Silvaco中文學習手冊教學內容

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定義初始直角網格a.輸入UNIX命令：deckbu

2、ild-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；SecktiJl id 甲 / 五二|桂 i IWs 1TK:T 、dlf一二；pa g I- ml T# 口嘩，匚:山匚 4.;=in.iu-3 or h 4HEllkr ；- Im. Illi* J! dl! tt而1 加加"H二t.SK«.rnL -JI UI i! B.L I C l>BI I iid-l IF.I, lM Uh

3、I ' 1114J dlbu!用Tl時1rdIs： -3¥ widi 5小Y = ii Uf TI 工 u清空文本窗口圖4.1b.在如圖4.2所示的文本窗口中鍵入語句go Athena ；-UKhba/dS.EDRJt tUpHB:也比AmewM .k-ltceif-f. ; viewTj Etn1Vl.巾 CdjllHl r CHIWWKli e) _ 111以"go athena ”開始 4.2 圖接下來要明確網格。 網格中的結點數(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格。c.為了定義網格，選擇 M

4、esh Define菜單項，如圖4.3所示。下面將以 在0.6心m x 0.8心m的方 形區(qū)域內創(chuàng)建非均勻網格為例介紹網格定義的方法。jcirpniklfrs h 比I na .A dapttv? MmH I" * 即Fii» Ml可值嘛MulAhiTemp|,izs5. IrPICt.Pnrap-ATHEN胸格定義菜單圖4.3 調用2 在0.6心m x 0.8心m的方形區(qū)域內 創(chuàng)建非均勻網格a.在網格定義菜單中，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

5、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；鍵后點擊Insert圖4.4 定義網格參數(shù)圖4.50.2和0.6，間距均為NMOS晶體管的有源d.繼續(xù)插入X方向的網格線，將第二和第三條X方向的網格線分別設為0.01 o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格，用作為 區(qū)；e.接下來，我們繼續(xù)在 Y軸上建立網格。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.在網格定義窗口中點擊insert鍵，將第二

6、、第三和第四條Y網格線設為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。4.6 Y 方向上的網格定義圖g.為了預覽所定義的網格，在網格定義菜單中選擇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格定義的信息。如圖 4.7，L 1 力J，屬一Eri-口/E工肝Nd。.'" 1 :廿，W k 劃：-二二，升TV，三二 口：門 _|_r II" .HI 1 ，“9 的Irini FwH i事H - Ji IL r( ri j'U 峭 34 i QJJi)11 a, kli ：

7、 y It- . 5Gf-v «ijy| I y | LL*-T,1 i lia. J 1I I r F 1El |W - 'lli -f (I: pi-Cl.r5對產生非均勻網格的行說明圖4.74.1.3 定義初始襯底參數(shù)由網格定義菜單確定的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Bo

8、ron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143 ；（也可以通過以Ohm - 1.0 x 10cm原子數(shù)/cm14中選擇指數(shù)的值為。這就確定了背景濃度為為單位的電 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 <100> Orientation ",如圖 4.8； f.點擊WRITE鍵以寫入網格初始化的有關信息FMr n

9、l:；, jilW 方甫( 'I'UH l4!，叫島11fli通過網格初始化菜單定義初始的襯底參數(shù)圖4.84.1.4 運行ATHENA1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

10、；在一個短暫的延遲之后，將會出現(xiàn) TONYPLOT o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)初始的三角型網格，如圖 4.11所示。14原子1.0X大小的、雜質硼濃度為10INIT現(xiàn)在，之前的語句創(chuàng)建了一個0.6心mx 0.8心m3、摻雜均勻的100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數(shù)/cm （例如離子注入，擴散，刻蝕等）。 j .-.rra,LudT-lsI，呷

11、i>-1 C： hF I! i ii«* “ I 柏”WS 11 Hr» > 舁."21 if >片-1一1frZ用111* T產:口 ”式M u超Ui* Ttill" flJ ii * T-161 in* « m "d. I f 131 式 .崎 他 4MM起B(yǎng)1 iEb c1T1» cJpM'iillHl nb'M il rfeni：¥E 口 -u_si ta-fc ；2. I . b!. , -/11m i I irMijG 血 .C-l4-iuE T 1STI*1*繪制歷史

12、文件結構圖4.9圖 4.10 Tonyplot : Display （二維網格）菜單初始三角網格圖4.114.1.5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，950° C, 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)。改 1000)從 C (Tempreture, 11 改成 30)從 minutes (Time 菜單中，將 Diffuse 在 a.成950。Constant溫度默認選中(見圖 4.12)；圖4.12由

13、擴散菜單定義的柵極氧化參數(shù)4.13柵極氧化結構圖 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

14、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，并 Material 一欄，點擊 Material ；對于"Gateoxide” 一欄輸入 Name；在 Material thickness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)。由于這里只有一個二氧化硅層，所以這個參數(shù)是可選的。然而當存在有多個二氧化硅層時，則必須指定出所定義的層；c.點擊DECKBUILD 控制欄上的 Cont鍵，繼續(xù)進行 ATHENA 仿真仿真。Extract語句運行時的 輸