工藝與器件仿真工具SILVACO

工藝與器件仿真工具SILVACO第一頁(yè)，共118頁(yè)。SILVACO簡(jiǎn)介

SILVACO-TCAD是由SILVACO公司研發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真軟件，用于半導(dǎo)體器件和集成電路的研究和開發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)中。這套完整的工具使得物理半導(dǎo)體工藝可以給所有階段的IC設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的動(dòng)力：工藝仿真（ATHENA）和器件仿真（ATLAS）；SPICE模型的生成和開發(fā)；互連寄生參數(shù)的極其精確的描述；基于物理的可靠性建模以及傳統(tǒng)的CAD。所有這些功能整合在統(tǒng)一的框架，為工程師在完整的設(shè)計(jì)中任何階段中所做更改而導(dǎo)致的性能、可靠性等效果，提供直接的反饋。2023/4/162/118第二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/163/118使用ATHENA的NMOS工藝仿真使用ATLAS的NMOS器件仿真本章內(nèi)容第三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/164/118使用ATHENA的NMOS工藝仿真使用ATLAS的NMOS器件仿真本章內(nèi)容第四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/165/118概述

用ATHENA創(chuàng)建一個(gè)典型的MOSFET輸入文件所需的基本操作包括：a.

創(chuàng)建一個(gè)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(kuò)散、退火以及離子注入e.

結(jié)構(gòu)操作f.

保存和加載結(jié)構(gòu)信息第五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/166/118創(chuàng)建一個(gè)初始結(jié)構(gòu)定義初始直角網(wǎng)格在UNIX或LINUX系統(tǒng)提示符下，輸入命令：deckbuild-an&，以便進(jìn)入deckbuild交互模式并調(diào)用ATHENA程序。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)如下

圖所示deckbuild主窗口，點(diǎn)擊File目錄下的EmptyDocument，

清空Deckbuild文本窗口；第六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/167/118在如圖所示的文本窗口中鍵入語(yǔ)句goAthena；接下來(lái)要明確網(wǎng)格。網(wǎng)格中的結(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)仿真的精確度和所需時(shí)間有著直接的影響。仿真結(jié)構(gòu)中存在離子注入或者形成PN結(jié)的區(qū)域應(yīng)該劃分更加細(xì)致的網(wǎng)格。第七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/168/118為了定義網(wǎng)格，選擇MeshDefine菜單項(xiàng)，如下圖所示。

下面將以在0.6μm×0.8μm的區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格為例介紹網(wǎng)格定義的方法。第八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/169/118在0.6μm×0.8μm的方形區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格在網(wǎng)格定義菜單中，Direction欄缺省為X方向；點(diǎn)擊Location欄，輸入值0，表示要插入的網(wǎng)格線定義點(diǎn)在位置0；點(diǎn)擊Spacing欄，輸入值0.1，表示相鄰網(wǎng)格線定義點(diǎn)間的網(wǎng)格線間距為0.1。當(dāng)兩個(gè)定義點(diǎn)所設(shè)定的網(wǎng)格線間距不同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將網(wǎng)格間距從較小值漸變到較大值。在Comment欄，鍵入注釋行內(nèi)容“Non-UniformGrid（0.6umx0.8um)”，如圖所示；第九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1610/118點(diǎn)擊insert鍵，網(wǎng)格定義的參數(shù)將會(huì)出現(xiàn)在滾動(dòng)條菜單中，見(jiàn)

下圖；在X=0.2和X=0.6處，分別插入第二和第三個(gè)網(wǎng)格線定義點(diǎn)，

并將網(wǎng)格間距均設(shè)為0.01。這樣在X軸右邊區(qū)域內(nèi)就定義了一

個(gè)非常精密的網(wǎng)格，作為NMOS晶體管的有源區(qū)；接下來(lái)，我們繼續(xù)在Y軸上建立網(wǎng)格。在Direction欄中選擇Y

方向；點(diǎn)擊Location欄并輸入定義點(diǎn)的位置為0。然后，點(diǎn)擊Spacing欄并輸入網(wǎng)格間距值0.008；第十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1611/118在網(wǎng)格定義窗口中點(diǎn)擊insert鍵，并繼續(xù)插入第二、第三和第四個(gè)Y方向的網(wǎng)格定義點(diǎn)，位置分別設(shè)為0.2、0.5和0.8，網(wǎng)格間距分別設(shè)0.01，0.05和0.15，如圖所示。第十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1612/118為了預(yù)覽所定義的網(wǎng)格，在網(wǎng)格定義菜單中選擇View鍵，則會(huì)顯示ViewGrid窗口。最后，點(diǎn)擊菜單上的WRITE鍵從而在文本窗口中寫入網(wǎng)格定義信息。第十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1613/118定義初始襯底

由網(wǎng)格定義菜單確定的LINE語(yǔ)句只是為ATHENA仿真結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)直角網(wǎng)格系基礎(chǔ)。接下來(lái)就是襯底區(qū)的初始化。對(duì)仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化的步驟如下：在ATHENACommands菜單中選擇MeshInitialize…選項(xiàng)。ATHENA網(wǎng)格初始化菜單將會(huì)彈出。在缺省狀態(tài)下，硅材料為<100>晶向；點(diǎn)擊Boron雜質(zhì)板上的Boron鍵，這樣硼就成為了背景雜質(zhì)；對(duì)于Concentration欄，通過(guò)滾動(dòng)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1.0×1014原子數(shù)/cm3（也可以通過(guò)以O(shè)hm·cm為單位的電阻系數(shù)來(lái)確定背景濃度）。第十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1614/118對(duì)于Dimensionality一欄，選擇2D。在二維情況下進(jìn)行仿真；

對(duì)于Comment欄，輸入“InitialSiliconStructurewith<100>Orientation”，如下圖所示；點(diǎn)擊WRITE鍵以寫入網(wǎng)格初始化的有關(guān)信息。第十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1615/118現(xiàn)在，運(yùn)行ATHENA以獲得初始結(jié)構(gòu)。點(diǎn)擊Deckbuild控制欄里的run鍵，輸出將會(huì)出現(xiàn)在仿真器子窗口中。語(yǔ)句Structout是Deckbuild通過(guò)歷史記錄功能自動(dòng)產(chǎn)生的，便于調(diào)試新文件等。運(yùn)行ATHENA并且繪圖使初始結(jié)構(gòu)可視化的步驟如下：選中文件“.history01.str”（目前僅有尺寸和材料方面的信息），點(diǎn)擊Tools菜單項(xiàng)，并依次選擇Plot和Plot第十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1616/118Structure…，如圖所示，將會(huì)出現(xiàn)TONYPLOT（繪圖工具軟件）。在TONYPLOT中，依次選擇Plot和Display…；第十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1617/118出現(xiàn)Display（二維網(wǎng)格）菜單項(xiàng)，在缺省狀態(tài)下，

