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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ATHENA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A THENA。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Empty Document,清空DECKBUILD文本窗口;

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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 ;

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图4.2 以“go athena”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Mesh Define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。

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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-Uniform Grid(0.6um x 0.8um)”,如图4.4所示;

c. 点击insert键,参数将会出现在滚动条菜单中;

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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。

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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。

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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“Initial Silicon Structure with <100> Orientation”,如图4.8;

f.点击WRITE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:

a.选中文件“.history01.str”。点击Tools菜单项,并依次选择Plot和Plot Structure…,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)。

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图4.9 绘制历史文件结构

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图4.10 Tonyplot:Display(二维网格)菜单

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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…,ATHENA Diffuse菜单将会出现。

a.在Diffuse菜单中,将Time(minutes)从30改成11,Tempreture(C)从1000改

成950。Constant温度默认选中(见图4.12);

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图4.12 由扩散菜单定义的栅极氧化参数

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图4.13 栅极氧化结构

b.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;

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“.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A THENA 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;

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?。

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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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图4.15 DECKBUILD最优化的Setup模式

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图4.16 Parameter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;

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图4.17 选择栅极氧化步骤

d.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,如图4.18所示,列出了所有可能作为参数的项;

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图4.18 定义需要优化的参数

e.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;

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图4.19 增加的最优化参数

f.接下来,通过Mode键将Parameter模式改为Targets模式,并定义优化目标;

g.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;

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图4.20 选中优化目标

h.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Target value中输入值100 ?(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。

i.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;

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图4.21 在Target value中输入值100 ?

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图4.22 Optimizer中的Graphics模式

j.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100.209 ?,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。

k.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4.24所示;

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图4.23 最优化完成

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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ATHENA Implant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:

g.在Commands菜单中,依次选择Process和Implant…,出现ATHENA Implant菜单;

h.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Exp:这两栏中输入值9.5和11;在Energy、Tilt以及Rotation这三栏中分别输入值10、7和30;默认为Dual Pearson模式;将Material Type选为Crystalline;在Comment栏中,输入Threshold Voltage Adjust implant;

i.点击WRITE键,注入语句将会出现在文本窗口中,如图4.25所示;

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图4.25 阈值电压调整注入语句

参数CRYSTAL说明了对于任何解析模型来说,均使用一片硅单晶上的值域抽样统计值。

j.点击DECKBUILD控制栏上的Cont键,ATHENA继续进行仿真,如图4.26所示;

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图4.26 阈值电压调整注入步骤的仿真

4.1.9在TONYPLOT中分析硼掺杂特性

硼杂质的剖面形状可以通过2D Mesh菜单或TONYPLOT的Cutline工具进行成像。在2D Mesh菜单中,可以显现硼杂质的剖面轮廓线。另一方面,在二维结构中运行Cutline工具可以创建一维的硼杂质的横截面图。

首先,我们用图示的方法说明如何利用2D Mesh菜单去获得硼杂质剖面的轮廓线。

a.绘制历史文件“.history05.str”(阈值电压校正注入这一步骤后得到的历史文件),具体方法是,首先选中它,然后从DECKBUILD的Tools菜单依次选择Plot和Plot Structure;

b.在TONYPLOT中,依次选择Plot和Display…项,窗口Display(2D Mesh)将会弹出;

c.选择Contours图象画出结构的等浓度线;点击Define菜单并选择Contours…,如图4.27所示;

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图4.27 调用TONYPLOT:Contour菜单

d.TONYPLOT:Contour弹出窗口将会出现。在缺省状态下,窗口中Quantity选项为Net doping,现在将Net doping改为Boron;点击Apply键,运行结束以后再点击Dismiss;

e.硼杂质的剖面浓度轮廓图如图4.28所示;

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图4.28 离子注入后硼杂质的剖面轮廓图

接下来,我们要从硼杂质剖面二维的结构中得到一维的横截面图。具体步骤如下:

e.在TONYPLOT中,依次选择Tools和Cutline…项,弹出Cutline窗口;

f.在缺省状态下,Vertical图标已被选中,这将把图例限制在垂直方向;

g.在结构图中,从氧化层开始按下鼠标左键并一直拖动到结构底部。这样,一个一维

的硼杂质剖面横截面图,如图4.29所示。

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图4.29 演示结构的垂直方向截面图