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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；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；图4.2以“goathena”开始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MeshDefine菜单项，如图4.3所示下面将以在0.6μm×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-UniformGrid(0.6umx0.8um)”,如图4.4所示；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栏中选择Y；点击Location栏并输入值0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、第三和第四条Y网格线设为0.2、0.5和0.8，间距分别为0.01，0.05和0.15，如图4.6所示。

图4.6Y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1.0×1014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d. 对于Dimensionality一栏，选择2D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；点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。

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，便于调试新文件等使初始结构可视化的步骤如下：a. 选中文件“.history01.str”点击Tools菜单项，并依次选择Plot和PlotStructure…，如图4.9所示；在一个短暂的延迟之后，将会出现TONYPLOT它仅有尺寸和材料方面的信息在TONYPLOT中，依次选择Plot和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1.0×1014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）。

图4.9绘制历史文件结构图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菜单将会出现在Diffuse菜单中，将Time（minutes）从30改成11，Tempreture（C）从1000改成950Constant温度默认选中（见图4.12）；a. 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；b. 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；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；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；从运行输出可以看到，我们测量的栅极氧化厚度为131.347Å图4.14Extract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，DECKBUILD最优化函数应按如下方法使用：a. 依次点击Maincontrol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100Å；b. 将MaximumError在criteria一栏中的值从5改为1；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）图4.15DECKBUILD最优化的Setup模式图4.16Parameter模式需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和偏压为了在最优化工具中对其进行最优化，如图4.17所示，在DECKBUILD窗口中选中栅极氧化这一步骤；图4.17选择栅极氧化步骤然后，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，如图4.18所示，列出了所有可能作为参数的项；图4.18定义需要优化的参数选中temp=和press=这两项。

然后，点击Apply添加的最优化参数将如图4.19所示一样列出；c. 图4.19增加的最优化参数接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模式,并定义优化目标；d. Optimizer利用DECKBUILD中Extract语句的值来定义优化目标因此，返回DECKBUILD的文本窗口并选中Extract栅极氧化厚度语句，如图4.20所示；图4.20选中优化目标然后，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（见图4.21）；通过在栅极氧化工艺过程中改变温度和偏压，Optimizer对栅极氧化厚度进行了优化为了观察优化过程，我们可以将Targets模式改为Graphics模式，如图4.22所示；图4.21在Targetvalue中输入值100Åe. 图4.22Optimizer中的Graphics模式最后，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优化后的结果为，温度925.727C，偏压0.982979，以及抽样氧化厚度100.209Å，如图4.23所示；为了完成最优化，温度和偏压的最优化值需要被复制回输入文档中。

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4.24所示；图4.23最优化完成图4.24优化后的参数在正确的地方自动更新4.1.8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，离子注入是通过可在ATHENAImplant菜单中设定的Implant语句来完成的这里要演示阈值电压校正注入，条件是杂质硼的浓度为9.5×1011cm-2，注入能量为10keV，tilt为7度，rotation为30度，步骤如下：f. 在Commands菜单中，依次选择Process和Implant…，出现ATHENAImplant菜单；g. 在Impurity一栏中选择Boron；通过滚动条或者直接输入的方法，分别在Dose和E。