第3章 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD

第3章

工艺及器件仿真工具

SILVACO-TCAD浙大微电子SILVACO简介

SILVACO-TCAD是由SILVACO公司研发的计算机辅助设计仿真软件，用于半导体器件和集成电路的研究和开发、测试和生产中。这套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的IC设计提供强大的动力：工艺仿真（ATHENA）和器件仿真（ATLAS）；SPICE模型的生成和开发；互连寄生参数的极其精确的描述；基于物理的可靠性建模以及传统的CAD。所有这些功能整合在统一的框架，为工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改而导致的性能、可靠性等效果，提供直接的反馈。2022/10/112/118浙大微电子2022/10/113/118使用ATHENA的NMOS工艺仿真使用ATLAS的NMOS器件仿真本章内容浙大微电子2022/10/114/118使用ATHENA的NMOS工艺仿真使用ATLAS的NMOS器件仿真本章内容浙大微电子2022/10/115/118概述

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浙大微电子2022/10/116/118创建一个初始结构定义初始直角网格在UNIX或LINUX系统提示符下，输入命令：deckbuild-an&，以便进入deckbuild交互模式并调用ATHENA程序。这时会出现如下

图所示deckbuild主窗口，点击File目录下的EmptyDocument，

清空Deckbuild文本窗口；浙大微电子2022/10/117/118在如图所示的文本窗口中键入语句goAthena；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。浙大微电子2022/10/118/118为了定义网格，选择MeshDefine菜单项，如下图所示。

下面将以在0.6μm×0.8μm的区域内创建非均匀网格为例介绍网格定义的方法。浙大微电子2022/10/119/118在0.6μm×0.8μm的方形区域内创建非均匀网格在网格定义菜单中，Direction栏缺省为X方向；点击Location栏，输入值0，表示要插入的网格线定义点在位置0；点击Spacing栏，输入值0.1，表示相邻网格线定义点间的网格线间距为0.1。当两个定义点所设定的网格线间距不同时，系统会自动将网格间距从较小值渐变到较大值。在Comment栏，键入注释行内容“Non-UniformGrid（0.6umx0.8um)”，如图所示；浙大微电子2022/10/1110/118点击insert键，网格定义的参数将会出现在滚动条菜单中，见

下图；在X=0.2和X=0.6处，分别插入第二和第三个网格线定义点，

并将网格间距均设为0.01。这样在X轴右边区域内就定义了一

个非常精密的网格，作为NMOS晶体管的有源区；接下来，我们继续在Y轴上建立网格。在Direction栏中选择Y

方向；点击Location栏并输入定义点的位置为0。然后，点击Spacing栏并输入网格间距值0.008；浙大微电子2022/10/1111/118在网格定义窗口中点击insert键，并继续插入第二、第三和第四个Y方向的网格定义点，位置分别设为0.2、0.5和0.8，网格间距分别设0.01，0.05和0.15，如图所示。浙大微电子2022/10/1112/118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。最后，点击菜单上的WRITE键从而在文本窗口中写入网格定义信息。浙大微电子2022/10/1113/118定义初始衬底

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基础。接下来就是衬底区的初始化。对仿真结构进行初始化的步骤如下：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，硅材料为<100>晶向；点击Boron杂质板上的Boron键，这样硼就成为了背景杂质；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）。浙大微电子2022/10/1114/118对于Dimensionality一栏，选择2D。在二维情况下进行仿真；

对于Comment栏，输入“InitialSiliconStructurewith<100>Orientation”，如下图所示；点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。浙大微电子2022/10/1115/118现在，运行ATHENA以获得初始结构。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。运行ATHENA并且绘图使初始结构可视化的步骤如下：选中文件“.history01.str”（目前仅有尺寸和材料方面的信息），点击Tools菜单项，并依次选择Plot和Plot浙大微电子2022/10/1116/118Structure…，如图所示，将会出现TONYPLOT（绘图工具软件）。在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…；浙大微电子2022/10/1117/118出现Display（二维网格）菜单项，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，如图所示。浙大微电子2022/10/1118/118

现在，先前的INIT语句创建了一个0.6μm×0.8μm大小的、杂硼浓度为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）。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。浙大微电子2022/10/1119/118栅极氧化在Diffuse菜单中，将Time（minutes）从30改成11，