Edges和Regions圖象已選。把Mesh圖象也選上，

并點(diǎn)擊Apply。將出現(xiàn)初始的三角型網(wǎng)格，如圖所示。第十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1618/118

現(xiàn)在，先前的INIT語(yǔ)句創(chuàng)建了一個(gè)0.6μm×0.8μm大小的、雜硼濃度為1.0×1014原子數(shù)/cm3、摻雜均勻的<100>晶向的硅片。這個(gè)仿真結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以進(jìn)行任何工藝處理步驟了（例如離子注入，擴(kuò)散，刻蝕等）。接下來(lái)，我們通過(guò)干氧氧化在硅表面生成柵極氧化層，條件是1個(gè)大氣壓，950°C，3%HCL,11分鐘。為了完成這個(gè)任務(wù)，可以在ATHENA的Commands菜單中依次選擇Process和Diffuse…，ATHENADiffuse菜單將會(huì)出現(xiàn)。第十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1619/118柵極氧化在Diffuse菜單中，將Time（minutes）從30改成11，

Tempreture（C）從1000改成950，并使用Constant溫度；

在Ambient欄中，選擇DryO2項(xiàng)；分別檢查Gaspressure和HCL欄。將HCL改成3%；在Comment欄里輸入“Gate

Oxidation”并點(diǎn)擊WRITE鍵；第十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1620/118有關(guān)柵極氧化的數(shù)據(jù)信息將會(huì)被寫入Deckbuild文本窗口，其中Diffuse語(yǔ)句被用來(lái)實(shí)現(xiàn)柵極氧化；點(diǎn)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(gè)歷史文件“.history02.str”將會(huì)生成；選中該文件，然后點(diǎn)擊Tools菜單項(xiàng)，并依次選擇Plot和PlotStructure…，將結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)；最終的柵極氧化結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在TONYPLOT中，如圖所示。從圖中可以看出，一個(gè)氧化層淀積在了硅表面。第二十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1621/118下面通過(guò)Deckbuild中的Extract程序來(lái)確定氧化處理過(guò)程中生成的氧化層厚度。在Commands菜單中點(diǎn)擊Extract…，出現(xiàn)ATHENAExtract菜單；Extract欄默認(rèn)為Materialthickness；在Name一欄輸入“Gateoxide”；對(duì)于Material一欄，點(diǎn)擊Material…，并選擇SiO~2；在Extractlocation這一欄，點(diǎn)擊X，并輸入值0.3，表示提取X=0.3處的氧化層厚度。點(diǎn)擊WRITE鍵，Extract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中。在這個(gè)Extract語(yǔ)句中，mat.occno（=1）為說(shuō)明層數(shù)的提取柵極氧化層的厚度第二十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1622/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵，繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真。Extract語(yǔ)句運(yùn)行時(shí)的輸出如圖所示；從運(yùn)行輸出可以看到，我們測(cè)量的柵極氧化層厚度為131.347?。參數(shù)。由于這里只有一個(gè)二氧化硅層，所以這個(gè)參數(shù)是可選的。然而當(dāng)存在有多個(gè)二氧化硅層時(shí)，則必須指定出所定義的層。第二十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1623/118柵氧厚度的最優(yōu)化

下面介紹如何使用Deckbuild中的最優(yōu)化函數(shù)來(lái)對(duì)柵極氧化厚度進(jìn)行最優(yōu)化。假定所測(cè)量的柵氧厚度為100?，柵極氧化過(guò)程中的擴(kuò)散溫度和偏壓均需要進(jìn)行調(diào)整。為了對(duì)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，應(yīng)照如下方法使用Deckbuild最優(yōu)化函數(shù)：第二十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1624/118依次點(diǎn)擊Maincontrol和Optimizer…選項(xiàng)；調(diào)用出如圖中所示的最優(yōu)化工具。第一個(gè)最優(yōu)化視窗顯示了Setup模式下控制參數(shù)的表格。我們只要改變最大誤差參數(shù)以便能精確地調(diào)整柵極氧化厚度為100?；第二十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1625/118將MaximumError在criteria一欄中的值從5改為1；接下來(lái)，我們通過(guò)Mode鍵將Setup模式改為Parameter模式,并定義最優(yōu)化參數(shù)。需要優(yōu)化的參數(shù)是柵極氧化過(guò)程中的溫度和氣壓。為了對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)化，在Deckbuild窗口中選中柵極氧化這一步驟，如下圖所示。第二十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1626/118然后，在Optimizer中，依次點(diǎn)擊Edit和Add菜單項(xiàng)。一個(gè)名為Deckbuild：ParameterDefine的窗口將會(huì)彈出，如下左圖所示，列出了所有可能作為參數(shù)的項(xiàng)；檢查temp=<variable>和press=<variable>這兩項(xiàng)。然后，點(diǎn)擊Apply。添加的最優(yōu)化參數(shù)將如下右圖所示被列出；第二十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1627/118接下來(lái)，通過(guò)Mode鍵將Parameter模式改為Targets模式,并定義優(yōu)化的目標(biāo)；Optimizer利用Deckbuild中Extract語(yǔ)句的值來(lái)定義最優(yōu)化的目標(biāo)。因此，返回Deckbuild的文本窗口并選中Extract柵極氧化厚度語(yǔ)句，如圖所示；第二十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1628/118在Optimizer中，依次點(diǎn)擊Edit和Add項(xiàng)。這就將“柵極氧化”這個(gè)目標(biāo)添加到了Optimizer的目標(biāo)列表中去。在目標(biāo)列表里定義目標(biāo)值。在Targetvalue中輸入值100?（見(jiàn)下圖）；通過(guò)在柵極氧化工藝過(guò)程中改變溫度和氣壓，Optimizer對(duì)柵極氧化厚度進(jìn)行了優(yōu)化。第二十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1629/118為了觀察優(yōu)化過(guò)程，我們可以將Targets模式改為Graphics模式，如下左圖所示；最后，點(diǎn)擊Optimize鍵以演示最優(yōu)化過(guò)程。仿真將會(huì)重新運(yùn)行，并且在一小段時(shí)間之后，重新開始柵極氧化這一步驟。最優(yōu)化的結(jié)果為，溫度925.727°C，偏壓0.982979，以及抽樣氧化厚度100.209?，如右圖所示；第二十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1630/118為了完成最優(yōu)化，溫度和氣壓的最優(yōu)化值需要被復(fù)制回輸入文檔中。為了復(fù)制這些值，需要返回Parameters模式并依次點(diǎn)擊Edit和CopytoDeck菜單項(xiàng)以更新輸入文檔中的最優(yōu)化值，輸入文檔將會(huì)在正確的地方自動(dòng)更新。如圖所示；第三十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1631/118

