EDA課程設(shè)計報告

1、天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)實踐實習(xí)報告N溝道MOS管工藝模擬與器件模擬班 級： 電科1103 學(xué) 號： 1110940316 姓 名： 汪兆明 成 績： 2015年4月1日一、實踐目的熟練氧化、離子注入與擴散工藝，使用Silvaco軟件進行模擬，掌握CMOS工藝流程。學(xué)會用Silvaco軟件提取MOS晶體管的各種參數(shù)，掌握用SILVACO工具對MOS晶體管進行器件模擬二、實踐要求1、 用Anthena構(gòu)建一個NMOS管，要求溝道長度不小于0.8微米，閾值電壓在-0.5v 至 1V之間。2、 工藝模擬過程要求提取S/D結(jié)結(jié)深、閾值電壓、溝道表面摻雜濃度、S/D區(qū)薄層電阻等參數(shù)。3、 進行器件模擬，要求得到

2、NMOS輸出特性曲線族以及特定漏極電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線，并從中提取MOS管的閾值電壓和值。4、 分析各關(guān)鍵工藝步驟對器件性能的影響。三、操作步驟1、啟動silvaco軟件。2、創(chuàng)建一個網(wǎng)格并定義襯底的參數(shù)。3、由于本實驗運用了cmos工藝，所以先在襯底上做一個p阱，嚴格定義p阱的濃度，注入能量，以及阱區(qū)的推進。4、生長柵氧化層，嚴格控制各參數(shù)。diffus time=10 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=35、淀積多晶硅，其厚度為0.2um。6、刻蝕掉x=0.35左面的多晶硅，然后低劑量注入磷離子，形成輕摻雜層，劑量為3e13，能量為20kev。7、淀積氧化層

3、，然后再進行刻蝕，以進行下一步的源漏區(qū)注入。8、進行源漏砷離子的注入，劑量為4e15，能量為40kev。9、淀積鋁，形成S/D金屬接觸。10、進行向右鏡像操作，形成完整的nmos結(jié)構(gòu)并定義電極。11、抽取源漏結(jié)深，閾值電壓，n+區(qū)薄層電阻，溝道表面摻雜濃度，輕摻雜源漏區(qū)的薄層電阻等參數(shù)。12、描述輸出特性曲線并繪出。13、描述轉(zhuǎn)移特性曲線并繪出，同時從中提取MOS管的閾值電壓和值。四測試結(jié)果4.1 測試結(jié)果分析4.1.1.工藝圖4.1.2.獲取器件參數(shù)在這一部分，我們將提取這半個NMOS結(jié)構(gòu)的一些器件參數(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.長溝閾值電壓計

4、算結(jié)深 計算結(jié)深的語句如下： extract name="nxj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1獲取N+源/漏極薄層電阻 extract name="n+ sheet rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1測量溝道閾值電壓extract name="n1dvt" 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49在這條extra

5、ct語句中，1dvt指測量一維閾值電壓；ntype指器件類型；x.val=0.49為器件溝道內(nèi)一點；qss=1e10指濃度為1e10cm-3的表面態(tài)電荷；vb=0.0柵極偏置0V。溝道表面摻雜濃度extract name="chan surf conc" surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.45抽取參數(shù)nxj=0.34326 umn+ sheet rho=73.3932 ohm/squaren1dvt=0.607028 Vchan

6、 surf conc=6.14477e+016 atoms/cm34.1.3. NMOS輸出特性曲線族ATLAS> # extract max current and saturation slopeATLAS> EXTRACT> init infile="nmos4.log"EXTRACT> extract name="nidsmax" max(i."drain")nidsmax=0.000442929 EXTRACT> extract name="sat_slope" slope(

7、minslope(curve(v."drain",i."drain")sat_slope=1.47523e-005 EXTRACT> quit抽取參數(shù)nidsmax=0.000442929 sat_slope=1.47523e-0054.1.4. 轉(zhuǎn)移特性曲線 4.1.5. 提取MOS管的閾值電壓和值抽取參數(shù)nvt=0.583053 nbeta=0.000113053 nsubvt=0.0868159 4.2 Silvaco模擬仿真NMOS流程4.2.1.ATHENA的NMOS工藝仿真1. 襯底初始化默認情況下，材料為Silicon并且其晶向為&l