Tempreture（C）从1000改成950，并使用Constant温度；

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“Gate

Oxidation”并点击WRITE键；浙大微电子2022/10/1120/118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；选中该文件，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，如图所示。从图中可以看出，一个氧化层淀积在了硅表面。浙大微电子2022/10/1121/118下面通过Deckbuild中的Extract程序来确定氧化处理过程中生成的氧化层厚度。在Commands菜单中点击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，表示提取X=0.3处的氧化层厚度。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）为说明层数的提取栅极氧化层的厚度浙大微电子2022/10/1122/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键，继续进行ATHENA仿真。Extract语句运行时的输出如图所示；从运行输出可以看到，我们测量的栅极氧化层厚度为131.347Å。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。浙大微电子2022/10/1123/118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，应照如下方法使用Deckbuild最优化函数：浙大微电子2022/10/1124/118依次点击Maincontrol和Optimizer…选项；调用出如图中所示的最优化工具。第一个最优化视窗显示了Setup模式下控制参数的表格。我们只要改变最大误差参数以便能精确地调整栅极氧化厚度为100Å；浙大微电子2022/10/1125/118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,并定义最优化参数。需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和气压。为了对其进行最优化，在Deckbuild窗口中选中栅极氧化这一步骤，如下图所示。浙大微电子2022/10/1126/118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，如下左图所示，列出了所有可能作为参数的项；检查temp=<variable>和press=<variable>这两项。然后，点击Apply。添加的最优化参数将如下右图所示被列出；浙大微电子2022/10/1127/118接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模式,并定义优化的目标；Optimizer利用Deckbuild中Extract语句的值来定义最优化的目标。因此，返回Deckbuild的文本窗口并选中Extract栅极氧化厚度语句，如图所示；浙大微电子2022/10/1128/118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（见下图）；通过在栅极氧化工艺过程中改变温度和气压，Optimizer对栅极氧化厚度进行了优化。浙大微电子2022/10/1129/118为了观察优化过程，我们可以将Targets模式改为Graphics模式，如下左图所示；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。最优化的结果为，温度925.727°C，偏压0.982979，以及抽样氧化厚度100.209Å，如右图所示；浙大微电子2022/10/1130/118为了完成最优化，温度和气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。如图所示；浙大微电子2022/10/1131/118

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，离子注入是通过在ATHENAImplant菜单中设定Implant语句来完成的。这里举例阈值电压校正注入，条件是杂质硼的剂量为9.5×1011cm-2，注入能量为10keV，tilt为7度，rotation为30度，步骤如下：在Commands菜单中，依次选择Process和Implant…，出现ATHENAImplant菜单。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；浙大微电子2022/10/1132/118点击WRITE键，注入语句将会出现在文本窗口中，如图所示；图中参数CRYSTAL说明对于任何解析模型来说，使用的参数均来自单晶硅。默认为DualPearson模式；将MaterialType选为Crystalline；在Comment栏中，输入注释说明：ThresholdVoltageAdjustimplant；浙大微电子2022/10/1133/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键，ATHENA继续进行仿真，如图所示；在TONYPLOT中分析硼掺杂特性硼杂质的剖面形状可以通过2DMesh菜单或TONYPLOT的Cutline工具进行绘制。在2DMesh菜单中，硼杂质的剖面轮廓线会被显现出来。浙大微电子2022/10/1134/118另一方面，在二维结构中运行Cutline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2DMesh菜单去获得硼杂质剖面的轮廓线。绘制历史文件“.history05.str”（也就是阈值电压校正注入这一步骤），具体方法是，首先选中它，然后从Deckbuild的Tools菜单依次选择Plot和PlotStructure；在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…项，窗口Display(2DMesh)将会弹出；浙大微电子2022/10/1135/118TONYPLOT：Contour弹出窗口将会出现，如图所示。在缺省状态下，窗口中Quantity选项为Netdoping，现将Netdoping改为Boron；点击Apply键，运行结束以后再点击Dismiss；选择Contours，画出结构的等浓度线；点击Define菜单并选择Contours…。浙大微电子2022/10/1136/118硼杂质的剖面浓度如图所示；

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：浙大微电子2022/10/1137/118在TONYPLOT中，依次选择Tools和Cutline…项，弹出Cutline窗口；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；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，将会出现一个一维的硼杂质剖面图，如图所示。浙大微电子2022/10/1138/118多晶硅栅的淀积

淀积可以用来产生多层结构。共形淀积（ConformalDeposition）是最简单的淀积方式，并且在各种淀积层形状要求不是非常严格的情况下使用。在NMOS工艺中，多晶硅层的厚度约为2000Å，这使得用共形多晶硅淀积取而代之成为可能。为了完成共形淀积，从ATHENACommands菜单中依次选择Process、Deposit和Deposit…菜单项。ATHENADeposit菜单如图所示；浙大微电子2022/10/1139/118在Deposit菜单中，淀积类型默认为Conformal；在Material菜单中选择Polysilicon，并将它的厚度值设为0.2；在Gridspecification参数中，点击Totalnumberoflayers并将其值设为10。（在一个淀积层中设定几个网格层通常是非常有用的。在这里，我们需要10个网格层来仿真杂质在多晶硅层中的传输。）在Comment一栏中添加注释ConformalPolysiliconDeposition，并点击WRITE键；下面这几行将会出现在文本窗口中：#ConformalPolysiliconDepositiondepositpolysiliconthick=0.2divisions=10浙大微电子2022/10/1140/118通过DeckbuildTools菜单的Plot和Plotstructure…来绘制当前结构图。创建后的三层结构如图所示。点击Deckbuild控制栏上的Cont键继续进行ATHENA仿真；浙大微电子2022/10/1141/118简单几何刻蚀

