EDA课程设计报告DOC

1、天津工业大学毕业实践实习报告N沟道MOS管工艺模拟与器件模拟班级：电科1103学号：1110940316姓 名： 汪兆明成 绩：2015年4月1日、实践目的熟练氧化、离子注入与扩散工艺，使用 Silvaco软件进行模拟，掌握CMOS 工艺流程。学会用Silvaco软件提取MOS晶体管的各种参数，掌握用 SILVACO 工具对MOS晶体管进行器件模拟二、实践要求1、 用An the na构建一个NMO管，要求沟道长度不小于0.8微米，阈值电压在 -0.5v至1V之间。2、 工艺模拟过程要求提取 S/D结结深、阈值电压、沟道表面掺杂浓度、S/D 区薄层电阻等参数。3、进行器件模拟，要求得到NMO输

2、出特性曲线族以及特定漏极电压下的转移特性曲线，并从中提取 MOST的阈值电压和：值。4、分析各关键工艺步骤对器件性能的影响。三、操作步骤1、启动silvaco软件。2、创建一个网格并定义衬底的参数。3、由于本实验运用了 cmos工艺，所以先在衬底上做一个p阱，严格定义p阱 的浓度，注入能量，以及阱区的推进。4、生长栅氧化层，严格控制各参数。diffus time=10 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=35、淀积多晶硅，其厚度为0.2um。6刻蚀掉x=0.35左面的多晶硅，然后低剂量注入磷离子，形成轻掺杂层，剂 量为3e13，能量为20kev。7、淀积氧化层，然

3、后再进行刻蚀，以进行下一步的源漏区注入。8、进行源漏砷离子的注入，剂量为 4e15,能量为40kev。9、淀积铝，形成S/D金属接触。10、进行向右镜像操作，形成完整的 nmos结构并定义电极。11、抽取源漏结深，阈值电压，n+区薄层电阻，沟道表面掺杂浓度，轻掺杂源 漏区的薄层电阻等参数。12、描述输出特性曲线并绘出。13、 描述转移特性曲线并绘出，同时从中提取 MOST的阈值电压和：值。 四测试结果4.1测试结果分析4.1.1.工艺图心93山吐QJBI1.4NlUMl4.12获取器件参数在这一部分，我们将提取这半个 NMO结构的一些器件参数，这些参数包括:a. 结深b. N+源漏方块电阻c.

4、 边墙下LDD区的方块电阻d. 长沟阈值电压计算结深计算结深的语句如下：extract n ame=nxj xj silic on mat.occ no=1 x.val=0.1 jun c.occ no=1Ehang(ii_iijm&s in D&ckbuild.Fils Edit Search. Format Vi ew CoflimandsEsc的龙色呂 HelpEXTRAC1 iniv infiLe=rrAIaO358OrrEXTRACT extract nane-nxj xi silicon mat-occno=l x.val-0.1 junc.accnol nxj=0,5S2222

5、w ftom top cf first Siliccn l&yet X,v&l=0-1获取N+源/漏极薄层电阻extract n ame=n+ sheet rho sheet.res material=Silic onmat.occ no=1 x.val=0.05 regi on. occ no=1d|qs|h| IMbIizII I HjDcTrACT # extract the N+ regions sheet resistanceEXTRACTS extract nane=nn+ sheet rhDn sheet.res materSi 1 ican 善 sktract the long

6、 chan Vt-EXTRACT extr act naiunldvt ldvt ntype vb=0.0 qss=lelO x. val=O. 49nldvt；0.02S9139 V X,val=0.49沟道表面掺杂浓度extract n ame=cha n surf cone surf.c one impurity=Net Doping material=Silic on mat.occ no=1 x.val=0.45甘Ml出k|xH电eilract nauje=ffnldvt* ldvt ntype vb=Q. 0 qss=lelO i.val=O. 49jf exttact uie s

7、unacc cone una?i tJie channel.EKTUCT ent act zumechan surf conc，r syrf.conc inprri如Tfet j卯増n 牝 Efi 証三吓iLimif imt/ccno xal=O5 chan surf conc-5.22219e+015 atOLS/cai3 X,val=0,45EXTRA quit|LAit ini匸 lnu工丄B=”Aiau：jfrj；：”EXIRACT extractxj siliccn mat.dccqj=1 x,val=0.1 junc.Qccnc=lnxj*0+3432G utc from top

