARABIC1初始化硅襯底區(qū)域產(chǎn)生了<100>晶向的硅區(qū)域,大小為0.6umx0.8um,摻雜為均勻的硼摻雜,濃度為1x10^14atom/cm3.#InitialSIliconStructurewith<100>Orientationinitsiliconc.boron=1.0e14orientation=100two.d圖表SEQ圖表\*ARABIC2在硅片的外表生長(zhǎng)一層?xùn)叛趸瘜?溫度為950度，進(jìn)展干氧氧化11分鐘,在3%的HCL環(huán)境中,一個(gè)大氣壓#GateOxidationdiffustime=11temp=950dryo2press=1.00hcl.pc=3圖表SEQ圖表\*ARABIC3接下來(lái),要來(lái)提取生長(zhǎng)的柵氧化層的厚度#extractname="Gateoxide"thicknessmaterial="SiO~2"mat.occno=1x.val=0.3得到柵氧化層厚度為131.347?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9.5x10^11cm-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#ThresholdVoltageAdjustimplantimplantborondose=9.5e11energy=10crystal圖表SEQ圖表\*ARABIC4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#ConformalPolysiliconDepositiondepositpolysiliconthick=0.20divisions=10圖表SEQ圖表\*ARABIC5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=0.35μm處,同時(shí),設(shè)置柵的中心位置在x=0.6μm處#PolyDefinitionetchpolysiliconleftp1.x=0.35圖表SEQ圖表\*ARABIC6接下來(lái)，我們進(jìn)展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。#PolysiliconOxidationmethodfermicompressdiffustime=3temp=900weto2press=1.00圖表SEQ圖表\*ARABIC7接下來(lái)我們要對(duì)多晶硅進(jìn)展磷摻雜,磷的劑量3x10^13cm-2,能量20KeV.#PolysiliconDopingimplantphosphordose=3.0e13energy=20crystal圖表SEQ圖表\*ARABIC8在進(jìn)展源漏注入之前,先進(jìn)展邊墻氧化層的淀積，我們?cè)O(shè)置淀積厚度為0.12μm#SpacerOxideDepositiondepositoxidethick=0.12divisions=10圖表SEQ圖表\*ARABIC9為了形成氧化墻，我們進(jìn)展干法刻蝕#SpacerOxideEtchetchoxidedrythick=0.12圖表SEQ圖表\*ARABIC10我們通過(guò)注入砷進(jìn)展源漏的注入,設(shè)置砷注入的劑量:5x10^15cm-3注入能量:50KeV.#Source/DrainImplantimplantarsenicdose=5.0e15energy=50crystal源漏注入完成后，進(jìn)展快速退火,條件：氮?dú)鈿夥?1分鐘1個(gè)大氣壓,,900度。#Source/DrainAnnealingmethodfermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00圖表SEQ圖表\*ARABIC11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=0.2μm位置的氧化層刻蝕到左邊#OpenContactWindowetchoxideleftp1.x=0.20圖表SEQ圖表\*ARABIC12接下來(lái),淀積一層鋁，淀積厚度為0.03μm#AluminumDepositiondepositaluminumthick=0.03divisions=2圖表SEQ圖表\*ARABIC13刻蝕鋁層，從x=0.18開場(chǎng)將鋁層刻蝕到右邊#EtchAluminumetchaluminumrightp1.x=0.18圖表SEQ圖表\*ARABIC14提取NMOS構(gòu)造的器件參數(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=0.2處的結(jié)深#extractname="nxj"xjmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.2junc.occno=1b.提取坐標(biāo)x=0.05處的方塊電阻#extractname="n++sheetres"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1\x.val=0.05region.occno=1c.提取邊墻下在0.3處的方塊電阻#extractname="Iddsheetres"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1\x.val=0.3region.occno=1d.提取x=0.5處的一維閾值電壓#extractname="1DVt"1dvtntypeqss=1e10x.val=0.5提取結(jié)果a.x=0.2處的結(jié)深是0.595944b.x=0.05處的N++方塊電阻是28.6859Ω/■c.x=0.3處的LDD方塊電阻是1667.6Ω/■d.x=0.5處的長(zhǎng)溝道電壓時(shí)0.325191V鏡像，將左邊NMOS鏡像到右邊，形成一個(gè)完整的NMOS#structmirrorright圖表SEQ圖表\*ARABIC15下面步驟是設(shè)置電極#electrodename=sourcex=0.10#electrodename=drainx=1.10#electrodename=gatex=0.60#electrodename=backsidebackside圖表SEQ圖表\*ARABIC16到這進(jìn)展完了ATHENA中的工藝仿真步驟，下面要進(jìn)展的是器件仿真3.2.2對(duì)NMOS的器件仿真將ATHENA界面換成ATLAS界面讀取從ATHENA中生成的構(gòu)造文件goatlas#meshinfile=nmos.str設(shè)置模型：我們選擇CVT模型，選擇SRH(FixedLifetimes)復(fù)合模型#modelssrhcvtboltzmanprinttemperature=300#mobilitybn.cvt=4.75e+07bp.cvt=9.925e+06cn.cvt=174000cp.cvt=884200\taun.cvt=0.125taup.cvt=0.0317gamn.cvt=2.5gamp.cvt=2.2\mu0n.cvt=52.2mu0p.cvt=44.9mu1n.cvt=43.4mu1p.cvt=29mumaxn.cvt=1417\mumaxp.cvt=470.5crn.cvt=9.68e+16crp.cvt=2.23e+17csn.cvt=3.43e+20\csp.cvt=6.1e+20alphn.cvt=0.68alphp.cvt=0.71betan.cvt=2betap.cvt=2\pcn.cvt=0pcp.cvt=2.3e+15deln.cvt=5.82e+14delp.cvt=2.0546e+14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#contactname=gaten.poly#interfaces.n=0.0s.p=0.0qf=3e10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。#methodnewtongummelitlimit=25trapatrap=0.5maxtrap=4autonr\nrcriterion=0.1tol.time=0.005dt.min=1e-25dampeddelta=0.5\damploop=10dfactor=10iccglu1cri=0.003lu2cri=0.03maxinner=25求解，得到Id-VGS曲線。首先猜測(cè)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。#solveinitsolvevdrain=0.1logoutf=nmos1_0.logsolvename=gatevdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1圖表SEQ圖表\*ARABIC177.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solveinitsolvevgate=0.3outf=solve_tmp0solvevgate=1.1outf=solve_tmp1solvevgate=2.2outf=solve_tmp2solvevgate=3.3outf=solve_tmp3#loadintemporaryfilesandrampVdsloadinfile=solve_tmp0logoutf=mos1ex02_0.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1loadinfile=solve_tmp1logoutf=mos1ex02_1.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1loadinfile=solve_tmp2logoutf=mos1ex02_2.log