8、t;100>硅材料摻雜質(zhì)Boron，這樣就選擇了硼為襯底的摻雜雜質(zhì)，設(shè)置背景摻雜濃度為：1.0x1014atom/cm3。選擇space.mul=2。這將強制使得仿真在兩維中進行初始化信息如下所示。#InitialSiliconStructurewith<100>Orientationinit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 two.d2 柵氧化將要在硅片的表面生長一層?xùn)叛趸瘜?，這個工藝條件為950度下干氧氧化11分鐘，環(huán)境為3%的HCL，一個大氣壓語句如下：#GateOxidationDiffu stime=11 temp=95

9、0 dryo2 press=1.00 hcl.pc=33 閾值電壓調(diào)整我們將實現(xiàn)一個閾值電壓調(diào)節(jié)注入的工藝，它是通過能量為10KeV，劑量為2x1011cm-2實現(xiàn)的。硼雜質(zhì)的摻雜分布將會如圖所示顯現(xiàn)出來。4. 淀積多晶硅柵在NMOS工藝中，多晶硅的厚度約為0.22um。語句如下：depo poly thick=0.22 divi=10 這里需要10個網(wǎng)絡(luò)層來仿真雜質(zhì)在多晶硅層中的傳輸。5 多晶硅柵定義在NMOS工藝中，多晶硅的厚度約為0.22um。語句如下：depo poly thick=0.22 divi=10 這里需要10個網(wǎng)絡(luò)層來仿真雜質(zhì)在多晶硅層中的傳輸。6多晶氧化接下來定義多晶硅的

10、柵極，將多晶硅柵極網(wǎng)格邊緣定義為x=0.35um，中心網(wǎng)格定義為0.8um。對多晶硅從左邊x=0.35um開始刻蝕。etch poly left p1.x=0.35刻蝕后的圖形如下圖：7 多晶摻雜在定義好多晶柵后，接下來的步驟是多晶注入前的多晶氧化多晶氧化。氧化條件是3分鐘，900度，1個大氣壓下的濕法氧化。fermi模型通常用于沒有損傷的襯底，并且摻雜濃度小于1x1020cm-3。由于氧化是在一個圖形化（即非平面）以及沒有損傷的多晶上進行的，所以使用的模型將會是fermi以及compress，而compress模型用于模擬非等平面結(jié)構(gòu)和2維的氧化工藝。語句為：diffuse time=3 t

11、emp=900 weto2 press=1.08 側(cè)離氧化層淀積在源極和漏極植入之前，需要進行側(cè)墻隔離氧化層的淀積。淀積的厚度為0.12um。depo oxide thick=0.120 divisions=89 側(cè)墻氧化隔離的形成為了形成氧化隔離，必須進行干刻蝕?？涛g厚度為0.12um。語句如下：etch oxide dry thick=0.12010 源/漏極注入和退火現(xiàn)在，我們來通過注入砷進行源漏的注入，這會形成晶體管的n+源漏。源漏注入砷注入的劑量使用：3x1015cm-3，注入能量為：50KeV.implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearso

12、n源漏注入后接下來將是快速退火工藝，條件是：氮氣氣氛，1分鐘，900度，1個大氣壓method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.011 金屬化在形成源漏區(qū)域以后，下個工藝步驟是金屬化這個區(qū)域金屬化。金屬化工藝步驟是首先在源漏區(qū)域形成接觸孔窗口。為了在源漏區(qū)域形成接觸孔窗口，將氧化層在x=0.2m的位置刻蝕到左邊etch oxide left p1.x=0.212獲取器件參數(shù) 在這一部分，我們將提取這半個NMOS結(jié)構(gòu)的一些器件參數(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.長溝閾值電壓計算結(jié)深

13、 計算結(jié)深的語句如下： extract name="nxj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1獲取N+源/漏極薄層電阻 extract name="n+ sheet rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1測量溝道閾值電壓extract name="n1dvt" 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49在這條extract語

14、句中，1dvt指測量一維閾值電壓；ntype指器件類型；x.val=0.49為器件溝道內(nèi)一點；qss=1e10指濃度為1e10cm-3的表面態(tài)電荷；vb=0.0柵極偏置0V。溝道表面摻雜濃度extract name="chan surf conc" surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.45抽取參數(shù)nxj=0.34326 umn+ sheet rho=73.3932 ohm/squaren1dvt=0.607028 Vchan su

