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文檔簡介
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Empty Document,清空DECKBUILD文本窗口;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go Athena ;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。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。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0.6m0.8m的方形區(qū)域內創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格為例介紹網(wǎng)格定義的方法。圖4.3 調用ATHENA網(wǎng)格定義菜單2 在0.6m0.8m的方形區(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)欄并輸入值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0.01。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Y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。圖4.6 Y方向上的網(wǎng)格定義g. 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。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。圖4.7 對產生非均勻網(wǎng)格的行說明4.1.3定義初始襯底參數(shù)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,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1.01014原子數(shù)/cm3;(也可以通過以Ohmcm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Comment欄,輸入“Initial Silicon Structure with Orientation”,如圖4.8;f. 點擊WRITE鍵以寫入網(wǎng)格初始化的有關信息。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Tools菜單項,并依次選擇Plot和Plot Structure,如圖4.9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所示?,F(xiàn)在,之前的INIT語句創(chuàng)建了一個0.6m0.8m大小的、雜質硼濃度為1.01014原子數(shù)/cm3、摻雜均勻的晶向的硅片。這個仿真結構已經可以進行任何工藝處理步驟了(例如離子注入,擴散,刻蝕等)。圖4.9 繪制歷史文件結構圖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。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”并點擊WRITE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”將會生成;選中文件“.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”;對于Material一欄,點擊Material,并選擇SiO2;在Extract location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
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