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第一章SilvacoTCAD软件的基本知识与使用
1.1SilvacoTCAD软件的基本知识
TCAD就是TechnologyComputerAidedDesign,指半导体工艺模拟以及器件模拟工具,世界上商用的TGAD工具有Silvaco公司的Athena和Atlas,Synopsys公司的TSupprem和Medici以及ISE公司(已经被Synopsys公司收购)的Dios和Dessis。
Synopsys公司最新发布的TCAD工具命名为Sentaurus。
Silvaco名称是由三部分组成的,即“Sil”,“va”和“co”,从字面上不难理解到时“硅”,“谷”和“公司”英文单词的前几个字母的组合。
Silvaco的中文名称叫矽谷科技公司。
来自美国的矽谷科技公司经过20多年来的成长与发展,现已成为众多领域卓有建树的EDA公司,包括TCAD工艺和器件模拟、Spice参数提取、高速精确电路仿真、全定制IC设计与验证等。
Silvaco拥有包括芯片厂、晶圆厂、IC设计企业、IC材料业者、ASIC业者、大学和研究中心等在内的庞大的国内外客户群。
现今,Silvaco已在全球设立了12间分公司以提供更好的客户服务和合作机会。
Silvaco是现今市场上唯一能够提供给Foundry最完整的解决方案和IC软件厂商。
提供TCAD,Modelling以及EDA前端和后端的支持,也能提供完整的AnalogDesignFlow给IC设计业者。
产品SmartSpice是当今公认的模拟软件的黄金标准,因为支持多集成CPU的SmartSpice的仿真速度比起同类型软件更好,它是国外模拟设计师的最爱:
SmartSpice的收敛性也被公认为仿真器最好的。
1.2SilvacoTCAD软件的使用
SilvacoTCAD用来模拟半导体器件电学性能,进行半导体工艺流程仿真,还可以与其它EDA工具组合起来使用(比如spice),进行系统级电学模拟。
SivacoTCAD为图形用户界面,直接从界面选择输入程序语句,非常易于操作。
其例子教程直接调用装载并运行,是例子库最丰富的TCAD软件之一。
SilvacoTCAD平台包括:
工艺仿真(ATHENA)
器件仿真(ATLAS)
快速器件仿真(Mercury)
1.3SilvacoTCAD软件的主要组件
(1).DeckBuild
(2).TonyPlot可视化工具
(3).ATHENA
(4).ATLAS
(5).DevEdit2D/3D结构和Mesh编辑器
(6).掩膜输出编辑器
第二章NMOS基本结构、工艺流程及工作原理
2.1NMOS的基本结构
NMOS(Negativechannel-Metal-Oxide-Semiconductor,N型金属氧化物半导体)。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底(提供大量可以动空穴)上,制作两个高掺杂浓度的N+区(N+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源),并用金属铝引出两个电极,分别作漏极D和源极S。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极(通常是多晶硅),作为栅极G。
在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。
它的栅极与其它电极间是绝缘的。
NMOS集成电路是N沟道MOS电路,NMOS集成电路的输入阻抗很高,基本上不需要吸收电流,因此,CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。
NMOS集成电路大多采用单组正电源供电,并且以5V为多。
CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源,就可与NMOS集成电路直接连接。
不过,从NMOS到CMOS直接连接时,由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平,因而需要使用一个(电位)上拉电阻R,R的取值一般选用2~100KΩ。
2.2NMOS的工艺流程
a.衬底硅氧化:
在衬底表面产生一层相对较厚的SiO2有选择地刻蚀氧化区,暴露出将来用来生成MOS晶体管的硅表面;
b.用一高质量的氧化物薄膜覆盖在Si表面,这层氧化物最终将形成MOS晶体管的栅极氧化物;
c.在薄氧化层顶部淀积一层多晶硅。
多晶硅可以用做MOS晶体管的栅电极材料,也可以用做硅集成电路中的互连线;
d.成型和刻蚀多晶硅层,形成互连线和MOS管的栅极,刻蚀未覆盖多晶硅的那层薄栅极氧化物,裸露出硅表层,这样就可以在其上面形成源区和漏区了;
e.通过扩散或离子注入的方式,整个硅表层就会被高浓度的杂质所掺杂,形成源区和漏区;
f.用一层SiO2绝缘层覆盖整个表面对绝缘的氧化层成型得到源极和漏极的接触孔,表层蒸发覆盖一层铝,形成互连线,将金属层成型并刻蚀,其表层形成MOS管的互连。
2.3NMOS的工作原理
(1)vGS对iD及沟道的控制作用
①vGS=0的情况
增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。
当栅——源电压vGS=0时,即使加上漏——源电压vDS,而且不论vDS的极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏——源极间没有导电沟道,所以这时漏极电流iD≈0。
②vGS>0的情况
若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。
电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。
这个电场能排斥空穴而吸引电子。
排斥空穴:
使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。
吸引电子:
将P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
(2)导电沟道的形成
当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏—源极之间仍无导电沟道出现,。
vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏——源极间形成N型导电沟道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示。
vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。
开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压,用VT表示。