完成離子注入

離子注入是向半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中摻雜的主要方法。在ATHENA中，離子注入是通過(guò)在ATHENAImplant菜單中設(shè)定Implant語(yǔ)句來(lái)完成的。這里舉例閾值電壓校正注入，條件是雜質(zhì)硼的劑量為9.5×1011cm-2，注入能量為10keV，tilt為7度，rotation為30度，步驟如下：在Commands菜單中，依次選擇Process和Implant…，出現(xiàn)ATHENAImplant菜單。在Impurity一欄中選擇Boron；通過(guò)滾動(dòng)條或者直接輸入的方法，分別在Dose和Exp:這兩欄中輸入值9.5和11；在Energy、Tilt以及Rotation這三欄中分別輸入值10、7和30；第三十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1632/118點(diǎn)擊WRITE鍵，注入語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中，如圖所示；圖中參數(shù)CRYSTAL說(shuō)明對(duì)于任何解析模型來(lái)說(shuō)，使用的參數(shù)均來(lái)自單晶硅。默認(rèn)為DualPearson模式；將MaterialType選為Crystalline；在Comment欄中，輸入注釋說(shuō)明：ThresholdVoltageAdjustimplant；第三十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1633/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵，ATHENA繼續(xù)進(jìn)行仿真，如圖所示；在TONYPLOT中分析硼摻雜特性硼雜質(zhì)的剖面形狀可以通過(guò)2DMesh菜單或TONYPLOT的Cutline工具進(jìn)行繪制。在2DMesh菜單中，硼雜質(zhì)的剖面輪廓線會(huì)被顯現(xiàn)出來(lái)。第三十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1634/118另一方面，在二維結(jié)構(gòu)中運(yùn)行Cutline可以創(chuàng)建一維的硼雜質(zhì)的橫截面圖。

首先，我們用圖示的方法說(shuō)明如何利用2DMesh菜單去獲得硼雜質(zhì)剖面的輪廓線。繪制歷史文件“.history05.str”（也就是閾值電壓校正注入這一步驟），具體方法是，首先選中它，然后從Deckbuild的Tools菜單依次選擇Plot和PlotStructure；在TONYPLOT中，依次選擇Plot和Display…項(xiàng)，窗口Display(2DMesh)將會(huì)彈出；第三十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1635/118TONYPLOT：Contour彈出窗口將會(huì)出現(xiàn)，如圖所示。在缺省狀態(tài)下，窗口中Quantity選項(xiàng)為Netdoping，現(xiàn)將Netdoping改為Boron；點(diǎn)擊Apply鍵，運(yùn)行結(jié)束以后再點(diǎn)擊Dismiss；選擇Contours，畫出結(jié)構(gòu)的等濃度線；點(diǎn)擊Define菜單并選擇Contours…。第三十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1636/118硼雜質(zhì)的剖面濃度如圖所示；

接下來(lái)，我們要從硼雜質(zhì)剖面二維的結(jié)構(gòu)中得到一維的橫截面圖。具體步驟如下：第三十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1637/118在TONYPLOT中，依次選擇Tools和Cutline…項(xiàng)，彈出Cutline窗口；在缺省狀態(tài)下，Vertical圖標(biāo)已被選中，這將把圖例限制在垂直方向；在結(jié)構(gòu)圖中，從氧化層開始按下鼠標(biāo)左鍵并一直拖動(dòng)到結(jié)構(gòu)底部。這樣，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)一維的硼雜質(zhì)剖面圖，如圖所示。第三十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1638/118多晶硅柵的淀積淀積可以用來(lái)產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu)。共形淀積（ConformalDeposition）是最簡(jiǎn)單的淀積方式，并且在各種淀積層形狀要求不是非常嚴(yán)格的情況下使用。在NMOS工藝中，多晶硅層的厚度約為2000?，這使得用共形多晶硅淀積取而代之成為可能。為了完成共形淀積，從ATHENACommands菜單中依次選擇Process、Deposit和Deposit…菜單項(xiàng)。ATHENADeposit菜單如圖所示；第三十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1639/118在Deposit菜單中，淀積類型默認(rèn)為Conformal；在Material菜單中選擇Polysilicon，并將它的厚度值設(shè)為0.2；在Gridspecification參數(shù)中，點(diǎn)擊Totalnumberoflayers并將其值設(shè)為10。（在一個(gè)淀積層中設(shè)定幾個(gè)網(wǎng)格層通常是非常有用的。在這里，我們需要10個(gè)網(wǎng)格層來(lái)仿真雜質(zhì)在多晶硅層中的傳輸。）在Comment一欄中添加注釋ConformalPolysiliconDeposition，并點(diǎn)擊WRITE鍵；下面這幾行將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中：#ConformalPolysiliconDepositiondepositpolysiliconthick=0.2divisions=10第三十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1640/118通過(guò)DeckbuildTools菜單的Plot和Plotstructure…來(lái)繪制當(dāng)前結(jié)構(gòu)圖。創(chuàng)建后的三層結(jié)構(gòu)如圖所示。點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真；第四十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1641/118簡(jiǎn)單幾何刻蝕

接下來(lái)就是多晶硅的柵極定義。這里我們將多晶硅柵極網(wǎng)格的邊緣定為x=0.35μm，中心網(wǎng)格為x=0.6μm。因此，多晶硅應(yīng)從左邊x=0.35μm開始進(jìn)行刻蝕，如圖所示。第四十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1642/118在DeckbuildCommands菜單中依次選擇Process，Etch和Etch…。出現(xiàn)ATHENAEtch菜單；在Etch菜單的Geometricaltype一欄中選擇Left；在Material一欄中選擇Polysilicon；將Etchlocation一欄的值設(shè)為0.35；在Comment欄中輸入注釋PolyDefinition；點(diǎn)擊WRITE鍵產(chǎn)生如下語(yǔ)句：#PolyDefinitionetchpolysiliconleftp1.x=0.35點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真，并將刻蝕結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)，如圖所示；第四十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1643/118多晶硅氧化接下來(lái)是要說(shuō)明在利用離子注入對(duì)多晶硅進(jìn)行摻雜之前對(duì)多晶硅進(jìn)行的氧化。具體方法是在900°C，1個(gè)大氣壓下進(jìn)行3分鐘的濕氧氧化。因?yàn)檠趸^(guò)程要在非平面且未經(jīng)破壞的多晶硅上進(jìn)行，我們要使用被稱為fermi和compress的兩種方法。Fermi法用于摻雜濃度小于1020cm-3的未經(jīng)破壞的襯底而compress法用于在非平面結(jié)構(gòu)上仿真氧化和進(jìn)行二維氧化。為了演示這一氧化過(guò)程，可在ATHENACommands菜單中選擇Process和Diffuse…菜單項(xiàng)并調(diào)出Diffuse菜單。第四十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1644/118多晶硅氧化在Diffuse菜單中，將Time從11改為3，Temperature從950改為900；在Ambient一欄中，點(diǎn)擊WetO2；激活Gaspressure這一欄，而不要選中HCL欄；在Display欄中點(diǎn)擊Models，可用的模式將會(huì)列出來(lái)；同時(shí)激活Diffusion和Oxidation模式，并分別選擇Fermi和Compressible項(xiàng)；在Comment欄中輸入注釋PolysiliconOxidation，點(diǎn)擊WRITE鍵。下面的Diffuse語(yǔ)句將會(huì)被添加到輸入文件中：