接下来就是多晶硅的栅极定义。这里我们将多晶硅栅极网格的边缘定为x=0.35μm，中心网格为x=0.6μm。因此，多晶硅应从左边x=0.35μm开始进行刻蚀，如图所示。浙大微电子2022/10/1142/118在DeckbuildCommands菜单中依次选择Process，Etch和Etch…。出现ATHENAEtch菜单；在Etch菜单的Geometricaltype一栏中选择Left；在Material一栏中选择Polysilicon；将Etchlocation一栏的值设为0.35；在Comment栏中输入注释PolyDefinition；点击WRITE键产生如下语句：#PolyDefinitionetchpolysiliconleftp1.x=0.35点击Deckbuild控制栏上的Cont键以继续进行ATHENA仿真，并将刻蚀结构绘制出来，如图所示；浙大微电子2022/10/1143/118多晶硅氧化接下来是要说明在利用离子注入对多晶硅进行掺杂之前对多晶硅进行的氧化。具体方法是在900°C，1个大气压下进行3分钟的湿氧氧化。因为氧化过程要在非平面且未经破坏的多晶硅上进行，我们要使用被称为fermi和compress的两种方法。Fermi法用于掺杂浓度小于1020cm-3的未经破坏的衬底而compress法用于在非平面结构上仿真氧化和进行二维氧化。为了演示这一氧化过程，可在ATHENACommands菜单中选择Process和Diffuse…菜单项并调出Diffuse菜单。浙大微电子2022/10/1144/118多晶硅氧化在Diffuse菜单中，将Time从11改为3，Temperature从950改为900；在Ambient一栏中，点击WetO2；激活Gaspressure这一栏，而不要选中HCL栏；在Display栏中点击Models，可用的模式将会列出来；同时激活Diffusion和Oxidation模式，并分别选择Fermi和Compressible项；在Comment栏中输入注释PolysiliconOxidation，点击WRITE键。下面的Diffuse语句将会被添加到输入文件中：

#PolysiliconOxidation浙大微电子2022/10/1145/118

methodfermicompress

diffustime=3temp=900wetO2press=1.00点击Deckbuild控制栏上的Cont键继续进行ATHENA仿真，并将结构绘制出来，如下图所示。从图中可以看出，在这一氧化过程中，多晶硅和衬底的表面都形成了氧化层。

浙大微电子2022/10/1146/118多晶硅掺杂在完成了多晶硅氧化之后，接下来要以磷为杂质创建一个重掺杂的多晶硅栅极。这里杂质磷的剂量为3×1013cm-2，注入能量为20KeV。为了演示多晶硅掺杂这一步骤，我们将再一次使用ATHENAImplant菜单。在Commands菜单中，依次选择Process和Implant…。出现ATHENAImplant菜单；在Impurity栏中，将Boron改为Phosphorus；在Dose和Exp:两栏中分别用滚动条或者直接输入值3、13；在Energy、Tilt和Rotation中分别输入值20、7、30；Model默认为DualPearson；将MaterialType选为Crystalline；在Comment栏中输入PolysiliconDoping；点击WRITE键，注入语句将会出现在文本窗口中：浙大微电子2022/10/1147/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键继续进行ATHENA仿真，点击Display（2DMesh）菜单上的Contours键及Apply键将结构的NetDoping绘制出来，如图所示；#PolysiliconDopingimplantphosphordose=3e13energy=20crystal浙大微电子2022/10/1148/118为了看到注入磷后的杂质分布图，可在Display（2DMesh）菜单中点击Define子菜单并选择contours…，TONYPLOT：contours弹出的窗口将会出现。在Quantity选项中，默认值为NetDoping。现在将NetDoping改为Phosphorus；依次点击Apply键和Dismiss键；注入磷杂质的剖面图将会出现如图所示；浙大微电子2022/10/1149/118隔离氧化层淀积

在源极和漏极植入之前，首先需要进行的是侧墙隔离氧化层的淀积。这里侧墙隔离氧化层淀积的厚度为0.12μm。可通过ATHENADeposit菜单实现，步骤如下：在ATHENACommands菜单中，依次选择Process、Deposit和Deposit…菜单项。ATHENADeposit菜单将会出现；在Material菜单中选择Oxide，并将其厚度值设为0.12；将Gridspecification参数“Totalnumberofgridlayers”设为10；在Comment栏中添加注释语句SpacerOxidedeposition，并点击WRITE键；淀积语句将会出现在Deckbuild文本窗口中：浙大微电子2022/10/1150/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键以继续进行ATHENA仿真，并将图示的结构用网格表示出来，如图所示；#SpacerOxideDepositionDepositoxidethick=0.12divisions=10浙大微电子2022/10/1151/118侧墙氧化隔离的形成