8、c tList Killeen layer X.V41*(J*1EXTn?7 # extrace rhe R*+ rtLcns aheet rslsLfinceEXTRJiCT eittacT naMe-=*n+ sh#et rbc sheet.ea mats rial- H5 il ic mat.occne-l x. vL0.05 region hcccncL |n+ stiee rhc=73.3932 dha/aquaEE X.val=D.(5EXIEtACT = extract the lzng chan VtEXIAC7 eitract nam已hnldvt ldvt ntype vb

9、=0.0 q33=lel0 x.val=QQldvt-a+607025 V X.val-D,?EXTRACT? # extract the surface ccnc uder thm channel.EXTRACT exLracc nwfchsn aurf ccnc1* suricotic uiipurity-Net DopingH MriilhSiLicotiM Mt-occno-1 x.val-0.8 chan surf ccnc=t I447e+0L6 atC!L3 C313 X.val=C.2EXTRLCT quit抽取参数nxj=0.34326 umn+ sheet rho=73.3

10、932 ohm/squaren1dvt=0.607028 Vchan surf con c=6.14477e+016 atoms/cm34.1.3. NMOS输出特性曲线族HI)ATLAS # extract max curre nt and saturati on slope ATLASEXTRACTinit infile=nmos4.logEXTRACTextract name= ni dsmax max(i.drai n) nidsmax=0.000442929EXTRACT extract name=sat_slope slope(mi nslope(curve(v.drai n,i.

11、drai n) sat_slope=1.47523e-005EXTRACT quit抽取参数nidsmax=0.000442929EXTRACT init infile=flimios4 sxtraci noZE=Tfnil3xann w(i. Traill) nitoaxO.000442929EXTRACTextract nm=w3at_31cpe* xinslcp cum (v. wdrain i,drain) sat_31ope=1.47523e-005EmftCT quitbut iviextract max current and saturation slopeIrikln icu

12、rE*nt IAATLAS *ATLA3ATIA9 OWRLAT at# ffcv uult-lp-l*it-：D4 *sat_slope=1.47523e-0054.14 转移特性曲线4.1.5. 提取MOS管的阈值电压和一：值* extract device piidxeiffATLASEmn iiit infile-BM_idB.lDgEXTRACT ex* ract 工竄 25讥(xint e rcep； (idxslcp&j curve (aba(i/dr iin川卜 ab?( ave | v/hd：3ir.r)JZ)nvt-0.SS30S3EXTRACTextract nanenb

13、eta alcpefmslope (cum(ab3(v/gate) Pab9(i/diah)1) ：|1 1.0/ab3(Ave(v/duin)h nbeta=O.C001I3C53EXTRASI # extract the device pareziierer SubVt,EXIRA二ex：ract ;nit inf=Hm5_ia3.1ojMEXTRACTextract1.0/alope(nuslcpe(curve(aba(v.fegatetlogld(abs(i.dr&in|)I)nsiibrtX) J8GB15EXTEar quit抽取参数nvt=0.583053nbeta=0.0001

14、13053 nsubvt=0.08681594.2 Silvaco模拟仿真NMO流程4.2.1.ATHENA 的 NMOS：艺仿真1.衬底初始化默认情况下，材料为Silicon并且其晶向为 硅材料掺杂质Boron,这样就选择了硼为衬底的掺杂杂质，设置背景掺杂浓 度为：1.0x1014atom/cm3。选择space.mul=2。这将强制使得仿真在两维中 进行初始化信息如下所示。#In itialSilico nStructurewithOrie ntati oninit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 two.d2栅氧化将要在硅片的表面生长一层栅氧

15、化层，这个工艺条件为950度下干氧氧化11分钟，环境为3%勺HCL 一个大气压语句如下：#GateOxidationDiffu stime=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=33阈值电压调整我们将实现一个阈值电压调节注入的工艺，它是通过能量为10KeV剂量为2x1011cm-2实现的。硼杂质的掺杂分布将会如图所示显现出来。4.淀积多晶硅栅在NMO工艺中，多晶硅的厚度约为0.22um。语句如下:depo poly thick=0.22 divi=10 这里需要10个网络层来仿真杂质在多晶硅层中的传输Bor-cfi /31llllwn5多晶硅栅定义在NMO工艺

