Silvaco中文学习手册

1、§4工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD本章将向读者介绍如何使用SILVACO公司的TCAD工具ATHENA来进行工艺仿真以及ATLAS来进行器件仿真。假定读者已经熟悉了硅器件及电路的制造工艺以及MOSFET与BJT的基本概念。4、1使用ATHENA的NMOS工艺仿真4、1、1概述本节介绍用ATHENA创建一个典型的MOSFET输入文件所需的基本操作。包括a、创建一个好的仿真网格b、演示淀积操作c、演示几何刻蚀操作d、氧化、扩散、退火以及离子注入e、结构操作f、保存与加载结构信息4、1、2创建一个初始结构1定义初始直角网格a、输入UNIX命令：deckbuild-an&

2、,以便在deckbuild交互模式下调用ATHENA。在短暂的延迟后，deckbuild主窗口将会出现。如图4、1所示，点击File目录下的EmptyDocument,清空DECKBUILD文本窗口;_g.kbulldVSSOHR-itie1dir；/中acg/silQa®口一RftwmrHpcZurkTl"D|3«lt« sa/e 5a As. Include.Empty OMUEMtQuit:FilebMew丁Edit-)Findr)MainCbmtnolrjCximaniferTods-'d1配=。/25psc-'fl,00B4sf

3、3C-0,OOSG5CS<-0r010SEaod»OQZ2sc.ac=oaoo51hieyspac-O-OIj：汨鼻yIikF3cec-nl5ffIEec.prwsiei4驰冢.曲1=2IfMel1forinationiik：1udinrgnaski-goffofthenel-Mdi产UEt-ci 一丸 H图 4、2 以"go athena ”开始接下来要明确网格。网格中的结点数对仿真的精确度与所需时间有着直接的影响。仿真结构中存在离子注入或者形成 PN结的区域应该划分更加细致的网格。tF叩30nlidryo?"HfAf.OChcl&3Ifetch0

4、5ddmthlckF,口zR国Ewplant*图4、1清空文本窗口b、在如图4、2所示的文本窗口中键入语句goAthena;DskbuHdV3.2O.0R-MOM日值ditedldir；心pa亡日相luatT.lFiferjyligrrjEditTjFfiddjMakiCm-Cotrwan曲l亡jc、 为了定义网格，选才i Mesh DeMe菜单项，如图4、3所示。下面将以 在0、6 d mxa 8dm的方形区域内 创建非均匀网格为例介绍网格定义的方法。图4、3调用ATHENAJ格定义菜单2在0、6dmXO、8dm的方形区域内创建非均匀网格a、在网格定义菜单中,Direction（方向）栏缺省

5、为X;点击Location（位置）栏并输入值0;点击Spacing（间隔）栏并输入值0、1;b、在Comment（注释）栏，键入"Non-UniformGrid（0、6umx0、8um）”,如图4、4所示;4、5 点击Insert 键后c、点击insert键，参数将会出现在滚动条菜单中；m niFj nh 'kn- U r for m pridlQJBuiw k &SCec-.bull'JtATHENAM士由DfIrte图4、4定义网格参数图d、继续插入X方向的网格线，将第二与第三条X方向的网格线分别设为0、2与0、6,间距均为0、01。这样在X方向的右侧区域

6、内就定义了一个非常精密的网格，用作为NMOS晶体管的有源区；e、接下来，我们继续在Y轴上建立网格。在Direction栏中选择Y;点击Location栏并输入彳10。然后，点击Spacing栏并输入值0、008;f、在网格定义窗口中点击insert键，将第二、第三与第四条Y网格线设为0、2、0、5与0、8,间距分别为0、01,0、05与0、15,如图4、6所示。-.bj：I±-HzNPM.-shDk9cilon:fykx=!）.0Oy!oc=i）.2y二15LoDHtlan:q.aQwTagSpuing；9T呈0flQT用QCnmvnfliTt;L口nTlnlfcri访加-ymkQg

