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Silvaco模拟仿真NMOS2010-2011学年第（二）学期EDA课程设计专题实践报告班 级： 学 号： 姓 名： 成 绩： 2011年 6月30日Silvaco模拟仿真NMOS一 ATHENA的NMOS工艺仿真1.1 初始结构在如图1所示的文本窗口中键入 go athena。图1 go athena开始定义初始的矩形网格，网格中节点的数量将会直接影响到仿真的精度和时间在X方向网格定义点为01.0，Y方向网格定义点为00.8。最终将在1.0um0.8um的区域内建立非均匀网格。图2 建立网格1.2 定义初始衬底默认情况下，材料为Silicon并且其晶向为硅材料掺杂质Boron，这样就选择了硼为衬底的掺杂杂质，设置背景掺杂浓度为：1.0x1014atom/cm3。选择space.mul=2。这将强制使得仿真在两维中进行初始化信息如下所示。#InitialSiliconStructurewithOrientationinit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 two.d1.3 运行ATHENA并且绘图 #InitialSiliconStructurewithOrientationInit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 two.d图3 初始化衬底1.4 栅氧化将要在硅片的表面生长一层栅氧化层，这个工艺条件为950度下干氧氧化11分钟，环境为3%的HCL，一个大气压语句如下：#GateOxidationDiffu stime=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3图4 栅极氧化结构栅氧化后的结构将会如图一样显示在TONYPLOT中从图中，我们可以看到，一层氧化层淀积在了硅衬底的表面1.5 取栅极氧化层的厚度接下来，我们要来提取在氧化工艺过程中生长的栅氧化的厚度。Extract是一组功能函数，使得你可以非常方便和快速的来对数值或者曲线进行各种组合和计算。图5 栅氧化厚度的输出从运行结果可以看出，测量的栅极氧化层的厚度为130.666埃。1.6 值电压调整我们将实现一个阈值电压调节注入的工艺，它是通过能量为10KeV，剂量为2x1011cm-2实现的。硼杂质的掺杂分布将会如图所示显现出来。图6 杂质分布1.7 淀积多晶硅栅在NMOS工艺中，多晶硅的厚度约为0.22um。语句如下：depo poly thick=0.22 divi=10 这里需要10个网络层来仿真杂质在多晶硅层中的传输。图7 淀积多晶硅1.8 多晶硅栅定义 接下来定义多晶硅的栅极，将多晶硅栅极网格边缘定义为x=0.35um，中心网格定义为0.8um。对多晶硅从左边x=0.35um开始刻蚀。etch poly left p1.x=0.35刻蚀后的图形如下图：图8 刻蚀多晶硅1.9 多晶氧化在定义好多晶栅后，接下来的步骤是多晶注入前的多晶氧化多晶氧化。氧化条件是3分钟，900度，1个大气压下的湿法氧化。fermi模型通常用于没有损伤的衬底，并且掺杂浓度小于1x1020cm-3。由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使用的模型将会是fermi以及compress，而compress模型用于模拟非等平面结构和2维的氧化工艺。语句为：diffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0图9 多晶硅氧化后形成的氧化层1.10 多晶掺杂 在多晶氧化后，接下来的步骤是对多晶硅进行磷掺杂，以形成n+多晶栅。这里，磷的剂量使用1x1013cm-2，能量使用20KeV.implant phosphor dose=1.0e13 energy=20 pearson图10 注入磷杂质浓度图1.11 侧离氧化层淀积 在源极和漏极植入之前，需要进行侧墙隔离氧化层的淀积。淀积的厚度为0.12um。depo oxide thick=0.120 divisions=8图11 隔离氧化层的网络图1.12 侧墙氧化隔离的形成为了形成氧化隔离，必须进行干刻蚀。刻蚀厚度为0.12um。语句如下：etch oxide dry thick=0.120图12 侧墙氧化层的形成1.13 源/漏极注入和退火现在，我们来通过注入砷进行源漏的注入，这会形成晶体管的n+源漏。源漏注入砷注入的剂量使用：3x1015cm-3，注入能量为：50KeV.implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson源漏注入后接下来将是快速退火工艺，条件是：氮气气氛，1分钟，900度，1个大气压method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0图13 源/漏极和退火过程1.14 金属化在形成源漏区域以后，下个工艺步骤是金属化这个区域金属化。金属化工艺步骤是首先在源漏区域形成接触孔窗口。为了在源漏区域形成接触孔窗口，将氧化层在x=0.2m的位置刻蚀到左边etch oxide left p1.x=0.2图14 在金属淀积之前形成接触孔接着，淀积一个厚度为0.03um的铝层到这半个NMOS器件的表面。deposit alumin thick=0.03 divi=2图15 铝淀积最后，刻蚀x=0.18左边处铝层。