第3章 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD

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④ 对于Dimensionality一栏，选择2D。在二维情况下进行 仿真；
⑤ 对于Comment栏，输入“Initial Silicon Structure with <100> Orientation”，如下图所示；
⑥ 点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。
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② 出现Display（二维网格）菜单项，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，如图所示。
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现在，先前的INIT语句创建了一个0.6μm×0.8μm大小 的、杂硼浓度为1.0×1014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，刻蚀等）。
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和Diffuse …，ATHENA Diffuse菜 单将会出现。
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栅极氧化
③ 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
1.0×1014原子数/cm3（也可以通过以Ohm·cm为单位的电阻系数来确
定背景浓度）。
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① 选中文件“.history01.str” （目前仅有尺寸和材料方面 的信息），点击Tools菜单项，并依次选择Plot和Plot
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Structure…，如图所示，将会出现TONYPLOT（绘图工 具软件）。在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…；
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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100Å，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，应照如下方法使用Deckbuild最优化函数 ：
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⑧ 在Optimizer中，依次点击Edit和Add项。这就将“栅极氧 化” 这个目标添加到了Optimizer的目标列表中去。在目标 列表里定义目标值。在Target value中输入值100 Å（见下 图）；
通过在栅极氧化工艺过程中改变温度和气压，Optimizer 对栅极氧化厚度进行了优化。
模式,并定义最优化参数。
− 需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和气压。为了对其进行最 优化，在Deckbuild窗口中选中栅极氧化这一步骤，如下图所示。
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④ 然后，在Optimizer中，依次点击Edit和Add菜单项。 一个名为Deckbuild：Parameter Define的窗口将会 弹出，如下左图所示，列出了所有可能作为参数的项；
构建立了一个直角网格系基础。接下来就是衬底区的初始化。
对仿真结构进行初始化的步骤如下：
① 在 ATHENA Commands 菜 单 中 选 择 Mesh Initialize… 选 项 。 ATHENA网格初始化菜单将会弹出。在缺省状态下，硅材料为<100> 晶向；
② 点击Boron杂质板上的Boron键，这样硼就成为了背景杂质；
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本章内容
• 使用ATHENA的NMOS工艺仿真 • 使用ATLAS的NMOS器件仿真
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本章内容
• 使用ATHENA的NMOS工艺仿真 • 使用ATLAS的NMOS器件仿真
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概述
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. 保存和加载结构信息
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创建一个初始结构
• 定义初始直角网格
− 在UNIX或LINUX系统提示符下，输入命令：deckbuild-an&，以 便进入deckbuild交互模式并调用ATHENA程序。这时会出现如下 图所示deckbuild主窗口，点击File目录下的Empty Document， 清空Deckbuild文本窗口；
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➢ 为了完成最优化，温度和气压的最优化值需要被复制 回输入文档中。 ⑪ 为了复制这些值，需要返回Parameters模式并依次点击 Edit和Copy to Deck菜单项以更新输入文档中的最优化 值，输入文档将会在正确的地方自动更新。如图所示；
介绍网格定义的方法。
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• 在0.6μm×0.8μm的方形区域内创建非均匀网格 − 在网格定义菜单中，Direction栏缺省为X方向；点击 Location栏，输入值0，表示要插入的网格线定义点在位置0； 点击Spacing栏，输入值0.1，表示相邻网格线定义点间的网格 线间距为0.1。当两个定义点所设定的网格线间距不同时，系统 会自动将网格间距从较小值渐变到较大值。 − 在Comment栏，键入注释行内容“Non-Uniform Grid （0.6um x 0.8um)”，如图所示；
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① 依次点击Main control 和Optimizer…选项； 调用出如图中所示的最 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。 我们只要改变最大误差 参数以便能精确地调整 栅极氧化厚度为100Å；
