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Empty Document，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go Athena ；
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。
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；
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4.6 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。
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。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“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。
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）。
图4.9 绘制历史文件结构
图4.10 Tonyplot：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…，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）；
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
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；
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4.14 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100Å；
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）。
图4.15 DECKBUILD最优化的Setup模式
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；
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；
图4.18 定义需要优化的参数
e.选中temp= 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； 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 Å（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； 图4.21 在Target value中输入值100 Å 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 Å，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； 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； 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； 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； 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； 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。 图4.29 演示结构的垂直方向截面图下载本文