15、rf conc=6.14477e+016 atoms/cm313 半個NMOS結(jié)構(gòu)的鏡像前面構(gòu)建了半個NMOS結(jié)構(gòu)，要得到完整的結(jié)構(gòu)，就需要在向器件仿真器輸出結(jié)構(gòu)或電極命名之前完成。語句如下：structure mirror right14保存ATHENA結(jié)構(gòu)文件完成設(shè)計之后有必要對結(jié)構(gòu)進行保存及初始化。點擊Save建立新的文件名nmos.str。在文本編輯區(qū)里輸入如下語句：structure outfile=nmos.str4.2.2. 使用ATLAS的NMOS器件仿真1 概述 在這一部分，我們將對一個NMOS器件結(jié)構(gòu)進行器件仿真1.產(chǎn)生簡單的Vds=0.1V偏壓下的曲線：Idvs.Vgs2

16、.提取器件參數(shù)，例如Vt,Beta和Theta.d13.產(chǎn)生不同Vgs偏置情況下的Idvs.Vds曲線簇2 模型命令集(1) 設(shè)置模型對于簡單的MOS仿真，推薦使用參數(shù)SRH和CVTSRH是ShockleyReadHall復(fù)合模型，而CVT模型是來自于Lombardi的反型層模型，這個CVT模型設(shè)置了通用的遷移率模型，包括了濃度、溫度、平行電場和橫向電場的影響。models cvt srh print(2) 設(shè)置接觸特性與半導(dǎo)體材料接觸在一起的電極默認情況下假設(shè)為歐姆接觸，如果電極上定義了功函數(shù)，那么這個電極就認為是肖特基接觸。命令“Contact”用來設(shè)置電極的金屬功函數(shù)。使用“Contac

17、t”命令來設(shè)置n型多晶硅柵的功函數(shù)：contact name=gate n.poly(3) 設(shè)置界面特性為了設(shè)置NMOS結(jié)構(gòu)的界面特性，需要使用“Interface”命令，這個命令用于定義在半導(dǎo)體和絕緣體之間的界面上的界面電荷密度和表面復(fù)合速率。為了定義硅和二氧化硅之間的界面上存在的固定電荷密度3x1010cm2：interface qf=3e10。3 求解命令集接下來，我們將要為仿真選擇數(shù)值計算的方法，對于半導(dǎo)體器件的問題，有幾種不同的方法可以使用。對于MOS結(jié)構(gòu)來說，可以使用非耦合的GUMMEL法和耦合的NEWTON法。簡單來說，Gummel法將對每個未知量輪流求解，同時保持其他變量不變，

18、不斷重復(fù)這個過程，直到能夠得到穩(wěn)定的解，而Newton法將會對整個系統(tǒng)的所有未知量一起求解。method gummel newton4 解決方法命令組（1） Vds=0.1V時，獲得Id-Vgs轉(zhuǎn)移特性曲線語句如下：solve initsolve vdrain=0.1 log outf=nmos1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatea.上面所顯示的命令集開始于“solveinit”命令b.第二個“Solve”命令，也就是“solvevdrain=0.1”將在漏電極上設(shè)置0.1V的直流偏壓。這個命令將提供零偏壓（或熱平衡

19、）情況下勢能和載流子濃度的初始猜想值（2） 獲取器件參數(shù)。c.“Log”命令用來將ATLAS所仿真出來的結(jié)果存入到文件nmos1_0.log中d.最后一個“Solve”命令將以0.1V為步距，從0V到3V掃描柵電極extract name="nvt" (xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain") abs(ave(v."drain")/2.0) 此語句提取閾值電壓Vt。extract name="nbeta" slope(maxsl

20、ope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")* (1.0/abs(ave(v."drain") 此語句提取值。extract name="ntheta" (max(abs(v."drain") * $"nbeta")/max(abs(i."drain") - (1.0 / (max(abs(v."gate") - ($"nvt") 此語句提取theta值。 抽取參數(shù)nvt=0.5830

21、53 nbeta=0.000113053 nsubvt=0.0868159 (2)生成曲線族 要在Vgs分別為1.1V，2.2V，3.3V時生成Id-Vds曲線族，Vds變化范圍為03.3V。solve vgate=1.1 outf=solve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3load infile=solve_tmp1log outf=nmos1_1.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3從load到solve語句為止的語句組會生