为了形成侧墙氧化隔离，必须进行干刻蚀。这可以通过ATHENAEtch菜单来完成，步骤如下：在Etch菜单的Geometricaltype一栏中，点击Drythickness；在Material一栏中，选择Oxide；在thickness栏中输入值0.12；Comment栏中添加注释SpacerOxideetch；点击WRITE键后将会出现如下语句：

#SpacerOxideEtch

etchoxidedrythick=0.12；浙大微电子2022/10/1152/118继续ATHENA仿真，将刻蚀后的结构图绘制出来，如图所示；源/漏极注入和退火要形成NMOS器件的重掺杂源/漏极，就需要进行砷注入。砷的剂量为5*1015cm-2，注入能量为50KeV。为了演示这一注入过程，我们将再一次使用ATHENAImplant菜单。浙大微电子2022/10/1153/118在调用注入菜单以后，具体步骤如下：在Impurity栏中将注入杂质从Phosphorus改为Arsenic；分别在Dose和Exp中输入值5和15；在Energy、Tilt和Rotation中分别输入值50、7、30；将MaterialType选为Crystalline；在Comment栏中输入Source/DrainImplant；点击WRITE键，注入语句将会出现在如下所示的文本窗口中：#Source/DrainImplantimplantarsenicdose=5e15energy=50crytal浙大微电子2022/10/1154/118紧接着源/漏极注入的是一个短暂的退火过程，条件是1个大气压，900°C，1分钟，氮气环境。该退火过程可通过Diffuse菜单实现，步骤如下:在Diffuse菜单中，将Time和Tempreture的值分别设为1和900；在Ambient栏中，点击Nitrogen；激活Gaspressure，并将其值设为1；在Display栏中点击Models，然后可用的模式将会列出来；选中Diffusion模式并选择Fermi项。不要选择Oxidation模式；在Comment栏中添加注释Source/DrainAnnealing并点击WRITE键；下面这些扩散语句将会出现在文本窗口中：浙大微电子2022/10/1155/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键以继续进行ATHENA仿真，并将结构的杂质分布图表示出来，如下图；#Source/DrainAnnealingmethodFermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00浙大微电子2022/10/1156/118接下来，我们将会看到退火过程前后NetDoping（净掺杂）的一些变化。操作步骤如下：在源/漏极退火后的TONYPLOT中，依次点击File和LoadStructure…菜单项；为了加载在implantarsenicdose=5e15energy=50crytal一步中产生的历史文件（history12.str），在filename栏中键入.history12.str依次点击Load、Overlay项，如图；浙大微电子2022/10/1157/118前述的注入结构（.history12.str）将会叠加到退火结构（.history13.str）上，如图所示。注意到图的副标题为Datafrommultiplefiles；浙大微电子2022/10/1158/118在两个结构图相互叠加以后，依次选择TONYPLOT中的Tools和Cutline…菜单项并显示图例；Cutline菜单将会出现。点击图中所示的keyboard按钮并输入X和Y的值；浙大微电子2022/10/1159/118完成后，点击keyboard的return键，TONYPLOT将会提示确认。点击Confirm键；下图右边的一维图便是最终的结果。从图中可以看出短暂的退火过程将杂质粒子从MOS结构的表面转移走了。浙大微电子2022/10/1160/118金属的淀积

ATHENA可以在任何金属、硅化物或多晶硅区域上增加电极。一种特殊的情况就是可以将电极放在背部（backside）而不需要淀积金属。这里，对半个NMOS结构的金属淀积是通过下面这种方法完成的：首先在源/漏极区域形成接触孔，然后将铝淀积并覆盖上去。为了形成源/漏极区域的接触孔，氧化层应从左边X=0.2μm开始刻蚀。使用ATHENAEtch菜单的具体步骤如下：浙大微电子2022/10/1161/118在Etch菜单的Geometricaltype一栏中，点击Left；在Material栏中，选择Oxide；在Etchlocation栏中输入值0.2；在Comment栏中添加注释OpenContactWindow；点击WRITE将会出现如下语句：#OpenContactWindowetchoxideleftp1.x=0.2浙大微电子2022/10/1162/118继续ATHENA仿真，并将刻蚀后的结构图绘制出来，如图所示；浙大微电子2022/10/1163/118接下来，利用ATHENADeposit菜单，一个厚度为0.03μm的铝层将被淀积到这半个NMOS器件表面，具体步骤如下：在Material菜单中选择Aluminum，并将其厚度值设为0.03；对于Gridspecification参数，将Totalnumberofgridlayers设为2；在Comment栏中添加注释AluminumDeposition，并点击WRITE键；下面的淀积语句将会出现在文本窗口中：