16、中，多晶硅的厚度约为 0.22um。语句如下：depo poly thick=0.22 divi=10 这里需要10个网络层来仿真杂质在多晶硅层中的传输6多晶氧化接下来定义多晶硅的栅极，将多晶硅栅极网格边缘定义为x=0.35um,中心网格定义为0.8um。对多晶硅从左边x=0.35um开始刻蚀etch poly left p1.x=0.35刻蚀后的图形如下图：7dQi.iSr q a力 t j. 3H !1 y s i A 111 r.T r 1111U ft T 111 I - U1 r -|i$ |. 4b2gk p。出辛金Q|.)1NlSfOftl!7多晶掺杂在定义好多晶栅后，接下来的步

17、骤是多晶注入前的多晶氧化多晶氧化。 氧化条件是3分钟，900度，1个大气压下的湿法氧化。fermi模型通常用于没有损伤的衬底，并且掺杂浓度小于1x1020cm-3。由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使用 的模型将会是fermi以及compress，而compress模型用于模拟非等平面结构和 2维的氧化工艺。语句为：diffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.08侧离氧化层淀积在源极和漏极植入之前，需要进行侧墙隔离氧化层的淀积。淀积的厚度为0.12um。depo oxide thick=0.120 divisi on s=89侧墙

18、氧化隔离的形成为了形成氧化隔离，必须进行干刻蚀。刻蚀厚度为0.12um。语句如下:etch oxide dry thick=0.12010源/漏极注入和退火现在，我们来通过注入砷进行源漏的注入，这会形成晶体管的n+源漏源漏注入砷注入的剂量使用：3x1015cm-3,注入能量为：50KeV.impla nt arse nic dose=5.0e15 en ergy=50 pears on源漏注入后接下来将是快速退火工艺，条件是： 氮气气氛，1分钟，900度, 1个大气压method fermi compress0diffuse time=1 temp=900 nitro press=1.00.2

19、0.3e.40.4G.70.1Ki 亡 ratis11金属化在形成源漏区域以后，下个工艺步骤是金属化这个区域金属化。金属化工艺步骤是首先在源漏区域形成接触孔窗口为了在源漏区域形成接触孔窗口，将氧化层在x=0.2卩m的位置刻蚀到左边etch oxide left p1.x=0.212获取器件参数在这一部分，我们将提取这半个 NMO结构的一些器件参数，这些参数包括:a. 结深b. N+源漏方块电阻c. 边墙下LDD区的方块电阻d. 长沟阈值电压计算结深计算结深的语句如下：extract name=nxj xj silicon mat .o ccno=1 x.v al=0.1 junc .o ccn

20、o=1Ehangq,i_nffi&s in * D&ckbuildEXTRAC7 iniv infile=rrAIaO358OrrEXn%ACT extract nant-nxi xi silicon mat-occno=l x.val-0.1 junc.accno-1 nxj=0,532222 w ftom top cf fSilicon layer X,vel=0-1获取N+源/漏极薄层电阻extract n ame=n+ sheet rho sheet.res material=Silic onmat.occ no=1 x.val=0.05 regi on. occ no=10训1 h|

21、 kxHo|1XEXTRACTS # extract the N+ legions sheet resistanceEXTRACTS extract nane=Nn+ sheet rhon sheet.res materSi 1 ican ent act naas=ircliari surf conc，r 5ur,conc iipurity=F,H?t Doping n牝Efi乩 J抚 Limif m,occno=l xal=05 chan surf conc-5,22219e+015 ams/ci3 X,val=C,45EKTRACI 常让抽取参数nxj=0.34326 umn+ sheet

22、 rho=73.3932 ohm/squaren1dvt=0.607028 Vchan surf con c=6.14477e+016 atoms/cm313半个NMO结构的镜像前面构建了半个NMOS吉构，要得到完整的结构，就需要在向器件仿真器输出结构或电极命名之前完成。语句如下：structure mirror right14保存ATHEN结构文件完成设计之后有必要对结构进行保存及初始化。点击Save建立新的文件名nmos.str。在文本编辑区里输入如下语句：structure outfile=nm os.str422. 使用ATLAS的NMO器件仿真1概述在这一部分，我们将对一个NMO器件