#PolysiliconOxidation第四十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1645/118

methodfermicompress

diffustime=3temp=900wetO2press=1.00點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真，并將結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)，如下圖所示。從圖中可以看出，在這一氧化過(guò)程中，多晶硅和襯底的表面都形成了氧化層。

第四十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1646/118多晶硅摻雜在完成了多晶硅氧化之后，接下來(lái)要以磷為雜質(zhì)創(chuàng)建一個(gè)重?fù)诫s的多晶硅柵極。這里雜質(zhì)磷的劑量為3×1013cm-2，注入能量為20KeV。為了演示多晶硅摻雜這一步驟，我們將再一次使用ATHENAImplant菜單。在Commands菜單中，依次選擇Process和Implant…。出現(xiàn)ATHENAImplant菜單；在Impurity欄中，將Boron改為Phosphorus；在Dose和Exp:兩欄中分別用滾動(dòng)條或者直接輸入值3、13；在Energy、Tilt和Rotation中分別輸入值20、7、30；Model默認(rèn)為DualPearson；將MaterialType選為Crystalline；在Comment欄中輸入PolysiliconDoping；點(diǎn)擊WRITE鍵，注入語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中：第四十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1647/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真，點(diǎn)擊Display（2DMesh）菜單上的Contours鍵及Apply鍵將結(jié)構(gòu)的NetDoping繪制出來(lái)，如圖所示；#PolysiliconDopingimplantphosphordose=3e13energy=20crystal第四十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1648/118為了看到注入磷后的雜質(zhì)分布圖，可在Display（2DMesh）菜單中點(diǎn)擊Define子菜單并選擇contours…，TONYPLOT：contours彈出的窗口將會(huì)出現(xiàn)。在Quantity選項(xiàng)中，默認(rèn)值為NetDoping?，F(xiàn)在將NetDoping改為Phosphorus；依次點(diǎn)擊Apply鍵和Dismiss鍵；注入磷雜質(zhì)的剖面圖將會(huì)出現(xiàn)如圖所示；第四十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1649/118隔離氧化層淀積

在源極和漏極植入之前，首先需要進(jìn)行的是側(cè)墻隔離氧化層的淀積。這里側(cè)墻隔離氧化層淀積的厚度為0.12μm?？赏ㄟ^(guò)ATHENADeposit菜單實(shí)現(xiàn)，步驟如下：在ATHENACommands菜單中，依次選擇Process、Deposit和Deposit…菜單項(xiàng)。ATHENADeposit菜單將會(huì)出現(xiàn)；在Material菜單中選擇Oxide，并將其厚度值設(shè)為0.12；將Gridspecification參數(shù)“Totalnumberofgridlayers”設(shè)為10；在Comment欄中添加注釋語(yǔ)句SpacerOxidedeposition，并點(diǎn)擊WRITE鍵；淀積語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中：第四十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1650/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真，并將圖示的結(jié)構(gòu)用網(wǎng)格表示出來(lái)，如圖所示；#SpacerOxideDepositionDepositoxidethick=0.12divisions=10第五十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1651/118側(cè)墻氧化隔離的形成

為了形成側(cè)墻氧化隔離，必須進(jìn)行干刻蝕。這可以通過(guò)ATHENAEtch菜單來(lái)完成，步驟如下：在Etch菜單的Geometricaltype一欄中，點(diǎn)擊Drythickness；在Material一欄中，選擇Oxide；在thickness欄中輸入值0.12；Comment欄中添加注釋SpacerOxideetch；點(diǎn)擊WRITE鍵后將會(huì)出現(xiàn)如下語(yǔ)句：

#SpacerOxideEtch

etchoxidedrythick=0.12；第五十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1652/118繼續(xù)ATHENA仿真，將刻蝕后的結(jié)構(gòu)圖繪制出來(lái)，如圖所示；源/漏極注入和退火要形成NMOS器件的重?fù)诫s源/漏極，就需要進(jìn)行砷注入。砷的劑量為5*1015cm-2，注入能量為50KeV。為了演示這一注入過(guò)程，我們將再一次使用ATHENAImplant菜單。第五十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1653/118在調(diào)用注入菜單以后，具體步驟如下：在Impurity欄中將注入雜質(zhì)從Phosphorus改為Arsenic；分別在Dose和Exp中輸入值5和15；在Energy、Tilt和Rotation中分別輸入值50、7、30；將MaterialType選為Crystalline；在Comment欄中輸入Source/DrainImplant；點(diǎn)擊WRITE鍵，注入語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在如下所示的文本窗口中：#Source/DrainImplantimplantarsenicdose=5e15energy=50crytal第五十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1654/118緊接著源/漏極注入的是一個(gè)短暫的退火過(guò)程，條件是1個(gè)大氣壓，900°C，1分鐘，氮?dú)猸h(huán)境。該退火過(guò)程可通過(guò)Diffuse菜單實(shí)現(xiàn)，步驟如下:在Diffuse菜單中，將Time和Tempreture的值分別設(shè)為1和900；在Ambient欄中，點(diǎn)擊Nitrogen；激活Gaspressure，并將其值設(shè)為1；在Display欄中點(diǎn)擊Models，然后可用的模式將會(huì)列出來(lái)；選中Diffusion模式并選擇Fermi項(xiàng)。不要選擇Oxidation模式；在Comment欄中添加注釋Source/DrainAnnealing并點(diǎn)擊WRITE鍵；下面這些擴(kuò)散語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中：第五十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1655/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真，并將結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)分布圖表示出來(lái)，如下圖；#Source/DrainAnnealingmethodFermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00第五十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1656/118接下來(lái)，我們將會(huì)看到退火過(guò)程前后NetDoping（凈摻雜）的一些變化。操作步驟如下：在源/漏極退火后的TONYPLOT中，依次點(diǎn)擊File和LoadStructure…菜單項(xiàng)；為了加載在implantarsenicdose=5e15energy=50crytal一步中產(chǎn)生的歷史文件（history12.str），在欄中鍵入.history12.str依次點(diǎn)擊Load、Overlay項(xiàng)，如圖；第五十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1657/118前述的注入結(jié)構(gòu)（.history12.str）將會(huì)疊加到退火結(jié)構(gòu)（.history13.str）上，如圖所示。注意到圖的副標(biāo)題為Datafrommultiplefiles；第五十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1658/118在兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖相互疊加以后，依次選擇TONYPLOT中的Tools和Cutline…菜單項(xiàng)并顯示圖例；Cutline菜單將會(huì)出現(xiàn)。點(diǎn)擊圖中所示的keyboard按鈕并輸入X和Y的值；第五十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1659/118完成后，點(diǎn)擊keyboard的return鍵，TONYPLOT將會(huì)提示確認(rèn)。點(diǎn)擊Confirm鍵；下圖右邊的一維圖便是最終的結(jié)果。從圖中可以看出短暫的退火過(guò)程將雜質(zhì)粒子從MOS結(jié)構(gòu)的表面轉(zhuǎn)移走了。第五十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1660/118金屬的淀積