#AluminumDeposition

depositaluminumthick=0.03divisions=2；浙大微电子2022/10/1164/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键以继续进行ATHENA仿真，并将结构绘制出来，如图所示；

最后，利用Etch菜单，铝层将从X=0.18μm开始刻蚀，具体步骤如下：浙大微电子2022/10/1165/118在Etch菜单的Geometricaltype一栏中，点击Right；在Material栏中，选择Aluminum；在Etchlocation栏中输入值0.18；在Comment栏中添加注释EtchAluminum；点击WRITE将会出现如下语句：

#EtchAluminumetchaluminumrightp1.x=0.18继续ATHENA仿真，并将刻蚀后的结构图绘制出来，如图所示；浙大微电子2022/10/1166/118获取器件参数

在这一节中，我们将从半个NMOS结构中获取一些器件参数。这些参数包括结深、N++源/漏极方块电阻、氧化隔离层下的LDD方块电阻以及长沟道阈值电压。这可以通过Deckbuild里的Extract菜单来完成。浙大微电子2022/10/1167/118计算结深计算结深的步骤为：在Commands菜单里点击Extract…。ATHENAExtract菜单将会出现；在Extract栏中选择Junctiondepth；在Name栏中输入nxj；在Material栏中选择Material…并选择Silicon；在Extractlocation栏中点击X方向并输入值0.2；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中：

extractname=“nxj”xjmaterial=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.2junc.occno=1在这个extract语句中，name=“nxj”是n型的源/漏极结深；xj说明了该结深需要计算；material=“Silicon”是指结的材料，在这里，材料是硅；mat.occno（occurrenceno.）=1是指计算结深要从第一层材料开始；x.val=0.2是指在X=0.2μm的地方得到源/漏极结深；junc.occno=1是指计算结深要从指定层的第一个结开始。浙大微电子2022/10/1168/118获得N++源/漏极方块电阻为了测定该方块电阻，按如下步骤再一次调用ATHENAExtract菜单：将Extract栏从Junctiondepth改为sheetresistance；在Name栏中输入n++sheetres；在Extractlocation栏中，选中X网格并输入值0.05；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中，如下所示：extractname=“n++sheetres”sheet.resMaterial=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1在这个语句中，sheet.res说明被测对象是方块电阻；mat.occno=1和region.occno=1说明测试第一层材料和区域的方块电阻；x.val=0.05说明了n++区域的测量路径。这是通过给出区域内X=0.05μm这点的网格来实现的。浙大微电子2022/10/1169/118测量LDD方块电阻

为了在氧化层下测量LDD方块电阻，我们只需要简单地把兴趣转移到隔离层下就可以了。参考上图所示的仿真结构可知，采用X=0.3这个值是合理的。我们将把被测电阻命名为‘lddsheetres’。简单地按如下步骤调用ATHENAExtract菜单。将Name栏改为lddsheetres；选中X网格，并将Extractlocation栏中的值改为0.3；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中，如下所示：extractname=“lddsheetres”sheet.resmaterial=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1浙大微电子2022/10/1170/118测量沟道阈值电压在NMOS器件X=0.5μm处测量沟道阈值电压的步骤如下：将ATHENAExtract菜单的Extract栏从Sheetresistance改为QUICKMOS1DVt；在Name栏输入1dvt；在Devicetype栏点击NMOS；激活Qss栏并输入表面态电荷值1e10；在Extractlocation栏输入值0.5；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中，如下所示：extractname=“1dvt”1dvtntypeqss=1e10x.val=0.5在这个语句中，1dvt说明了测量一维阈值电压的Extract程序；ntype是器件类型。在这里为一个n型的晶体管；x.val=0.5是在器件沟道内的一点；qss=1e10是指浓度为的表面态电荷。在缺省状态下，栅极偏置0-5V，衬底为0V，0.25V为步进单位，器件温度为300K。继续ATHENA仿真，所有测量值将会出现在Deckbuild输出窗口中。这些信息也会被存入现存文档文件‘results.final’中。浙大微电子2022/10/1171/118半个NMOS结构的镜像前面构造的是半个类似MOSFET的结构。在某些时候，需要得到完整的结构。这必须在向器件仿真器输出结构或给电极命名前完成。在适当的边界将半个MOSFET进行镜像的步骤如下：在Commands菜单中，依次选择Structure和Mirror项。出现ATHENAMirror菜单；在Mirror栏中选择Right，如下图。

