§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；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。

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。

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131.347Å。

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=<variable>和press=<variable>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；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。