ATHENA可以在任何金屬、硅化物或多晶硅區(qū)域上增加電極。一種特殊的情況就是可以將電極放在背部（backside）而不需要淀積金屬。這里，對(duì)半個(gè)NMOS結(jié)構(gòu)的金屬淀積是通過(guò)下面這種方法完成的：首先在源/漏極區(qū)域形成接觸孔，然后將鋁淀積并覆蓋上去。為了形成源/漏極區(qū)域的接觸孔，氧化層應(yīng)從左邊X=0.2μm開始刻蝕。使用ATHENAEtch菜單的具體步驟如下：第六十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1661/118在Etch菜單的Geometricaltype一欄中，點(diǎn)擊Left；在Material欄中，選擇Oxide；在Etchlocation欄中輸入值0.2；在Comment欄中添加注釋OpenContactWindow；點(diǎn)擊WRITE將會(huì)出現(xiàn)如下語(yǔ)句：#OpenContactWindowetchoxideleftp1.x=0.2第六十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1662/118繼續(xù)ATHENA仿真，并將刻蝕后的結(jié)構(gòu)圖繪制出來(lái)，如圖所示；第六十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1663/118接下來(lái)，利用ATHENADeposit菜單，一個(gè)厚度為0.03μm的鋁層將被淀積到這半個(gè)NMOS器件表面，具體步驟如下：在Material菜單中選擇Aluminum，并將其厚度值設(shè)為0.03；對(duì)于Gridspecification參數(shù)，將Totalnumberofgridlayers設(shè)為2；在Comment欄中添加注釋AluminumDeposition，并點(diǎn)擊WRITE鍵；下面的淀積語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中：

#AluminumDeposition

depositaluminumthick=0.03divisions=2；第六十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1664/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)進(jìn)行ATHENA仿真，并將結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)，如圖所示；

最后，利用Etch菜單，鋁層將從X=0.18μm開始刻蝕，具體步驟如下：第六十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1665/118在Etch菜單的Geometricaltype一欄中，點(diǎn)擊Right；在Material欄中，選擇Aluminum；在Etchlocation欄中輸入值0.18；在Comment欄中添加注釋EtchAluminum；點(diǎn)擊WRITE將會(huì)出現(xiàn)如下語(yǔ)句：

#EtchAluminumetchaluminumrightp1.x=0.18繼續(xù)ATHENA仿真，并將刻蝕后的結(jié)構(gòu)圖繪制出來(lái)，如圖所示；第六十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1666/118獲取器件參數(shù)

在這一節(jié)中，我們將從半個(gè)NMOS結(jié)構(gòu)中獲取一些器件參數(shù)。這些參數(shù)包括結(jié)深、N++源/漏極方塊電阻、氧化隔離層下的LDD方塊電阻以及長(zhǎng)溝道閾值電壓。這可以通過(guò)Deckbuild里的Extract菜單來(lái)完成。第六十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1667/118計(jì)算結(jié)深計(jì)算結(jié)深的步驟為：在Commands菜單里點(diǎn)擊Extract…。ATHENAExtract菜單將會(huì)出現(xiàn)；在Extract欄中選擇Junctiondepth；在Name欄中輸入nxj；在Material欄中選擇Material…并選擇Silicon；在Extractlocation欄中點(diǎn)擊X方向并輸入值0.2；點(diǎn)擊WRITE鍵，Extract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中：

extractname=“nxj”xjmaterial=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.2junc.occno=1在這個(gè)extract語(yǔ)句中，name=“nxj”是n型的源/漏極結(jié)深；xj說(shuō)明了該結(jié)深需要計(jì)算；material=“Silicon”是指結(jié)的材料，在這里，材料是硅；mat.occno（occurrenceno.）=1是指計(jì)算結(jié)深要從第一層材料開始；x.val=0.2是指在X=0.2μm的地方得到源/漏極結(jié)深；junc.occno=1是指計(jì)算結(jié)深要從指定層的第一個(gè)結(jié)開始。第六十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1668/118獲得N++源/漏極方塊電阻為了測(cè)定該方塊電阻，按如下步驟再一次調(diào)用ATHENAExtract菜單：將Extract欄從Junctiondepth改為sheetresistance；在Name欄中輸入n++sheetres；在Extractlocation欄中，選中X網(wǎng)格并輸入值0.05；點(diǎn)擊WRITE鍵，Extract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中，如下所示：extractname=“n++sheetres”sheet.resMaterial=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1在這個(gè)語(yǔ)句中，sheet.res說(shuō)明被測(cè)對(duì)象是方塊電阻；mat.occno=1和region.occno=1說(shuō)明測(cè)試第一層材料和區(qū)域的方塊電阻；x.val=0.05說(shuō)明了n++區(qū)域的測(cè)量路徑。這是通過(guò)給出區(qū)域內(nèi)X=0.05μm這點(diǎn)的網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第六十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1669/118測(cè)量LDD方塊電阻為了在氧化層下測(cè)量LDD方塊電阻，我們只需要簡(jiǎn)單地把興趣轉(zhuǎn)移到隔離層下就可以了。參考上圖所示的仿真結(jié)構(gòu)可知，采用X=0.3這個(gè)值是合理的。我們將把被測(cè)電阻命名為‘lddsheetres’。簡(jiǎn)單地按如下步驟調(diào)用ATHENAExtract菜單。將Name欄改為lddsheetres；選中X網(wǎng)格，并將Extractlocation欄中的值改為0.3；點(diǎn)擊WRITE鍵，Extract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中，如下所示：extractname=“l(fā)ddsheetres”sheet.resmaterial=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1第六十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1670/118測(cè)量溝道閾值電壓在NMOS器件X=0.5μm處測(cè)量溝道閾值電壓的步驟如下：將ATHENAExtract菜單的Extract欄從Sheetresistance改為QUICKMOS1DVt；在Name欄輸入1dvt；在Devicetype欄點(diǎn)擊NMOS；激活Qss欄并輸入表面態(tài)電荷值1e10；在Extractlocation欄輸入值0.5；點(diǎn)擊WRITE鍵，Extract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在文本窗口中，如下所示：extractname=“1dvt”1dvtntypeqss=1e10x.val=0.5在這個(gè)語(yǔ)句中，1dvt說(shuō)明了測(cè)量一維閾值電壓的Extract程序；ntype是器件類型。在這里為一個(gè)n型的晶體管；x.val=0.5是在器件溝道內(nèi)的一點(diǎn)；qss=1e10是指濃度為的表面態(tài)電荷。在缺省狀態(tài)下，柵極偏置0-5V，襯底為0V，0.25V為步進(jìn)單位，器件溫度為300K。繼續(xù)ATHENA仿真，所有測(cè)量值將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild輸出窗口中。這些信息也會(huì)被存入現(xiàn)存文檔文件‘results.final’中。第七十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1671/118半個(gè)NMOS結(jié)構(gòu)的鏡像前面構(gòu)造的是半個(gè)類似MOSFET的結(jié)構(gòu)。在某些時(shí)候，需要得到完整的結(jié)構(gòu)。這必須在向器件仿真器輸出結(jié)構(gòu)或給電極命名前完成。在適當(dāng)?shù)倪吔鐚雮€(gè)MOSFET進(jìn)行鏡像的步驟如下：在Commands菜單中，依次選擇Structure和Mirror項(xiàng)。出現(xiàn)ATHENAMirror菜單；在Mirror欄中選擇Right，如下圖。