22、成Vgs=1.1V時的Id-Vds曲線數(shù)據(jù)。如果要生成Vgs=2.2V，Vgs=3.3V時的Id-Vds曲線數(shù)據(jù)，只要重復(fù)這三個語句即可。為畫出曲線族，用如下語句：tonyplot -overlay -st mos1ex02_1.log mos1ex02_2.log mos1ex02_3.log此語句overlay指在一張圖中含蓋三個plot文件。4.3 各關(guān)鍵工藝對器件性能的影響4.3.1氧化工藝模擬不同摻雜濃度對氧化速率的影響（1）implant boron dose=3e15 energy=20所得結(jié)果：EXTRACT> extract name="toxlow"

23、; thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=-0.25toxlow=623.798 angstroms (0.0623798 um) X.val=-0.25EXTRACT> extract name="toxhigh" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=0.25toxhigh=656.258 angstroms (0.0656258 um) X.val=0.25（2） implant boron dose=3e17 energy

24、=20 所得結(jié)果：EXTRACT> extract name="toxlow" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=-0.25toxlow=613.089 angstroms (0.0613089 um) X.val=-0.25EXTRACT> extract name="toxhigh" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=0.25toxhigh=748.338 angstroms (0.07483

25、38 um) X.val=0.254.3.2.離子注入工藝模擬（1）氧化層厚度對離子注入的影響（2）離子注入劑量與雜質(zhì)分布的關(guān)4.3.3擴散工藝模擬不同擴散模型的選擇對模擬結(jié)的影響氧化對擴散工藝的影響附錄：實驗程序go athena#定義網(wǎng)格Xline x loc=0.0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=1.0 spac=0.01 #定義網(wǎng)格Yline y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.

26、05line y loc=0.8 spac=0.15 #InitialSiliconStructurewith<100>Orientation初始硅的100晶向,P型襯底init silicon c.boron=4e14 orientation=100 space.mul=2structure outfile=yaojinpeng_nmos1.str#GateOxidation柵氧化diffus time=12 temp=910 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3structure outfile=yaojinpeng_nmos2.str# Extract a de

27、sign parameter抽取設(shè)計參數(shù) extract name="gateox" thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.3#vt adjust implant 閾值電壓調(diào)整注入implant boron dose=2e12 energy=10 pearsonstructure outfile=yaojinpeng_nmos3.str#depo poly thick=0.25 divi=10structure outfile=yaojinpeng_nmos4.str#柵刻蝕etch poly left p1.x=0.45structure

28、 outfile=yaojinpeng_nmos5.str#多晶硅氧化method fermi compressdiffuse time=3 temp=920 weto2 press=1.0structure outfile=yaojinpeng_nmos6.str#多晶摻雜implant phosphor dose=2.0e13 energy=15 pearsonstructure outfile=yaojinpeng_nmos7.str#depo oxide thick=0.120 divisions=8structure outfile=yaojinpeng_nmos8.str#etch

29、 oxide dry thick=0.120structure outfile=yaojinpeng_nmos9.str#implant arsenic dose=2.5e15 energy=30 pearsonstructure outfile=yaojinpeng_nmos10.str#method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0structure outfile=yaojinpeng_nmos11.str# pattern s/d contact metaletch oxide left p1.x=0.3depo

30、sit alumin thick=0.05 divi=2etch alumin right p1.x=0.25structure outfile=yaojinpeng_nmos12.str# Extract design parameters# extract final S/D Xjextract name="nxj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1# extract the N+ regions sheet resistanceextract name="n+ sheet rho" shee

31、t.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1# extract the long chan Vtextract name="n1dvt" 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.7# extract the surface conc under the channel.extract name="chan surf conc" surf.conc impurity="Net Doping" material

32、="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.8structure mirror rightelectrode name=gate x=0.6 electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.9electrode name=substrate backsidestructure outfile=yaojinpeng_nmos13.strtonyplot yaojinpeng_nmos*.strgo atlasmesh infile=yaojinpeng_nmos13.str# set material

33、modelsmodels cvt srh print contact name=gate n.polyinterface qf=2e10method gummel newtonsolve initsolve vgate=1.0 outfile=solve_tmp1 solve vgate=2.0 outfile=solve_tmp2 solve vgate=3.0 outfile=solve_tmp3 solve vgate=4.0 outfile=solve_tmp4 load infile=solve_tmp1log outf=nmos1.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=5.0 vstep=0.5 load infile=solve_tmp2log outf=nmos2.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=5.0 vstep=0.5load infile=solve_tmp3log outf=nmos3.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=5.0 vstep=0.5load infile=solve_tmp4log outf=nmos4.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=5.0 vst