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② 将Maximum Error在criteria一栏中的值从5改为1； ③ 接下来，我们通过Mode键将Setup模式改为Parameter
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⑨ 为了观察优化过程，我们可以将Targets模式改为Graphics 模式，如下左图所示； ⑩ 最后，点击Optimize键以演示最优化过程。仿真将会重新运 行，并且在一小段时间之后，重新开始栅极氧化这一步骤。最优 化的结果为，温度925.727°C，偏压0.982979，以及抽样氧化 厚度100.209 Å，如右图所示；
① 在Diffuse菜单中，将Time（minutes）从30改成11， Tempreture（C）从1000改成950，并使用Constant温度；
② 在Ambient栏中，选择Dry O2项；分别检查Gas pressure 和HCL栏。将HCL改成3%；在Comment栏里输入“Gate
Oxidation”并点击WRITE键；
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提取栅极氧化层的厚度
下面通过Deckbuild中的Extract程序来确定氧化处理过
程中生成的氧化层厚度。
① 在Commands菜单中点击Extract…，出现ATHENA Extract菜单；Extract栏默认为Material thickness；在 Name一栏输入“Gateoxide”；对于Material一栏，点击 Material…，并选择SiO~2；在Extract location这一栏， 点击X，并输入值0.3，表示提取X=0.3处的氧化层厚度。
第3章 工艺及器件仿真工具
SILVACO-TCAD
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SILVACO简介
SILVACO-TCAD是由SILVACO公司研发的 计算机辅助设计仿真软件，用于半导体器件和集 成电路的研究和开发、测试和生产中。这套完整 的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的IC 设计提供强大的动力：工艺仿真（ATHENA）和 器件仿真（ATLAS）；SPICE 模型的生成和开发； 互连寄生参数的极其精确的描述；基于物理的可 靠性建模以及传统的CAD。所有这些功能整合在 统一的框架，为工程师在完整的设计中任何阶段 中所做更改而导致的性能、可靠性等效果，提供 直接的反馈。
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③ 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；
④ 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；选中该文件，然后点击Tools菜单项，并依次选择 Plot和Plot Structure…，将结构绘制出来；最终的栅极 氧化结构将出现在TONYPLOT中，如图所示。从图中可 以看出，一个氧化层淀积在了硅表面。
⑤ 检查temp=<variable>和press=<variable>这两项。 然后，点击Apply。添加的最优化参数将如下右图所示 被列出 ；
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ห้องสมุดไป่ตู้
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⑥ 接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模 式,并定义优化的目标；
⑦ Optimizer利用Deckbuild中Extract语句的值来定义最优 化的目标。因此，返回Deckbuild的文本窗口并选中 Extract栅极氧化厚度语句，如图所示；
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− 点击insert键，网格定义的参数将会出现在滚动条菜单中，见 下图；
− 在X=0.2和X=0.6处，分别插入第二和第三个网格线定义点，
并将网格间距均设为0.01。这样在X轴右边区域内就定义了一
个非常精密的网格，作为NMOS晶体管的有源区；
− 接下来，我们继续在Y轴上建立网格。在Direction栏中选择Y
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− 在如图所示的文本窗口中键入语句go Athena ；
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。
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− 为了定义网格，选择Mesh Define菜单项，如下图所示。 下面将以在0.6μm×0.8μm的区域内创建非均匀网格为例
② 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
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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。
③ 点击Deckbuild控制栏上的Cont键，继续进行ATHENA 仿真。Extract语句运行时的输出如图所示；从运行输出 可以看到，我们测量的栅极氧化层厚度为131.347Å。
方向；点击Location栏并输入定义点的位置为0。然后，点击
Spacing栏并输入网格间距值0.008；
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− 在网格定义窗口中点击insert键，并继续插入第二、第三和 第四个Y方向的网格定义点，位置分别设为0.2、0.5和0.8， 网格间距分别设 0.01，0.05和0.15，如图所示。
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– 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。
– 最后，点击菜单上的WRITE键从而在文本窗口中写入网 格定义信息。
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定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结
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运行ATHENA并且绘图
现在，运行ATHENA以获得初始结构。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 Struct outfile=.history01.str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：