第七十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1672/118點(diǎn)擊Deckbuild控制欄上的Cont鍵以繼續(xù)ATHENA仿真，并將完整的NMOS結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)，如下圖所示。

從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)的右半邊完全是左半邊的鏡像，包括結(jié)點(diǎn)網(wǎng)格、摻雜等。點(diǎn)擊WRITE鍵將下列語(yǔ)句寫入輸入文件：structmirrorright第七十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1673/118電極的確定

為了使器件仿真器ATLAS實(shí)現(xiàn)偏置，有必要對(duì)NMOS器件的電極進(jìn)行標(biāo)注。結(jié)構(gòu)的電極可以通過(guò)ATHENAElectrode菜單進(jìn)行定義。調(diào)用這個(gè)菜單的步驟如下：在Commands菜單中，依次選擇Structure和Electrode…項(xiàng)。ATHENAElectrode菜單將會(huì)出現(xiàn)；在ElectrodeType欄中，選擇SpecifiedPosition；在Name欄中，輸入source；點(diǎn)擊XPosition并將其值設(shè)為0.1，如圖所示。點(diǎn)擊WRITE鍵，下面的語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在輸入文件中：electrodename=sourcex=0.1第七十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1674/118類似地，使用ATHENAElectrode菜單在X=1.1μm處確定漏極電極將得到如下語(yǔ)句：electrodename=drainx=1.1多晶硅柵極電極的確定也有同樣的形式。對(duì)這種結(jié)構(gòu)而言，可以通過(guò)和源極或漏極相同的方式得到：electrodename=gatex=0.6在ATHENA中，backside電極可以放在結(jié)構(gòu)的底部而不用金屬片，要確定backside電極。在ATHENAElectrode菜單的ElectrodeType欄中選擇Backside。然后輸入文件名backside。下面的底部電極語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在輸入文件中：electrodename=backsidebacksidebackside語(yǔ)句說(shuō)明一個(gè)平面（高度為0）的電極將會(huì)放置在仿真結(jié)構(gòu)的底部。繼續(xù)運(yùn)行輸入文件。從Deckbuild輸出窗口中可以看到相關(guān)說(shuō)明。隨著電極的確定，NMOS結(jié)構(gòu)也已經(jīng)完成。第七十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1675/118保存ATHENA結(jié)構(gòu)文件盡管Deckbuild在每一步處理完成后都會(huì)保存歷史結(jié)構(gòu)文件，但是在很多情況下有必要獨(dú)立地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保存及初始化。保存或加載結(jié)構(gòu)，可以使用ATHENA菜單，調(diào)用步驟如下：在Commands菜單中選擇；點(diǎn)擊Save鍵并建立一個(gè)新的文件名nmos.str（見(jiàn)下圖）；第七十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1676/118繼續(xù)運(yùn)行輸入文件并將nmos.str結(jié)構(gòu)文件繪制出來(lái)。選擇Electrodes圖象以查看源、柵、漏以及底部電極。點(diǎn)擊WRITE鍵，將會(huì)出現(xiàn)：structout第七十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1677/118使用ATHENA的NMOS工藝仿真使用ATLAS的NMOS器件仿真本章內(nèi)容第七十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1678/118ATLAS概述

ATLAS是一個(gè)基于物理機(jī)理的二維器件仿真工具，用于仿真特定半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性，并仿真器件工作時(shí)相關(guān)的內(nèi)部物理機(jī)理。

ATLAS可以單獨(dú)使用，也可以在SILVACO’sVIRTUALWAFERFAB仿真平臺(tái)中作為核心工具使用。通過(guò)預(yù)測(cè)工藝參數(shù)對(duì)電路特性的影響，器件仿真的結(jié)果可以用于SPICE模型參數(shù)的提取。第七十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1679/1181ATLAS輸入與輸出大多數(shù)ATLAS仿真使用兩種輸入文件：一個(gè)包含ATLAS執(zhí)行指令的文本文件和一個(gè)定義了待仿真結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)文件。ATLAS會(huì)產(chǎn)生三種輸出文件：運(yùn)行輸出文件(run-timeoutput)記錄了仿真的實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程，包括錯(cuò)誤信息和警告信息；記錄文件(logfiles)存儲(chǔ)了所有通過(guò)器件分析得到的端電壓和電流；結(jié)果文件(solutionfiles)存儲(chǔ)了器件在某單一偏置點(diǎn)下有關(guān)變量解的二維或三維數(shù)據(jù)。第七十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1680/1182ATLAS命令的順序在ATLAS中，每個(gè)輸入文件必須包含按正確順序排列的五組語(yǔ)句。這些組的順序如圖所示。如果不按照此順序，往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息并使程序終止，造成程序非正常運(yùn)行。

第八十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1681/1183開始運(yùn)行ATLAS在Deckbuild下開始運(yùn)行ATLAS，需要在UNIX系統(tǒng)命令提示符下輸入：deckbuild-as&命令行選項(xiàng)-as指示Deckbuild將ATLAS作為默認(rèn)仿真工具開始運(yùn)行。在短暫延時(shí)之后，將會(huì)出現(xiàn)如圖所示Deckbuild主窗口。從該窗口可以看出，命令提示已經(jīng)從ATHENA變?yōu)榱薃TLAS。第八十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1682/1184在ATLAS中定義結(jié)構(gòu)在ATLAS中，一個(gè)器件結(jié)構(gòu)可以用三種不同的方式進(jìn)行定義：