23、结构进行器件仿真1. 产生简单的Vds=0.1V偏压下的曲线：Idvs.Vgs2. 提取器件参数，例如Vt,Beta和Theta.dl3. 产生不同Vgs偏置情况下的Idvs.Vds曲线簇2模型命令集 (1)设置模型对于简单的MO筋真，推荐使用参数SRH和CVTSRH是 ShockleyReadHall复合模型，而 CVT模型是来自于Lombardi的反 型层模型，这个CVT模型设置了通用的迁移率模型，包括了浓度、温度、平行 电场和横向电场的影响。models cvt srh print(2) 设置接触特性与半导体材料接触在一起的电极默认情况下假设为欧姆接触，如果电极上 定义了功函数，那么这个

24、电极就认为是肖特基接触。命令“ Con tact ”用来设置电极的金属功函数。使用“Co ntact ”命令来设置n型多晶硅栅的功函数：con tact name=gate n .poly(3) 设置界面特性为了设置NMO结构的界面特性，需要使用“ In terface ”命令，这个命令用于定义在半导体和绝缘体之间的界面上的界面电荷密度和表面复合速率3x1010cm2为了定义硅和二氧化硅之间的界面上存在的固定电荷密度in terface qf=3e10。3求解命令集接下来，我们将要为仿真选择数值计算的方法，对于半导体器件的问题，有几种不同的方法可以使用。对于MOS吉构来说，可以使用非耦合的GU

25、MME法和耦合的NEWTO法。简单来说，Gumme法将对每个未知量轮流求解，同时保持其他变量不变， 不断重复这个过程，直到能够得到稳定的解，而Newton法将会对整个系统的所有未知量一起求解。method gummel n ewt on4解决方法命令组(1) Vds=0.1V时，获得Id-Vgs转移特性曲线语句如下：solve initsolve vdra in=0.1log outf= nm os1 .log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfin al=3.0 n ame=gatea. 上面所显示的命令集开始于“ solveinit ”命令b. 第二个“ S

26、olve ”命令，也就是“ solvevdrain=0.1 ”将在漏电极上设置0.1V 的直流偏压。这个命令将提供零偏压(或热平衡)情况下势能和载流子浓度 的初始猜想值(2)获取器件参数。c. “Log”命令用来将ATLAS所仿真出来的结果存入到文件nmos1_0.log中d. 最后一个“ Solve ”命令将以0.1V为步距，从0V到3V扫描栅电极extract n ame=nv t(xi ntercept(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drai n) abs(ave(v.drain)/2.0)此语句提取阈值电压 Vt。extract n ame=n be

27、taslope(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drai n)* (1.0/abs(ave(v.drai n)此语句提取值。extract n ame=n theta (max(abs(v.drai n)$ nbeta)/max(abs(i.drai n) 此语句提取theta值-(1.0 / (max(abs(v.gate) - ($nvt) AILA3 f ex匸：Ret device parsnieLer?ATLA3EXIRAZI inir inile=,r3i2 3_id3.1zg,rEXTRAO extract roMwt*(xintercepttu

28、xalope(curv(Ab9(v.ffatetabs(1drain)H)- atsfaveivHrain)打2山 nvt=0.553053EMTECO esLiact=cFe0uMglapecuiVab3(v.1gRt；Enib3(iP,diain)】)* (1,0/abs(ave(vh 才 eztrect the device parenietsr SuiDt.DITRAO #ex:rACC init inf恤 s_i 日乩 L的EKTRACIextract naze= autvt 1.0/sLzpe(niaxalopecurve(abs(vgatei rlogl0 (ats(i广drai

29、n1) insufcvt=CH0566159EXTRAS quit抽取参数nvt=0.583053nbeta=0.000113053nsubvt=0.0868159(2)生成曲线族要在Vgs分别为1.1V, 2.2V, 3.3V时生成Id-Vds曲线族，Vds变化范围 为 03.3V。solve vgate=1.1 outf=solve_tmp1solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3load in file=solve_tmp1log outf= nm os1_1.logsolve n ame=dra in

30、vdra in=0 vfin al=3.3 vstep=0.3从load到solve语句为止的语句组会生成 Vgs=1.1V时的Id-Vds曲线数 据。如果要生成Vgs=2.2V，Vgs=3.3V时的Id-Vds曲线数据，只要重复这 三个语句即可。为画出曲线族，用如下语句：ton yplot-overlay -st mos1ex02_1 .logmos1ex02_2 .logmos1ex02_3.log此语句overlay指在一张图中含盖三个plot文件SZmx* fee*fll*a VWQfl 4.3各关键工艺对器件性能的影响431氧化工艺模拟不同掺杂浓度对氧化速率的影响(1) implan