上面讨论的N沟道MOS管在vGS 只有当vGS≥VT时,才有沟道形成。 这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。 沟道形成以后,在漏—源极间加上正向电压vDS,就有漏极电流产生。 (3)vDS对iD的影响 当vGS>VT且为一确定值时,漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。 漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为VGD=vGS-vDS,因而这里沟道最薄。 但当vDS较小(vDS 随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。 再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。 由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。 第三章NMOS工艺、器件仿真流程 3.1工艺仿真流程 (1)创建一个初始结构 (2)定义初始衬底参数 (3)运行ATHENA (4)工艺步骤 (5)抽取特性 (6)结构操作 (7)Tonyplot显示 3.2参数不同时工艺和器件结果分析 1.分析不同阱浓度时方块电阻、结深等的变化 阱的浓度分别为8e10cm-2、8e12cm-2、8e14cm-2 #p-wellimplant implantborondose=8e12energy=100pears 2.改变阱浓度所得器件结构及曲线 3.21图改变阱浓度所得器件结构及曲线 参数 条件 器件剖面图 栅极特性曲线 输出I—V特性 8e10cm-2 8e12cm-2 8e14cm-2 提取的参数 参数 条件 结深Xj/(um) N++区方 块电阻 1dd区方 块电阻 沟道表面浓度 Vth 8e10cm-2 0.470241 28.6844 1694.31 2.35675e18 0.338091 8e12cm-2 0.175358 28.8851 2161.12 3.96014e18 0.594262 8e14cm-2 0.091029 29.8586 10656 1.94421e18 2.85095 3.22表提取的参数 根据图表3.21、3.22得,当阱浓度增加时结深而越来越小,N++区方块电阻缓慢增加,LDD区方块电阻快速增加,沟道表面浓度先增加后减小,阈值电压增加。 8e10cm-2到8e12cm-2栅极特性曲线,I---V特性曲线变化不大,缓慢增加,而增加到8e14cm-2是变化很大。 3.改变栅氧化层厚度对阈值电压的影响 #gateoxidegrownhere: - diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3 Time分别改为61112 提取参数 参数 条件 time 结深Xj/(um) N++区方块电阻 1dd区方 块电阻 沟道表面浓度 Vth 6 0.181405 29.3166 2044.89 3.96374e16 0.390134 11 0.175358 28.8851 2161.12 3.96014e16 0.594262 12 0.174259 28.7879 2175.06 3.98136e16 0.630866 3.31表提取参数 参数 条件 器件剖面图 栅极特性曲线 输出的I-V特性 Time6 Time11 Time12 3.32图改变源/漏浓度所得的器件结构及曲线 根据图表3.31、3.32得: 结深、1dd区方块电阻、Vth、沟道表面浓度都随着时间的增加而缓慢增加,而N++去方块电阻随时间的增加而减小。 栅极特性曲线、I---V特性曲线随时间增加变化不大。 4、改变调整阈值电压的注入浓度的影响 #vtadjustimplant( implantborondose=9.5e11energy=10pearson 阈值电压调整的注入剂量分别为9.5e99.5e119.5e13 3.41图改变阈值电压调整注入浓度所得的器件结构及曲线 参数 条件 器件剖面图 栅极特性曲线 输出的I-V特性 9.5e9 9.5e11 9.5e13 3.42表提取参数 参数 条件 time 结深 Xj/(um) N++区方块电阻 1dd区方 块电阻 沟道表面浓度 Vth 9.5e9 0.091052 29.8542 10258.3 1.9108e18 2.82019 9.5e11 0.091029 29.8586 10656 1.94421e18 2.85095 9.5e13 0.089097 30.3583 1.20e11 6.44417e18 4.69053 根据图表3.41、3.42得当阈值电压调整的注入剂量为9e13是输出I---V特性曲线失真,不起作用;同时,提取的参数变化太大,所以也不起作用。 结深随阈值电压调整的注入剂量的增加而减小,N++区方块电阻、ldd区方块电阻、沟道表面浓度、阈值电压随阈值电压调整的注入剂量的增加而增加。 第四章实训总结 在这次的实训中,学到了一种新的仿真软件,通过老师给我们的SilvacoTCAD软件和SilvacoTCAD_WIN版学习资料,进行了预习,对SilvacoTCAD的基本操作流程有了一定的了解,并最后自己动手完成后知道怎样画mos版图, 本次实训最大的收获是掌握了NMOS晶体管的基本工艺流程,要利用软件对其进行仿真,首先要做的是工艺仿真,然后是器件仿真,最后修改工艺参数,看看有哪些变量对实验结果影响比较大。 在实训中也遇到许多困难,特别刚拿到资料时对这个软件很陌生,完全不知道该如何下手。 实训过程中抽取的参数怎么也提不出来,同学之家然后就互相讨论互相研究,一起熟悉原程序并且掌握它的要领,最后终于改出来了,得到了数据以及图形,做出来的感觉甚是欢喜。 这次的实训不仅让我学到了知识,还懂得了做事不能马虎,特别是在做实验仿真这块,心急吃不了热豆腐,只有一丝不苟,认真了解规则并且亲手操作,才能领悟到实验的乐趣以及得到成功的喜悦。 同学之间团结合作,共同探讨,也是一种有效的学习方法。 总之,这次的实训我学会了好多。 参考文献: 1.SilvacoTCAD_WIN版学习资料 2.1(http: //wenku.baidu/link? ) 3.南通大学实验报告册 4.半导体仿真工具SilvacoTCAD学习资料 附录: 原程序 goathena#启动仿真器 ##定义网格 linexloc=0.0spac=0.1 linexloc=0.2spac=0.006 linexloc=0.4spac=0.006 linexloc=0.6spac=0.01 lineyloc=0.0spac=0.002 lineyloc=0.2spac=0.005 lineyloc=0.5spac=0.05 lineyloc=0.8spac=0.15 initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2#衬低初始化 #pwellformationincludingmaskingoffofthenwell diffustime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3 etchoxidethick=0.02 #P-wellImplant implantborondose=8e12energy=100pears#定义离子注入阱浓度 diffustemp=950time=100weto2hcl=3#扩散气流变化 #N-wellimplantnotshown- #welldrivestartshere diffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3#扩散改变温度 diffustime=220temp=1200nitropress=1#扩散改变温度 diffustime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1#扩散改变温度 etchoxideall #sacrificial"cleaning"oxide diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3#扩散氧化 etchoxideall #gateoxidegrownhere: - diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3#扩散氧化 #Extractadesignparameter extractname="gateox"thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.05 #vtadjustimplant implantborondose=9.5e11energy=10pearson#定义离子注入阱浓度 depopolythick=0.2divi=10#淀积聚乙烯0.2um纵向10个网格 #fromnowonthesituationis2-D etchpolyleftp1.x=0.35 methodfermicompress diffusetime=3temp=900weto2press=1.0 implantphosphordose=3.0e13energy=20pearson#离子注入 depooxidethick=0.120divisions=8#淀积二氧化硅0.120um纵向8个网格 etchoxidedrythick=0.120##淀积二氧化硅0.120um implantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson methodfermicompress diffusetime=1temp=900nitropress=1.0 #patterns/dcontactmetal etchoxideleftp1.x=0.2#刻蚀 depositaluminthick=0.03divi=2#淀积铝0.03um2个网格 etchaluminrightp1.x=0.18 #Extractdesignparameters #extractfinalS/DXj extractname="nxj"xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1#抽取仿真结果结深 #extracttheN++regionssheetresistance extractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1#抽取仿真结果方块电阻 #extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion extractname="lddsheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"\ mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1#抽取仿真结果ldd区方块电阻 #extractthesurfaceconcunderthechannel. extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"\ material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45#抽取仿真结果沟道表面浓度 #extractacurveofconductanceversusbias. extractstartmaterial="Polysilicon"mat.occno=1\ bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45#抽取仿真结果多晶硅浓度 extractdonename="sheetcondvbias"\ curve(bias,1dn.conductmaterial="Silicon"mat.occno=1region.occno=1)\ outfile="extract.dat" #extractthelongchanVt extractname="n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49#抽取仿真结果长沟阈值电压1dvt structuremirrorright#对结构做镜像 electrodename=gatex=0.5y=0.1#定义电极名称和位置栅 electrodename=sourcex=0.1#定义电极名称和位置源 electrodename=drainx=0.9#定义电极名称和位置漏 electrodename=substratebackside#基板的背面 structureoutfile=mos0.str#保存结构到文件 #plotthestructure tonyplotmos0.str#显示当前结构 #############VtTest: ReturnsVt,BetaandTheta################ goatlas #setmaterialmodels modelscvtsrhprint#cvt迁移模型srh复合模型 contactname=gaten.poly#栅电压 interfaceqf=3e12 methodgummelnewton#基本的漂移-扩散计算 solveinit#所有电极电压加0v #Biasthedrain solvevdrain=0.1#漏电压为0.1v #Rampthegate logoutf=mos0ex01_1.logmaster solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gate#栅电压范围0-3v每步0.25 saveoutf=mos0ex01_1.str#保存 #plotresults tonyplotmos0ex01_1.log#显示当前结构 #extractdeviceparameters Extractname="nvt"(xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\ -abs(ave(v."drain"))/2.0)#抽取仿真结果阈值电压 extractname="nbeta"slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\#抽取仿真结果 *(1.0/abs(ave(v."drain"))) extractname="ntheta"((max(abs(v."drain"))*$"nbeta")/max(abs(i."drain")))\ -(1.0/(max(abs(v."gate"))-($"nvt"))) #抽取仿真结果 goatlas #setmaterialmodels modelscvtsrhprint#cvt迁移模型srh复合模型 contactname=gaten.poly#栅电压 interfaceqf=3e12 methodgummelnewton#能量平衡计算 #setgatebiaseswithVds=0.0 solveinit#所有电极电压为0v solvevgate=1.1outf=solve_tmp1#栅电压为1.1v solvevgate=2.2outf=solve_tmp2
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