etch alumin right p1.x=0.15图16 进行铝刻蚀1.15 获取器件参数 在这一部分，我们将提取这半个NMOS结构的一些器件参数,这些参数包括：a.结深b.N+源漏方块电阻c.边墙下LDD区的方块电阻d.长沟阈值电压计算结深 计算结深的语句如下： extract name=nxj xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1图17 结深计算结果获取N+源/漏极薄层电阻 extract name=n+ sheet rho sheet.res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1图18 薄层电阻计算结果测量沟道阈值电压extract name=n1dvt 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49在这条extract语句中，1dvt指测量一维阈值电压；ntype指器件类型；x.val=0.49为器件沟道内一点；qss=1e10指浓度为1e10cm-3的表面态电荷；vb=0.0栅极偏置0V。图19 阈值电压计算结果沟道表面掺杂浓度extract name=chan surf conc surf.conc impurity=Net Doping material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.45图20 沟道表面浓度计算结果1.16 半个NMOS结构的镜像 前面构建了半个NMOS结构，要得到完整的结构，就需要在向器件仿真器输出结构或电极命名之前完成。语句如下：structure mirror right 图21 完整NMOS结构1.17 电极的确定为了使器件仿真器ATLAS实现偏置，要对NMOS器件的电极进行标注。electrode name=gate x=0.5 对栅极标注。electrode name=source x=0.1对源极标注。electrode name=drain x=1.9 对漏极标注。electrode name=substrate backside1.18 保存ATHENA结构文件完成设计之后有必要对结构进行保存及初始化。点击Save建立新的文件名nmos.str。在文本编辑区里输入如下语句：structure outfile=nmos.str图22 完整NMOS结构2 使用ATLAS的NMOS器件仿真2.1概述 在这一部分，我们将对一个NMOS器件结构进行器件仿真1.产生简单的Vds=0.1V偏压下的曲线：Idvs.Vgs2.提取器件参数，例如Vt,Beta和Theta.d13.产生不同Vgs偏置情况下的Idvs.Vds曲线簇2.2 模型命令集(1) 设置模型对于简单的MOS仿真，推荐使用参数SRH和CVTSRH是ShockleyReadHall复合模型，而CVT模型是来自于Lombardi的反型层模型，这个CVT模型设置了通用的迁移率模型，包括了浓度、温度、平行电场和横向电场的影响。models cvt srh print(2) 设置接触特性与半导体材料接触在一起的电极默认情况下假设为欧姆接触，如果电极上定义了功函数，那么这个电极就认为是肖特基接触。命令“Contact”用来设置电极的金属功函数。使用“Contact”命令来设置n型多晶硅栅的功函数：contact name=gate n.poly(3) 设置界面特性为了设置NMOS结构的界面特性，需要使用“Interface”命令，这个命令用于定义在半导体和绝缘体之间的界面上的界面电荷密度和表面复合速率。为了定义硅和二氧化硅之间的界面上存在的固定电荷密度3x1010cm2：interface qf=3e10。2.3 求解命令集接下来，我们将要为仿真选择数值计算的方法，对于半导体器件的问题，有几种不同的方法可以使用。对于MOS结构来说，可以使用非耦合的GUMMEL法和耦合的NEWTON法。简单来说，Gummel法将对每个未知量轮流求解，同时保持其他变量不变，不断重复这个过程，直到能够得到稳定的解，而Newton法将会对整个系统的所有未知量一起求解。method gummel newton2.4 解决方法命令组（1） Vds=0.1V时，获得Id-Vgs曲线语句如下：solve initsolve vdrain=0.1 log outf=nmos1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatea.上面所显示的命令集开始于“solveinit”命令b.第二个“Solve”命令，也就是“solvevdrain=0.1”将在漏电极上设置0.1V的直流偏压。这个命令将提供零偏压（或热平衡）情况下势能和载流子浓度的初始猜想值（2） 获取器件参数。c.“Log”命令用来将ATLAS所仿真出来的结果存入到文件nmos1_0.log中d.最后一个“Solve”命令将以0.1V为步距，从0V到3V扫描栅电极extract name=nvt (xintercept(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) abs(ave(v.drain)/2.0) 此语句提取阈值电压Vt。extract name=nbeta slope(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) * (1.0/abs(ave(v.drain) 此语句提取值。