微电子器件与工艺模拟实验讲义

微电子器件与工艺模拟实验讲义高云、杨维明、叶葱、汪宝元湖北大学物理学与电子技术学院PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn1实验目录Experiment1.ThinFilmResistor:CreatinganThinFilmResistorUsingATHENA2Experiment2.ZenerDiode10Experiment3.MSJunction:CreatingaM-SJunctiongUsingATLAS12Experiment4.NMOSDevice：CreatingaNMOSDeviceusingATHENA15Experiment5.NMOSDevice：NMOSDevicesimulationusingATLAS30Experiment6.NMOSDevise:CreatingaNMOSDeviseusingDEVEDIT39Experiment7.MESFETDevice50Experiment8.BJTDevice66Experiment9.SolarCell79Experiment10.TFT92AppendixA:ATLAS中常用STATEMENTS及其部分参数100AppendixB:IC制造工艺简述107PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn2Experiment1.ThinFilmResistor:CreatinganThinFilmResistorUsingATHENA基础知识e.g.p型Si上制作一个n+poly-Si型电阻根据电阻公式:llRShwrr=⋅=⋅(1.1)进一步,01()llRRhwwr=⋅⋅=⋅(1.2)其中,R0称作方块电阻.也就是说,薄膜电阻为方块电阻乘以长宽比.控制电阻材料的电阻率和材料厚度,可以得到适度的方块电阻,在平面工艺中,控制长宽比,就可以得到需要的电阻阻值.目标结构图1.1完整的薄膜电阻结构结构参数衬底:0.6um×0.8um,Si,p型,浓度1×1014cm-3氧化层:厚度0.04umPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn3多晶硅层:厚度0.2um,n型,浓度1×1015cm-3模拟程序1.定义网格a.在DECKBUILD下运行ATHENA.b.在文本窗口输入如下语句:goathenac.打开网格定义窗口:右键点击Commands—选MeshDefine...d.在打开的MeshDefine界面,Direction一栏默认为X,Location一栏输入0.00(输入后切记记得按回车键.后面的也是如此.不再赘述.),Spacing一栏输入0.10,Comment一栏输入Non-unifromGrid(0.6um×0.8um),如下图:图1.2定义网格参数e.单击Insert按钮.f.重复上面两步,实现Location=0.20时Spacing=0.01;Location=0.60时Spacing=0.01.g.现在设置Y方向上的网格,在Direction一栏单击Y.其他步骤同d,e步骤,实现如下设置:PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn4图1.3Y方向网格定义h.单击View...按钮,即可看到网格分布窗口.(注意总共产生了1786个格点和3404个三角形.)i.单击WRITE.在DECKBUILD中看到的语句将如下所示:goathena#Non-unifromGrid(0.6um×0.8um)linexloc=0.00spac=0.10linexloc=0.20spac=0.01linexloc=0.60spac=0.01#lineyloc=0.00spac=0.008lineyloc=0.2spac=0.01lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0.152.定义衬底a.打开ATHENAMeshInitialize菜单:右键点击Commands—MeshInitialize.b.在弹出的窗口作出如下选择:Material:SiliconOrientation:100Impurity:BoronConcentration:ByConcentration1.0e14Dimensionality:2DGridscalingfactor:1.0Comment:InitialSilicon3.生成氧化层接下来,我们将要在硅表面上在1000℃、3%HCL、1个大气压条件下采用干氧法持续30分钟成长一层氧化层.先后选择“Commands—Process—Diffuse”打开ATHENADiffuse菜单.选择或输入以下:Time(minutes):30Temperature(C):1000Ambient:DryO2Gaspressure(atm):1.0Hcl%:3Comment:GateOxidation4.提取氧化层厚度依次选择“Commands—Extract”进入ATHENAExtract菜单.选择或输入以下:Extract:MaterialthicknessName:OxidethickMaterial:SiO~2Extractlocation:X=0.3PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn5图1.4高亮氧化层厚度语句提取氧化硅的厚度:419.388埃.5.优化氧化层厚度.先后单击“MainControl—Optimizer”即进入DECKBUILDOptimizer界面.在Mode为Setup下,选择最大误差为1%——“Maximumerror（%）=1”（Stopcriteria一栏下).改Mode为Parameters.在本例中,栅氧厚度优化参数选择温度和压强.为此,我们得回到DECKBUILD中并高亮“diffusetime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl.pc=3”（如下图）.