從文件中讀入一個(gè)已經(jīng)存在的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)可能是由其它程序創(chuàng)建的，比如ATHENA或DEVEDIT（Silvaco器件結(jié)構(gòu)編輯軟件）；可以通過(guò)Deckbuild自動(dòng)接口界面從ATHENA或DEVEDIT轉(zhuǎn)化而來(lái)；可以使用ATLAS命令語(yǔ)言進(jìn)行構(gòu)建。

第一和第二種方法比第三種方法方便，所以應(yīng)盡量采用前兩種方法。在本章中，我們將通過(guò)第二種方法，利用Deckbuild的自動(dòng)接口界面，將NMOS結(jié)構(gòu)從ATHENA轉(zhuǎn)化為ATLAS。第八十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1683/118NMOS結(jié)構(gòu)的ATLAS仿真我們將以以下幾項(xiàng)內(nèi)容為例進(jìn)行ATLAS仿真介紹：1.Vds=0.1V時(shí)，簡(jiǎn)單Id-Vgs曲線的產(chǎn)生；2.器件參數(shù)如Vt，Beta和Theta的確定；3.Vgs分別為1.1V，2.2V和3.3V時(shí)，Id-Vds曲線的產(chǎn)生。這里將采用由ATHENA創(chuàng)建的NMOS結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行NMOS器件的電學(xué)特性仿真。第八十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1684/118創(chuàng)建ATLAS輸入文檔

為了啟動(dòng)ATLAS，輸入語(yǔ)句：

goatlas載入由ATHENA創(chuàng)建的“nmos.str”結(jié)構(gòu)文件，步驟如下：在ATLASCommands菜單中，依次選擇Structure和Mesh…項(xiàng)。ATLASMesh菜單將會(huì)彈出，如圖所示；在Type欄中，點(diǎn)擊Readfromfile，在欄中輸入結(jié)構(gòu)文件名“nmos.str”；第八十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1685/118點(diǎn)擊WRITE鍵并將Mesh語(yǔ)句寫入Deckbuild文本窗口中，如下圖。第八十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1686/118模型命令組因?yàn)樵贏THENA中已經(jīng)創(chuàng)建了NMOS結(jié)構(gòu)，我們將跳過(guò)結(jié)構(gòu)命令組而直接進(jìn)入模型命令組。在這個(gè)命令組中，我們將分別用Model語(yǔ)句、Contact語(yǔ)句和Interface語(yǔ)句定義模型、接觸特性和表面特性。第八十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1687/1181指定模型對(duì)于簡(jiǎn)單的MOS仿真，用SRH和CVT參數(shù)定義推薦模型。其中SRH是指Shockley-Read-Hall復(fù)合模型，CVT是來(lái)自Lombardi的倒置層模型（參見(jiàn)ATLAS用戶手冊(cè)），它設(shè)定了一個(gè)全面的目標(biāo)動(dòng)態(tài)模型，包括濃度，溫度，平行場(chǎng)和橫向場(chǎng)的依賴性。定義這兩種NMOS結(jié)構(gòu)模型的步驟如下：在ATLASCommands菜單中，依次選擇Models和Models…項(xiàng)。Deckbuild：ATLASModel菜單將會(huì)出現(xiàn)，如下圖所示；第八十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1688/118在Category欄中，選擇Mobility模型；一組動(dòng)態(tài)模型將會(huì)出現(xiàn)，選擇CVT；為了運(yùn)行時(shí)在運(yùn)行輸出區(qū)域中記錄模型的狀態(tài)，在PrintModelStatus選項(xiàng)中點(diǎn)擊Yes。必要時(shí)可以改變CVT模型默認(rèn)參數(shù)值，方法為：依次點(diǎn)擊DefineParameters和CVT選項(xiàng)。ATLASModel-CVT菜單將會(huì)出現(xiàn)；在參數(shù)修改完畢后點(diǎn)擊Apply。第八十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1689/118也可以在其中添加復(fù)合模型，步驟為：在Category欄中選擇Recombination選項(xiàng)。三種不同的復(fù)合模型將會(huì)出現(xiàn)，如圖3.57所示，分別為Auger，SRH（FixedLifetimes）以及SRH（Conc.Dep.Lifetimes）；選擇SRH（FixedLifetimes）模型仿真NMOS結(jié)構(gòu)；點(diǎn)擊WRITE鍵，Model語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中。第八十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1690/1182指定接觸特性與半導(dǎo)體材料接觸的電極默認(rèn)其具有歐姆特性。如果定義了功函數(shù)，電極將被作為肖特基（Shottky）接觸處理。Contact語(yǔ)句用于定義有一個(gè)或多個(gè)電極的金屬功函數(shù)。用Contact語(yǔ)句定義n型多晶硅柵極接觸功函數(shù)的步驟為：在ATLASCommands菜單中，依次選擇Models和Contacts…項(xiàng)。Deckbuild：ATLASContact菜單將會(huì)出現(xiàn)；在Electrodename一欄中輸入Gate；選擇n-poly代表n型多晶硅，如右圖；點(diǎn)擊WRITE鍵，語(yǔ)句Contactname=gaten.poly將會(huì)出現(xiàn)在輸入文件中。第九十頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1691/118

3指定接觸面特性為了定義NMOS結(jié)構(gòu)的接觸面特性，我們需要使用Interface語(yǔ)句。這個(gè)語(yǔ)句用來(lái)定義接觸面電荷濃度以及半導(dǎo)體和絕緣體材料接觸面的表面復(fù)合率。定義硅和氧化物接觸面固定電荷密度為3×1010cm-2，步驟如下：在ATLASCommands菜單中，依次選擇Models和Interface項(xiàng)，Deckbuild：ATLASInterface菜單將會(huì)出現(xiàn)；在FixedChargeDensity一欄中輸入3e10，如圖所示；點(diǎn)擊WRITE將Interface語(yǔ)句寫入Deckbuild文本窗口中。Interface語(yǔ)句為：Interfaces.n=0.0s.p=0.0qf=3e10第九十一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1692/118數(shù)字求解方法命令組接下來(lái)，我們要選擇數(shù)字方法進(jìn)行仿真?？梢杂脦追N不同的方法對(duì)半導(dǎo)體器件問(wèn)題進(jìn)行求解。對(duì)MOS結(jié)構(gòu)而言，我們使用去偶（GUMMEL）和完全偶合（NEWTON）這兩種方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，以GUMMEL法為例的去偶技術(shù)就是在求解某個(gè)參數(shù)時(shí)保持其它變量不變，不斷重復(fù)直到獲得一個(gè)穩(wěn)定解。而以NEWTON法為例的完全偶合技術(shù)是指在求解時(shí)，同時(shí)考慮所有未知變量。Method語(yǔ)句可以采用如下方法設(shè)定：第九十二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1693/118在ATLASCommands菜單中，依次選擇Solutions和Method…項(xiàng)。Deckbuild：ATLASMethod菜單將會(huì)出現(xiàn)；在Method欄中選擇NEWTON和GUMMEL選項(xiàng)，如下圖所示；默認(rèn)設(shè)定的最大重復(fù)數(shù)為25。這個(gè)值可以根據(jù)需要修改；第九十三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1694/118點(diǎn)擊WRITE將Method語(yǔ)句寫入Deckbuild文本窗口中；將會(huì)出現(xiàn)Method語(yǔ)句，如圖所示。應(yīng)用此語(yǔ)句可以先用GUMMEL法進(jìn)行重復(fù)求解，如果找不到答案，再換Newton法進(jìn)行計(jì)算。第九十四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1695/118解決方案命令組

