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4
工艺及器件仿真工具
SILVACO-TCAD
本章将向读者介绍如何使用
SILV
ACO
公司的
TCAD
工具
A
THENA
来进行工艺仿真以
及
A
TLAS
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
和
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
A
THENA
创建一个典型的
MO
SFET
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.
保存和加载结构信息
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&
，以便在
deckbuild
交互模式下调用
A
THENA
。在
短暂的延迟后，
dec
kbuild
主窗口将会出现。如图
4.1
所示，点击
File
目录下的
Em
pty
Document
，清空
DE
CKBUILD
文本窗口；
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
go Athena
；
图
4.2
以“go athena”开始
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接下来要明确网格。
网格中的结点数对仿真的精确度和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。
c.
为了定义网格，
选择
Mesh Def
ine
菜单项，
如图
4.3
所示。
下面将以
在
0.6
μm×0.8μm
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
ATHENA
网格定义菜单
2
在<
/p>
0.6μm×0.8μm
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-
Uniform Grid(0.6um x 0.8um)
”
,
如图
4.4
所示；
< br>
c.
点击
insert
键，参数将会出现在滚动条菜单中；
图
4.4
定义网格参数图
4.5
点击
Insert
键后
d.
继续插入
X
方向的网格线，
将第二和第三条
X
方向的网格线分别设为
0.2
和
0.6
，
间
距均为
0.01
。这
样在
X
方向的右侧区域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
< br>栏中选择
Y
；点击
Locati
on
栏并
输入值
0
。然后，点击
Spacing
栏并输入值
< br>0.008
；
f.
在网格定义窗口中点击
insert
键，将第二
、第三和第四条
Y
网格线设为
0.2<
/p>
、
0.5
和
0.
8
，间距分别为
0.01
，
0.05
和
0.15
，如
图
4.6
所示。
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图
4.6
Y
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
View
Grid
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
。
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
语句只是为<
/p>
ATHENA
仿真结构建立了一个直角网格系的
< br>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
ATHENA
Commands
菜单中选择
Mesh Initialize
…
选项。
A
THENA
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
B
oron
杂质板上的
Boron
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
1.0×
10
14
原子
数
/cm
3
；
（也可以通过以
Ohm·
cm
为单位的
电阻系数来确定背景浓度。
）
d.
对于
D
imensionality
一栏，选择
2D
< br>。即表示在二维情况下进行仿真；
e.
对于
C
omment
栏，输入
“Initial Silicon
Structure with <100> Orientation”
，如图
4.8
；
f.
点击
W
RITE
键以写入网格初始化的有关信息。
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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
ATHENA
并且绘图
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
< br>run
键。输出将会出现在仿真器子窗口中。语句
str
uct outfile=.
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
“.”
。点击
Tools
菜单项，并
依次选择
Plot
和
Plot Str
ucture…
，
如图
4.9
所示；在一个短暂的延迟之后，将会出现
TONYPLOT
。它仅有尺寸和材料方面的
信息。在
TONYPLO
T
中，依次选择
Plot
和
Display…
；
b.
出现
D
isplay
（二维网格）
菜单项，
如
图
4.10
所示。
在缺省状态下，
Edges
和
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
0.6μm×0.8μm
大小的、杂质硼浓度为
1.0×
10
14
原子
数
/cm
3
、
掺杂均匀的
<10
0>
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，刻蚀等）
。
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图
4.9
绘制历史文件结构
图
4.10 Tonyplot
：<
/p>
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<
/p>
和
Diffuse…
，
< br>ATHENA Diffuse
菜单将会出现。
a.
在
Di
ffuse
菜单中，将
Time
（
minutes
）从
30
< br>改成
11
，
Tempretur
e
（
C
）从
1
000
改
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成
950
。
Constant
温度默认选
中（见图
4.12
）
；
图
4.12
由扩散菜单定义的栅极氧化参数
图
4.13
栅极氧化结构
b.
在<
/p>
Ambient
栏中，选择
Dry
O2
项；分别检查
Gas
pressure
和
HCL
栏。将
HCL
改
成
< br>3%
；在
Comment
栏里输
入
“Gate Oxidation”
并点击
< br>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
“.”
将会生成；选中文件
“.”
，然后点击
Tools
菜单项，
并依次选择
Pl
ot
和
Plot
Structure
…
，将结构绘制出来；最终的栅极氧化结构将出现在
TONYP
LOT
中，如图
4.13
所示。从图中
可以看出，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
<
/p>
下面过
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
A
THENA
Extract
菜单；
Extract
栏默认为
Material thickness
；在
Name
一栏输入
“Gateoxid
e”
；对于
Material
一栏，点
击
Material…
，并
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/p>
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选
择
SiO~2
；在
Extract l
ocation
这一栏，点击
X
，并输
入值
0.3
；
b.
点击
W
RITE
键，
Extract
语句将会
出现在文本窗口中；
在这个
Extr
act
语句中，
=1
为说明层数的参数
。
由于这里只有一个二氧化硅层，
所以这个参数是可选的。然而
当存在有多个二氧化硅层时，则必须指定出所定义的层；
c.
点击
D
ECKBUILD
控制栏上的
Cont
键，继续进行
A
THENA
仿真仿真。
Extract
语
句运行时的输出如图
4.14
所示；
从运行输出可以看到，我们测量的栅极氧化厚度为
131.347?
。
图
4.14
Extract
语句运行时的输出
4.1.7
栅氧厚度的最优化
下面介绍如何使用
DECKBUILD
中的最
优化函数来对栅极氧化厚度进行最优化。假定
所测量的栅氧厚度为
100?
，栅极氧化过程中的扩散温度和偏压均需要进行调整。为了对参
数进行最优化，
DECKBUILD
最优化函数应按
如下方法使用：
a.
依次点击
Main
control<
/p>
和
Optimizer…
选项；调用出如
图
4.15
所示的最优化工具。
第一个
最优化视窗显示了
Setup
模式下控制参数的表格。
我们只改变最大误差参数以便能精
确地调整栅极氧化厚度为
100?
；
b.
将
Maximum Error
在
criteria
一栏中的值从
5
改为
1
；
c.
接下来，我们通过
Mode
键将
Setup
模
式改为
Parameter
模式
,
并定义需要优化参数
（图
4.16
）
。
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