浙大微电子2022/10/1172/118点击Deckbuild控制栏上的Cont键以继续ATHENA仿真，并将完整的NMOS结构绘制出来，如下图所示。

从图中可以看出，结构的右半边完全是左半边的镜像，包括结点网格、掺杂等。点击WRITE键将下列语句写入输入文件：structmirrorright浙大微电子2022/10/1173/118电极的确定

为了使器件仿真器ATLAS实现偏置，有必要对NMOS器件的电极进行标注。结构的电极可以通过ATHENAElectrode菜单进行定义。调用这个菜单的步骤如下：在Commands菜单中，依次选择Structure和Electrode…项。ATHENAElectrode菜单将会出现；在ElectrodeType栏中，选择SpecifiedPosition；在Name栏中，输入source；点击XPosition并将其值设为0.1，如图所示。点击WRITE键，下面的语句将会出现在输入文件中：electrodename=sourcex=0.1浙大微电子2022/10/1174/118类似地，使用ATHENAElectrode菜单在X=1.1μm处确定漏极电极将得到如下语句：electrodename=drainx=1.1多晶硅栅极电极的确定也有同样的形式。对这种结构而言，可以通过和源极或漏极相同的方式得到：electrodename=gatex=0.6在ATHENA中，backside电极可以放在结构的底部而不用金属片，要确定backside电极。在ATHENAElectrode菜单的ElectrodeType栏中选择Backside。然后输入文件名backside。下面的底部电极语句将会出现在输入文件中：electrodename=backsidebacksidebackside语句说明一个平面（高度为0）的电极将会放置在仿真结构的底部。继续运行输入文件。从Deckbuild输出窗口中可以看到相关说明。随着电极的确定，NMOS结构也已经完成。浙大微电子2022/10/1175/118保存ATHENA结构文件尽管Deckbuild在每一步处理完成后都会保存历史结构文件，但是在很多情况下有必要独立地对结构进行保存及初始化。保存或加载结构，可以使用ATHENAFileI/O菜单，调用步骤如下：在Commands菜单中选择FileI/O；点击Save键并建立一个新的文件名nmos.str（见下图）；浙大微电子2022/10/1176/118继续运行输入文件并将nmos.str结构文件绘制出来。选择Electrodes图象以查看源、栅、漏以及底部电极。点击WRITE键，将会出现：structoutfile=nmos.str浙大微电子2022/10/1177/118使用ATHENA的NMOS工艺仿真使用ATLAS的NMOS器件仿真本章内容浙大微电子2022/10/1178/118ATLAS概述

ATLAS是一个基于物理机理的二维器件仿真工具，用于仿真特定半导体器件结构的电学特性，并仿真器件工作时相关的内部物理机理。

ATLAS可以单独使用，也可以在SILVACO’sVIRTUALWAFERFAB仿真平台中作为核心工具使用。通过预测工艺参数对电路特性的影响，器件仿真的结果可以用于SPICE模型参数的提取。浙大微电子2022/10/1179/1181ATLAS输入与输出大多数ATLAS仿真使用两种输入文件：一个包含ATLAS执行指令的文本文件和一个定义了待仿真结构的结构文件。ATLAS会产生三种输出文件：运行输出文件(run-timeoutput)记录了仿真的实时运行过程，包括错误信息和警告信息；记录文件(logfiles)存储了所有通过器件分析得到的端电压和电流；结果文件(solutionfiles)存储了器件在某单一偏置点下有关变量解的二维或三维数据。浙大微电子2022/10/1180/1182ATLAS命令的顺序在ATLAS中，每个输入文件必须包含按正确顺序排列的五组语句。这些组的顺序如图所示。如果不按照此顺序，往往会出现错误信息并使程序终止，造成程序非正常运行。

浙大微电子2022/10/1181/1183开始运行ATLAS在Deckbuild下开始运行ATLAS，需要在UNIX系统命令提示符下输入：deckbuild-as&命令行选项-as指示Deckbuild将ATLAS作为默认仿真工具开始运行。在短暂延时之后，将会出现如图所示Deckbuild主窗口。从该窗口可以看出，命令提示已经从ATHENA变为了ATLAS。浙大微电子2022/10/1182/1184在ATLAS中定义结构在ATLAS中，一个器件结构可以用三种不同的方式进行定义：

从文件中读入一个已经存在的结构。这个结构可能是由其它程序创建的，比如ATHENA或DEVEDIT（Silvaco器件结构编辑软件）；可以通过Deckbuild自动接口界面从ATHENA或DEVEDIT转化而来；可以使用ATLAS命令语言进行构建。