在解決方案命令組中，我們需要使用Log語(yǔ)句來(lái)輸出并保存包含端口特性計(jì)算結(jié)果在內(nèi)的記錄文件，用Solving語(yǔ)句來(lái)對(duì)不同偏置條件進(jìn)行求解，以及用Loading語(yǔ)句來(lái)加載結(jié)果文件。這些語(yǔ)句都可以通過(guò)Deckbuild：ATLASTest菜單來(lái)完成。

1Vds=0.1V時(shí)，獲得Id~Vgs曲線下面我們要在NMOS結(jié)構(gòu)中，獲得Vds=0.1V時(shí)簡(jiǎn)單的Id~Vgs曲線。具體步驟如下：第九十五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1696/118在ATLASCommands菜單中，依次選擇Solutions和Solve…項(xiàng)。Deckbuild：ATLASTest菜單將會(huì)出現(xiàn)，如左圖所示；點(diǎn)擊Props…鍵以調(diào)用ATLASSolveproperties菜單；在Logfile欄中將文件名改為“nmos1_”，如右圖所示。完成以后點(diǎn)擊OK；第九十六頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1697/118將鼠標(biāo)移至Worksheet區(qū)域，右擊鼠標(biāo)并選擇Addnewrow，如下圖所示；一個(gè)新行被添加到了Worksheet中，如下圖所示；第九十七頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1698/118將鼠標(biāo)移至gate參數(shù)上，右擊鼠標(biāo)。會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電極名的列表。選擇drain，如圖所示；點(diǎn)擊InitialBias欄下的值并將其值改為0.1，然后點(diǎn)擊WRITE鍵；接下來(lái)，再將鼠標(biāo)移至Worksheet區(qū)域，右擊鼠標(biāo)并選擇Addnewrow；第九十八頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/1699/118這樣就在drain行下又添加了一個(gè)新行，如圖所示；在gate行中，將鼠標(biāo)移至CONST類型上，右擊鼠標(biāo)并選擇VAR1。分別將FinalBias和Delta的值改為3.3和0.1，如下圖所示；第九十九頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16100/118點(diǎn)擊WRITE鍵，如下語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中，如圖所示。SolveinitSolvevdrain=0.1Logoutf=nmos1_0.logSolvename=gatevgate=0vfinal=3.3vstep=0.1第一百頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16101/118上述語(yǔ)句以Solveinit語(yǔ)句開始。這條語(yǔ)句提供了一個(gè)初始猜想，即零偏置（或熱平衡）情況下的電勢(shì)和載流子濃度。在得到了零偏置解以后，第二條語(yǔ)句即Solvevdrain=0.1將會(huì)仿真漏極直流偏置為0.1V的情況。如果solve語(yǔ)句沒(méi)有定義某電極電壓，則該電極電壓為零。因此，不需要將所有電極電壓都用solve語(yǔ)句進(jìn)行定義。第三條語(yǔ)句是Log語(yǔ)句，即Logoutf=nmos1_0.log。這條語(yǔ)句用來(lái)將由ATLAS計(jì)算得出的所有仿真結(jié)果保存在nmos1_0.log文件中。這些結(jié)果包括在直流仿真下每個(gè)電極的電流和電壓。

第一百零一頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16102/118要停止保存這些信息，可以使用帶有“off”的log語(yǔ)句如logoff，或使用不同的log文件名。最后一條solve語(yǔ)句：Solvename=gatevgate=0vfinal=3.3vstep=0.1

使柵極電壓從0V變化到3V，間隔為0.1V。注意在這條語(yǔ)句中Name參數(shù)是不能缺少的，而且電極名區(qū)分大小寫。

2獲取器件參數(shù)在這個(gè)仿真中，還要獲取一些器件參數(shù)，例如Vt，Beta和Theta。這可以通過(guò)ATLASExtract菜單來(lái)完成：第一百零二頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16103/118在ATLASCommands菜單中，依次選擇Extract和Device…項(xiàng)。Deckbuild：ATLASExtaction菜單將會(huì)出現(xiàn)，如右圖所示；在默認(rèn)情況下，Testname欄中選擇的是Vt。用戶可以修改默認(rèn)的計(jì)算表達(dá)式；第一百零三頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16104/118

點(diǎn)擊WRITE鍵，VtExtract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中：

extractname=“vt”(xintercept(maxslope(curve(abs(v.“gate”),

abs(i.“drain”))))-abs(ave(v.“drain”))/2.0)下面，繼續(xù)調(diào)用Deckbuild：ATLASExtaction菜單。然后點(diǎn)擊Testname并將其改為Beta，如下圖所示；點(diǎn)擊WRITE鍵，BetaExtract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild文本窗口中：

extractname=“beta”slope(maxslope(curve(abs(v.“gate”),

abs(i.“drain”))))*abs(1.0/abs(ave(v.“drain”)))第一百零四頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16105/118最后，我們要再一次調(diào)用Deckbuild：ATLASExtaction菜單來(lái)設(shè)置計(jì)算theta參數(shù)的Extract語(yǔ)句。然后，點(diǎn)擊Testname欄并將其改為Theta，如圖所示；點(diǎn)擊WRITE鍵，BetaExtract語(yǔ)句將會(huì)出現(xiàn)在Deckbuild文本窗中：extractname=“theta”((max(abs(v.“drain”))*$“beta”)/max

(abs(i.“drain”)))-(1.0/max(abs(v.“gate”))-($“vt”)))第一百零五頁(yè)，共118頁(yè)。2023/4/16106/118在開始仿真之前，我們還需要使用Tonyplot語(yǔ)句以便將仿真結(jié)果繪制出來(lái)。為了自動(dòng)繪制出Id~Vgs曲線，只要在最后一條Extract語(yǔ)句后簡(jiǎn)單地輸入如下的T