第3章 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD

第3章工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD浙大微电子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。2020/2/252/118浙大微电子2020/2/253/118•使用ATHENA的NMOS工艺仿真•使用ATLAS的NMOS器件仿真本章内容浙大微电子2020/2/254/118•使用ATHENA的NMOS工艺仿真•使用ATLAS的NMOS器件仿真本章内容浙大微电子2020/2/255/118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浙大微电子2020/2/256/118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EmptyDocument，清空Deckbuild文本窗口；浙大微电子2020/2/257/118−在如图所示的文本窗口中键入语句goAthena；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。浙大微电子2020/2/258/118−为了定义网格，选择MeshDefine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介绍网格定义的方法。浙大微电子2020/2/259/118•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-UniformGrid（0.6umx0.8um)”，如图所示；浙大微电子2020/2/2510/118−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；浙大微电子2020/2/2511/118−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。浙大微电子2020/2/2512/118–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。–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。浙大微电子2020/2/2513/118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，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；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）。浙大微电子2020/2/2514/118④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“InitialSiliconStructurewith100Orientation”，如下图所示；⑥点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。浙大微电子2020/2/2515/118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Structoutfile=.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。运行ATHENA并且绘图使初始结构可视化的步骤如下：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浙大微电子2020/2/2516/118Structure…，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…；浙大微电子2020/2/2517/118②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。浙大微电子2020/2/2518/118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…，ATHENADiffuse菜单将会出现。浙大微电子2020/2/2519/118栅极氧化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DryO2项；分别检查Gaspressure和HCL栏。将HCL改成3%；在Comment栏里输入“GateOxidation”并点击WRITE键；浙大微电子2020/2/2520/118③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，如图所示。从图中可以看出，一个氧化层淀积在了硅表面。浙大微电子2020/2/2521/118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SiO~2；在Extractlocation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。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）为说明层数的提取栅极氧化层的厚度浙大微电子2020/2/2522/118③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。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。浙大微电子2020/2/2523/118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：浙大微电子2020/2/2524/118①依次点击Maincontrol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；浙大微电子2020/2/2525/118②将MaximumError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。浙大微电子2020/2/2526/118④然后，在Optimizer中，依次点击Edit和Add菜单项。一个名为Deckbuild：ParameterDefine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；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；浙大微电子2020/2/2527/118⑥接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模式,并定义优化的目标；⑦Optimizer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；浙大微电子2020/2/2528/118⑧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Targetvalue中输入值100Å（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。浙大微电子2020/2/2529/118⑨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100.209Å，如右图所示；浙大微电子2020/2/2530/118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CopytoDeck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；浙大微电子2020/2/2531/118完成离子注入离子注入是向半导体器件结构中掺杂的主要方法。在ATHENA中，离子注入是通过在ATHENAImplant菜单中设定Implant语句来完成的。这里举例阈值电压校正注入，条件是杂质硼的剂量为9.5×1011cm-2，注入能量为10keV，tilt为7度，rotation为30度，步骤如下：①在Commands菜单中，依次选择Process