7、um)图4、6丫方向上的网格定义g、为了预览所定义的网格，在网格定义菜单中选择View键，则会显示ViewGrid窗口。h、最后,点击菜单上的WRITE键从而在文本窗口中写入网格定义的信息。如图4、7。Ipe-KbuIder二建。Ited1由心/x®g/Uioftwariee/ik/woIFib丁ivi?wtEditfndr)Meincontrol丁JcommandsiTwk丁Athan«|ThQrrUnitflrm.ridkU.fljh)IE发Ivwfljnqu胃uniTin-ex1<-0.25pac-D.O111n#sclcc-U.fispi-D.01Iliney

8、1!：c-0.D0spac-0.OQ0n1fi*y1r=).2ttwiC-D.01llh-fy1ufl.5£产小一口,iKUney1c-z=O«0spacD.IS'图4、7对产生非均匀网格的行说明4、1、3定义初始衬底参数由网格定义菜单确定的LINE语句只就是为ATHENA仿真结构建立了一个直角网格系的基础。接下来需要对衬底区进行初始化。对仿真结构进行初始化的步骤如下：a.在ATHENACommands菜单中选择MeshInitialize选项。ATHENA网格初始化菜单将会弹出。在缺省状态下，<100>晶向的硅被选作材料；b.点击Boron杂质板上的B

9、oron键，这样硼就成为了背景杂质；c. 对于Concentration栏,通过滚动条或直接输入选择理想浓度值为1、0,而在Exp栏中选择指数的值为14。这就确定了背景浓度为1、0X1014原子数/cm3；(也可以通过以Ohmcm为单位的电阻系数来确定背景浓度。)d. 对于Dimensionality一栏，选才22D。即表示在二维情况下进行仿真；e. 对于Comment栏，输入“InitialSiliconStructurewith<100>Orientation如图4、8;f. 点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。“j.ln-一小彳'-iItdi-iflaicri

10、at;1rSilicoriOrinrArinkr!icfl11Q111|1impur!t/jArdlniDtvArsbbkBururiFp1j=US勃kw21ncSelerLn0BryilluiriPigmediumAiunplnu.mGalljinCarbonCiiromimmCuerrnnrumIndiumrflpnivCv*nGiu明By力6*上储七Dimeregional忤1,01.0AiutoID5.9Cvlindrical1Xlkvs_114Hrem/emmu：GridsgIIvjififtur:i.qin-31QC$nriiij；，温G”布;MrilipArnFirtcci：_修

11、苴出演j：；七1Z?C'_卜?1家,5tcsrtnn-班"E山'.-91.£«|1由«Hu1昨时”网*，：Cotutiliri此ln；S.M犷用口仃1寸iS口w|iIE.图4、8通过网格初始化菜单定义初始的衬底参数4、1、4运行ATHENAS且绘图现在,我们可以运行ATHENA以获得初始的结构。点击DECKBUILD控制栏里的run键。输出将会出现在仿真器子窗口中。语句structout就是DECKBUILD通过历史记录功能自动产生的，便于调试新文件等。使初始结构可视化的步骤如下：a.选中文件：'history01、str;点击T

12、ools菜单项，并依次选择Plot与PlotStructure如图4、9所示;在一个短暂的延迟之后，将会出现TONYPLOT。它仅有尺寸与材料方面的信息。在TONYPLOT中,依次选择Plot与Display；b.出现Display（二维网格）菜单项，如图4、10所示。在缺省状态下，Edges与Regions图象已选。把Mesh图象也选上，并点击Apply。将出现初始的三角型网格，如图4、11所示。现在之前的INIT语句创建了一个0、6dmKQ8dm大小的、杂质硼浓度为1、0X1014原子数/cm3、掺杂均匀的100晶向的硅片。这个仿真结构已经可以进行任何工艺处理步骤了（例如离子注入，扩散，刻