第一和第二种方法比第三种方法方便，所以应尽量采用前两种方法。在本章中，我们将通过第二种方法，利用Deckbuild的自动接口界面，将NMOS结构从ATHENA转化为ATLAS。浙大微电子2022/10/1183/118NMOS结构的ATLAS仿真我们将以以下几项内容为例进行ATLAS仿真介绍：1.Vds=0.1V时，简单Id-Vgs曲线的产生；2.器件参数如Vt，Beta和Theta的确定；3.Vgs分别为1.1V，2.2V和3.3V时，Id-Vds曲线的产生。这里将采用由ATHENA创建的NMOS结构来进行NMOS器件的电学特性仿真。浙大微电子2022/10/1184/118创建ATLAS输入文档

为了启动ATLAS，输入语句：

goatlas载入由ATHENA创建的“nmos.str”结构文件，步骤如下：在ATLASCommands菜单中，依次选择Structure和Mesh…项。ATLASMesh菜单将会弹出，如图所示；在Type栏中，点击Readfromfile，在Filename栏中输入结构文件名“nmos.str”；浙大微电子2022/10/1185/118点击WRITE键并将Mesh语句写入Deckbuild文本窗口中，如下图。浙大微电子2022/10/1186/118模型命令组因为在ATHENA中已经创建了NMOS结构，我们将跳过结构命令组而直接进入模型命令组。在这个命令组中，我们将分别用Model语句、Contact语句和Interface语句定义模型、接触特性和表面特性。浙大微电子2022/10/1187/1181指定模型对于简单的MOS仿真，用SRH和CVT参数定义推荐模型。其中SRH是指Shockley-Read-Hall复合模型，CVT是来自Lombardi的倒置层模型（参见ATLAS用户手册），它设定了一个全面的目标动态模型，包括浓度，温度，平行场和横向场的依赖性。定义这两种NMOS结构模型的步骤如下：在ATLASCommands菜单中，依次选择Models和Models…项。Deckbuild：ATLASModel菜单将会出现，如下图所示；浙大微电子2022/10/1188/118在Category栏中，选择Mobility模型；一组动态模型将会出现，选择CVT；为了运行时在运行输出区域中记录模型的状态，在PrintModelStatus选项中点击Yes。必要时可以改变CVT模型默认参数值，方法为：依次点击DefineParameters和CVT选项。ATLASModel-CVT菜单将会出现；在参数修改完毕后点击Apply。浙大微电子2022/10/1189/118也可以在其中添加复合模型，步骤为：在Category栏中选择Recombination选项。三种不同的复合模型将会出现，如图3.57所示，分别为Auger，SRH（FixedLifetimes）以及SRH（Conc.Dep.Lifetimes）；选择SRH（FixedLifetimes）模型仿真NMOS结构；点击WRITE键，Model语句将会出现在Deckbuild文本窗口中。浙大微电子2022/10/1190/1182指定接触特性与半导体材料接触的电极默认其具有欧姆特性。如果定义了功函数，电极将被作为肖特基（Shottky）接触处理。Contact语句用于定义有一个或多个电极的金属功函数。用Contact语句定义n型多晶硅栅极接触功函数的步骤为：在ATLASCommands菜单中，依次选择Models和Contacts…项。Deckbuild：ATLASContact菜单将会出现；在Electrodename一栏中输入Gate；选择n-poly代表n型多晶硅，如右图；点击WRITE键，语句Contactname=gaten.poly将会出现在输入文件中。浙大微电子2022/10/1191/118

3指定接触面特性为了定义NMOS结构的接触面特性，我们需要使用Interface语句。这个语句用来定义接触面电荷浓度以及半导体和绝缘体材料接触面的表面复合率。定义硅和氧化物接触面固定电荷密度为3×1010cm-2，步骤如下：在ATLASCommands菜单中，依次选择Models和Interface项，Deckbuild：ATLASInterface菜单将会出现；在FixedChargeDensity一栏中输入3e10，如图所示；点击WRITE将Interface语句写入Deckbuild文本窗口中。Interface语句为：Interfaces.n=0.0s.p=0.0qf=3e10浙大微电子2022/10/1192/118数字求解方法命令组接下来，我们要选择数字方法进行仿真。可以用几种不同的方法对半导体器件问题进行求解。对MOS结构而言，我们使用去偶（GUMMEL）和完全偶合（NEWTON）这两种方法。简单地说，以GUMMEL法为例的去偶技术就是在求解某个参数时保持其它变量不变，不断重复直到获得一个稳定解。而以NEWTON法为例的完全偶合技术是指在求解时，同时考虑所有未知变量。Method语句可以采用如下方法设定：浙大微电子2022/10/1193/118在ATLASCommands菜单中，依次选择Solutions和Method…项。Deckbuild：ATLASMethod菜单将会出现；在Method栏中选择NEWTON和GUMMEL选项，如下图所示；默认设定的最大重复数为25。这个值可以根据需要修改；浙大微电子2022/10/1194/118点击WRITE将Method语句写入Deckbuild文本窗口中；将会出现Method语句，如图所示。应用此语句可以先用GUMMEL法进行重复求解，如果找不到答案，再换Newton法进行计算。浙大微电子2022/10/1195/118解决方案命令组