然后再回到Optimizer,依次选择“Edit—Add”,选temp和press项,单击Apply.图1.5高亮扩散语句改Mode为Targets.Optimizer将用DECKBUILD中Extract语句定义优化目标.因此,再次回到DECKBUILD文本窗口并高亮extract一句.在再回到Optimizer时,选“Edit—Add”,在Targetvalue栏输入目标值“400”.PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn6图1.6高亮优化目标接着Mode选择Graphics,点击Optimize,即可从图中看见优化的全过程:1.7优化过程接着,Mode选择parameters点击Edit菜单选择“copytoDeck”,优化后的温度和气压值将拷贝至文本窗口中.6.沉积多晶硅层接下来,用共形沉积法沉积0.2微米厚的多晶硅.步骤如下:a.首先打开ATHENADeposit菜单——依次选“Process—Deposit—Deposit...”即可.PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn7b.选择或输入以下:Type:ConformalThickness(um):0.2Totalnumberofgridlayers:107.离子注入a.选“Commands—Process—Implant...”打开ATHENAImplant菜单.b.选择或输入以下:Impurity:ArsenicDose(ions/cm2):1.0e15Energy(KeV):40Model:DualPealsonTilt(degrees):7Rotation(degrees):30Materialtype:Crystaline8.退火处理先后选择“Commands—Process—Diffuse”打开ATHENADiffuse菜单.在时间、温度、环境气氛、气压、Diffusion模型栏分别输入或选择2、1000、氮气、1、Fermi.9.提取方块电阻阻值a.打开ATHENAExtract菜单——依次选择“Commnds—Extract”即可.b.选择提取参量:Sheetresistance.其他变量选择如下:图1.8提取方块电阻时的参数选择c.单击WRITE及Cont.可以得出方块电阻为77.8174ohm/square.(如下图所示.)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn8图1.9提取出方块电阻值的语句显示10.刻蚀出多晶形状a.刻蚀掉X=0.15以左的多晶硅.首先打开ATHENAEtch菜单,然后选择或输入以下:EtchMethod:GeometricalGeometricaltype:LeftMateriallocation(um):0.15Comment:PolysiliconDefinitionb.刻蚀掉x=0.45以右的多晶硅.方法同上.刻蚀多晶硅后的图形如图1-10所示.图1.10刻蚀多晶硅后的结构图图1.11刻蚀氧化层后的结构图11.氧化多晶硅在打开的ATHENADiffuse菜单中,使用或修改的参数如下(在以下的步骤中,略去打开AHENA扩散、氧化、刻蚀等菜单的过程):Time（minutes）:3Temperature(c):900Ambient:WetO2Gaspressure(atm):1.00PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn9Diffusion:fermiOxidation:ComprossibleComment:PolysiliconOxidation12.刻蚀出电极接触孔在ATHENAEtch菜单,使用或修改的参数如下:EtchMethod:GeometricalGeometricaltype:AnyshapeMaterial:OxideArbitrarypoints:x=0.25y=-0.25x=0.35y=-0.25x=0.35y=-0.2x=0.25y=-0.2Comment:PolysiliconDefinition13.沉积金属电极打开的ATHENADeposit菜单,选择或修改的参数如下:Type:ConformalMaterial:AluminumThickness(um):0.05Totalnumberofgridlayers:10图1.12沉积铝后的结构图图1.13完整的薄膜电阻的结构14.刻蚀出电极的形状a.刻蚀掉X=0.2以左的铝.打开ATHENAEtch菜单,然后选择或输入以下:EtchMethod:GeometricalGeometricaltype:LeftMaterial:AluminumEtchlocation(um):0.2b.刻蚀掉X=0.4以右的铝.方法同上.结果如图1.13所示PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn10Experiment2.ZenerDiode基础知识齐纳二极管,又称稳压二极管,是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管,简称稳压管.稳压管与普通二极管有着相类似的伏安特性——其正向特性为指数曲线;所不同的是,当稳压管外加反向电压大到一定程度时则击穿,击穿区的曲线很陡,几乎平行于纵轴,表现出很好的稳压特性,因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中.模拟程序#goathena#网格定义linexloc=0.00spac=0.2linexloc=1spac=0.1linexloc=1.1spac=0.02linexloc=2spac=0.25#lineyloc=0.00spac=0.02lineyloc=0.2spac=0.1lineyloc=0.4spac=0.02lineyloc=2spac=0.5#衬底定义initsiliconc.phos=5.0e18o