extract name=ntheta (max(abs(v.drain) * $nbeta)/max(abs(i.drain) - (1.0 / (max(abs(v.gate) - ($nvt) 此语句提取theta值。 图23 求取Id-Vgs曲线及提取参数信息图24 Vds=0.1V时， Id-Vgs曲线图25 提取的参数值(3)生成曲线族 要在Vgs分别为1.1V，2.2V，3.3V时生成Id-Vds曲线族，Vds变化范围为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从load到solve语句为止的语句组会生成Vgs=1.1V时的Id-Vds曲线数据。如果要生成Vgs=2.2V，Vgs=3.3V时的Id-Vds曲线数据，只要重复这三个语句即可。为画出曲线族，用如下语句：tonyplot -overlay -st mos1ex02_1.log mos1ex02_2.log mos1ex02_3.log此语句overlay指在一张图中含盖三个plot文件。图26 Vds-Ids曲线族3.关键工艺步骤对器件性能的影响（1）晶向选择 晶向选择100面，晶向上有较小的原子线密度，可以减少衬底电阻和注入所伤，另外其他晶向选择不具有商业价值。（2）栅氧化层厚度栅氧化层厚度会影响阈值电压的值。将条件改变，采用1.2Pa，950，3%HCl，11min，其他情况不变的条件下，通过仿真可得阈值电压为：0.897261V。而沟道表面掺杂浓度，S/D区薄层电阻变化不大。（3）阈值电压调整阈值电压调整是利用离子注入，与注入的离子浓度有关。现在改变注入条件，如：implant boron dose=2.5e12 energy=15 pearson，而其他条件不变，仿真得阈值电压为0.784998V.，其他参量也有微小变化。（4）多晶硅厚度 多晶硅的厚度和栅氧化层的厚度共同影响阈值电压及其他参数。本次仿真中淀积的多晶硅厚度为0.25um。现在改为0.3um，其他条件不变 可得阈值电压变为0.611771V，对其他参数影响不大。（5）源漏注入及退火源漏注入浓度及退火时间等对器件性能有重要影响。主要影响结深，薄层电阻，阈值电压，表面沟道浓度等。4.总结NMOS 器件各参量数值参量数值沟道长度0.58222um阈值电压-0.0269VS/D结结深0.1669um沟道表面掺杂浓度5.2221015 Cm-3S/D区薄层电阻40.5146/值0.00011507值0.119934go athena#line 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 #line y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15 #InitialSiliconStructurewithOrientationinit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 space.mul=2#GateOxidationdiffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3# Extract a design parameter extract name=gateox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.3#vt adjust implant implant boron dose=2e11 energy=10 pearson #depo poly thick=0.22 divi=10 #etch poly left p1.x=0.35#method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0#implant phosphor dose=1.0e13 energy=20 pearson #depo oxide thick=0.120 divisions=8#etch oxide dry thick=0.120#implant arsenic dose=3e15 energy=50 pearson #method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0# pattern s/d contact metaletch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.05 divi=2etch alumin right p1.x=0.15structure outfile=zhangqi_nmos.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 sheet.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=0.49# extract the surface conc under the channel.extract name=chan surf conc surf.conc impurity=Net Doping material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.45structure mirror rightelectrode name=gate x=0.5 electrode name=source x=0.1electrode name=dr