在解决方案命令组中，我们需要使用Log语句来输出并保存包含端口特性计算结果在内的记录文件，用Solving语句来对不同偏置条件进行求解，以及用Loading语句来加载结果文件。这些语句都可以通过Deckbuild：ATLASTest菜单来完成。

1Vds=0.1V时，获得Id~Vgs曲线下面我们要在NMOS结构中，获得Vds=0.1V时简单的Id~Vgs曲线。具体步骤如下：浙大微电子2022/10/1196/118在ATLASCommands菜单中，依次选择Solutions和Solve…项。Deckbuild：ATLASTest菜单将会出现，如左图所示；点击Props…键以调用ATLASSolveproperties菜单；在Logfile栏中将文件名改为“nmos1_”，如右图所示。完成以后点击OK；浙大微电子2022/10/1197/118将鼠标移至Worksheet区域，右击鼠标并选择Addnewrow，如下图所示；一个新行被添加到了Worksheet中，如下图所示；浙大微电子2022/10/1198/118将鼠标移至gate参数上，右击鼠标。会出现一个电极名的列表。选择drain，如图所示；点击InitialBias栏下的值并将其值改为0.1，然后点击WRITE键；接下来，再将鼠标移至Worksheet区域，右击鼠标并选择Addnewrow；浙大微电子2022/10/1199/118这样就在drain行下又添加了一个新行，如图所示；在gate行中，将鼠标移至CONST类型上，右击鼠标并选择VAR1。分别将FinalBias和Delta的值改为3.3和0.1，如下图所示；浙大微电子2022/10/11100/118点击WRITE键，如下语句将会出现在Deckbuild文本窗口中，如图所示。SolveinitSolvevdrain=0.1Logoutf=nmos1_0.logSolvename=gatevgate=0vfinal=3.3vstep=0.1浙大微电子2022/10/11101/118上述语句以Solveinit语句开始。这条语句提供了一个初始猜想，即零偏置（或热平衡）情况下的电势和载流子浓度。在得到了零偏置解以后，第二条语句即Solvevdrain=0.1将会仿真漏极直流偏置为0.1V的情况。如果solve语句没有定义某电极电压，则该电极电压为零。因此，不需要将所有电极电压都用solve语句进行定义。第三条语句是Log语句，即Logoutf=nmos1_0.log。这条语句用来将由ATLAS计算得出的所有仿真结果保存在nmos1_0.log文件中。这些结果包括在直流仿真下每个电极的电流和电压。

浙大微电子2022/10/11102/118要停止保存这些信息，可以使用带有“off”的log语句如logoff，或使用不同的log文件名。最后一条solve语句：Solvename=gatevgate=0vfinal=3.3vstep=0.1

使栅极电压从0V变化到3V，间隔为0.1V。注意在这条语句中Name参数是不能缺少的，而且电极名区分大小写。

2获取器件参数在这个仿真中，还要获取一些器件参数，例如Vt，Beta和Theta。这可以通过ATLASExtract菜单来完成：浙大微电子2022/10/11103/118在ATLASCommands菜单中，依次选择Extract和Device…项。Deckbuild：ATLASExtaction菜单将会出现，如右图所示；在默认情况下，Testname栏中选择的是Vt。用户可以修改默认的计算表达式；浙大微电子2022/10/11104/118

点击WRITE键，VtExtract语句将会出现在Deckbuild文本窗口中：

extractname=“vt”(xintercept(maxslope(curve(abs(v.“gate”),

abs(i.“drain”))))-abs(ave(v.“drain”))/2.0)下面，继续调用Deckbuild：ATLASExtaction菜单。然后点击Testname并将其改为Beta，如下图所示；点击WRITE键，BetaExtract语句将会出现在Deckbuild文本窗口中：

extractname=“beta”slope(maxslope(curve(abs(v.“gate”),

abs(i.“drain”))))*abs(1.0/abs(ave(v.“drain”)))浙大微电子2022/10/11105/118最后，我们要再一次调用Deckbuild：ATLASExtaction菜单来设置计算theta参数的Extract语句。然后，点击Testname栏并将其改为Theta，如图所示；点击WRITE键，BetaExtract语句将会出现在Deckbuild文本窗中：extractname=“theta”((max(abs(v.“drain”))*$“beta”)/max

(abs(i.“drain”)))-(1.0/max(abs(v.“gate”))-($“vt”)))浙大微电子2022/10/11106/118在开始仿真之前，我们还需要使用Tonyplot语句以便将仿真结果绘制出来。为了自动绘制出Id~Vgs曲线，只要在最后一条Extra