31、t boron dose=3e15 energy=20所得结果：EXTRACTextract name=toxlow thick ness material=SiO2 mat.occ no=1 x.val=-0.25toxlow=623.798 an gstroms (0.0623798 um) X.val=-0.25EXTRACT extract name=toxhigh thick ness material=SiO2 mat.occno=1 x.val=0.25toxhigh=656.258 an gstroms (0.0656258 um) X.val=0.25ATHESRlDauMD

32、xexOl.iti(2) implant boron dose=3e17 energy=20所得结果：EXTRACT extract name=toxlow thick ness material=SiO2 mat.occ no=1x.val=-0.25toxlow=613.089 an gstroms (0.0613089 um) X.val=-0.25EXTRACTextract name=toxhigh thick ness material=SiO2 mat.occno=1 x.val=0.25toxhigh=748.338 angstroms (0.0748338 um) X.val

33、=0.254.32 离子注入工艺模拟(1) 氧化层厚度对离子注入的影响(2) 离子注入剂量与杂质分布的关frc* fcnitipU fil*J4.3.3扩散工艺模拟不同扩散模型的选择对模拟结的影响氧化对扩散工艺的影响附录：实验程序go athe na#定义网格Xline x loc=0.0 spac=0.1line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=1.0 spac=0.01#定义网格丫line y loc=0.0 spac=0.002line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 s

34、pac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15#InitialSiliconStructurewith0rientation初始硅的 100晶向,P型衬底init silicon c.boron=4e14 orientation=100 space.mul=2structure outfile=yaoji npeng_nm os1.str#GateOxidation 栅氧化diffus time=12 temp=910 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3 structure outfile=yaoji npeng_nm os2.str# Extract a d

35、esig n parameter扌由取设计参数extract n ame=gateox thick ness oxide mat.occ no=1 x.val=0.3#vt adjust impla nt阈值电压调整注入impla nt boron dose=2e12 en ergy=10 pears onstructure outfile=yaoji npeng_nm os3.str#depo poly thick=0.25 divi=10structure outfile=yaoji npeng_nm os4.str#栅刻蚀一etch poly left p1.x=0.45structur

36、e outfile=yaoji npeng_nm os5.str#多晶硅氧化method fermi compressdiffuse time=3 temp=920 weto2 press=1.0structure outfile=yaoji npeng_nm os6.str#多晶掺杂impla nt phosphor dose=2.0e13 en ergy=15 pears onstructure outfile=yaoji npeng_nm os7.str#depo oxide thick=0.120 divisi on s=8structure outfile=yaoji npeng_n

37、m os8.str#etch oxide dry thick=0.120structure outfile=yaoji npeng_nm os9.str#impla nt arse nic dose=2.5e15 en ergy=30 pears onstructure outfile=yaoj inpeng_nm os10.str#method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 n itro press=1.0structure outfile=yaoji npeng_nm os11.str# pattern s/d con tact metalet

38、ch oxide left p1.x=0.3deposit alu min thick=0.05 divi=2etch alumin right p1.x=0.25structure outfile=yaoji npeng_nm os12.str# Extract desig n parameters# extract final S/D Xjextract n ame=nxj xj silic on mat.occ no=1 x.val=0.1 jun c.occ no=1# extract the N+ regi ons sheet resista neeextract n ame=n+

39、sheet rho sheet.res material=Silic on mat.occ no=1 x.val=0.05 regi on. occ no=1# extract the long cha n Vtextract name= nldvt 1dvt n type vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.7# extract the surface cone un der the cha nn el.extract n ame=cha n surf cone surf.c one impurity=Net Doping material=Silic on mat.occ no

40、=1 x.val=0.8structure mirror rightelectrode n ame=gate x=0.6electrode n ame=source x=0.1electrode n ame=dra in x=1.9electrode n ame=substrate backsidestructure outfile=yaoj inpeng_nm os13.strton yplot yaojinpeng_nm os*strgo atlasmesh in file=yaoji npeng_nm os13.str# set material models models cvt srh printcon tact n ame=gate n. poly in terface qf=2e10 method gummel n ewt on solve initsolve vgate=1.0 outfile=solve_tmp1solve vgate=2.0 outfile=solve_tmp2solve vgate=3.0 outfile=solve_tmp3solve vgate=4.0