13、蚀等）。Fit1)UHj-j时况Plal-fft-uquatrwna一一口siwrHLnlffliTi5rM(Q.6u»x0,6uOTg瞳EtlifE.IHwKlDCaO.DOisp4jC4.10一lineiM-ftiiHlWKllKT.5标pH口1HwviBf-Q.DQ1即武勺11g日1Iwy说2j|i44*oaoiIlNr1叫，眸E.砥1Irwyspacjl.13tErtfil-iSl5111C*nStftXtur#1而<ll&-init5nlicmc.baron-.iOfl-14dri«ntaiti-crwlDDEwci.diw,jl喻J1ftoi-!J

14、.ml而J.如ItJilIhk14.NBinlEJplEJJdliFiwta-tiMlj)StopeNe日XfkSMA%linek1ocWh.S-sghacH!.C"niirwy1dc"Q".CO卬111TkF川足yIncO.-ML弓Ali-tiMA?.MxyIm-:.邑Miwr%-Imitiilillicm犯wHuh阑th<1IO>Oriwtithii.工lm1t411航E-纱FWLftHiriigG：1on«tooAIHEM5stfiKLutf1IDTEmiTOlF2d依火川In?,1g,3*T*h«图4、9绘制历史文件结构Li

15、lEMBl。色鱼I肚®,整昌CplyhMAtjDarfinta图4、10Tonyplot:Display（二维网格）菜单图4、11初始三角网格4、1、5栅极氧化接下来，我们通过干氧氧化在硅表面生成栅极氧化层，条件就是1个大气压,950°C,3%HCL,11分钟。为了完成这个任务，可以在ATHENA的Commands菜单中依次选择Process与Diffuse,ATHENADiffuse菜单将会出现。a. 在Diffuse菜单中，将Time(minutes)从30改成11,Tempreture(C)从1000改成950。Constant温度默认选中(见图4、12);图4、12

16、由扩散菜单定义的栅极氧化参数0fMplotW323口AIHEHA图4、13栅极氧化结构b. 在Ambient栏中，选择DryO2项;分别检查Gaspressure与HCL栏。将HCL改成3%;在Comment栏里输入"GateOxidation并点击WRITE键；c.有关栅极氧化的数据信息将会被写入DECKBUILD文本窗口，其中Diffuse语句被用来实现栅极氧化；d.点击DECKBUILD控制栏上的Cont键继续ATHENA仿真。一旦栅极氧化完成，另一个历史文件history02、str将会生成；选中文件(history02、str”然后点击Tools菜单项，并依次选择Plot与

17、PlotStructure将结构绘制出来；最终的栅极氧化结构将出现在TONYPLOT中，如图4、13所示。从图中可以瞧出，一个氧化层淀积在了硅表面上。4、1、6提取栅极氧化层的厚度卜面过DECKBUILD中的Extract程序来确定在氧化处理过程中生成的氧化层的厚度。a. 在Commands菜单点击Extract出现ATHENAExtract菜单;Extract栏默认为Materialthickness;在Name一栏输入"Gateoxide对于；Material一栏，点击Material并选择SiO2;在Extractlocation这一栏，点击X,并输入值0、3;5由于这里只有一

18、个二氧化硅层，则必须指定出所定义的层b. 点击WRITE键,Extract语句将会出现在文本窗口中在这个Extract语句中，mat、occno=1为说明层数的参数。所以这个参数就是可选的。然而当存在有多个二氧化硅层时c. 点击DECKBUILD控制栏上的Cont键，继续进行ATHENA仿真仿真。Extract语句运行时的输出如图4、14所示；从运行输出可以瞧到，我们测量的栅极氧化厚度为131、347?。n电就1曲&)专3.十)VJQuitU口的|3pa?tE)irst)pauseriearjrestart?k1!:j9D|KM&neATHENIR。5tFUCtfliJtfi1E-aM5