集成电路工艺基础实验指导书.docx
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集成电路工艺基础实验指导书.docx
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集成电路工艺基础实验指导书
实验指导书
教学单位:
电子信息学院
课程名称:
集成电路工艺基础
面向专业:
电子科学与技术
电子科技大学中山学院
2013年9月
实验指导书
实验名称:
实验一使用ATHENA软件仿真MOS管工艺学时安排:
4学时
实验类别:
综合性实验要求:
必做
 ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄
一、实验目的和任务
随着IT产业的迅猛发展,微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出,而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。
本实验是IC生产中工艺设计的利用计算机辅助仿真的环节,是基于微电子技术应用背景和《集成电路工艺基础》课程设置及其特点而设置的。
其目的在于:
通过本实验使学生能基本掌握IC工艺的通用流程,熟悉各单项工艺的基础知识;学习并掌握国际流行的工艺仿真软件ATHENA的使用方法,加深对课程知识的认识。
二、实验原理介绍
ATHENA是Silvaco公司开发的一种很优秀的半导体工艺模拟软件,最大的特点是可用于任何个人计算机(PC机)。
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用户群。
许多世界知名Foundry包括台积电、联电、Jazz和X-FAB都和Silvaco有PDK的合作。
ATHENA是SilvacoTCAD中的工艺仿真组件,除此之外,这些组件还包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot,器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit。
三、实验设备介绍
1.工作站或微机终端一台
2.局域网
3.ATHENA仿真软件1套
四、实验内容和步骤
1.仿真流程
DeckBuild是一个交互式、图形化的实时运行环境,在工艺和器件仿真中作为仿真平台。
DeckBuild有仿真输入和编辑的窗口,也有仿真输出和控制的窗口。
实验中所用软件为绿色版,在目录\Silvaco\lib\Deckbuild\3.0.1.R\x86-NT中直接运行Deckbld.exe即可。
图1-1为DeckBuild界面。
顶部是工具栏、编辑菜单和命令条按钮。
工具栏菜单有File、Command、Execution、Examples等。
Command子菜单提供简单的抽取语句、显示当前结构和工艺优化的功能。
工具栏下是新建、打开、保存、剪切、复制、粘贴和撤销等常用编辑操作。
第三栏是命令条按钮,意义如下:
Run-从上至下执行或执行到断点(即Stopatline的“line”)时结束;Stop-执行完当前行就停止;Next-运行下一行就停止;Continue-在之前停止运行的行开始往下运行;Initialize-从仿真历史初始化;Kill-立即结束;Line-重置当前行为选择的行;Stopatline-设置断点。
上部窗口是命令输入和编辑窗口。
下部窗口是实时输出窗口,输出当前的仿真状态。
底部是状态栏。
工作路径可由Edit>Preferences>WorkingDirectory进行查看或更改。
图1-1DeckBuild界面
1.1定义网格
在工艺仿真之前需要先定义衬底,在衬底的基础上再经过一系列工艺步骤来生成结构。
SilvacoTCAD是基于网格计算的仿真工具,也就是在网格处计算其特性,而且网格点(node)的总数Np不能超过20000个。
网格点的多少决定了仿真的精确程度和快慢,所以合理的定义网格分布很重要。
定义网格线的命令line,参数有x、y、location(通常简写成loc)和spacing。
x和y参数设定网格线垂直于x轴或y轴,loc设定网格线在轴上的坐标,spacing设定网格线间的间距(loc和spacing的默认单位是μm)。
如果在几个loc处的spacing都是一样大小,那么网格线就是均匀分布的。
如果spacing不一样,那么软件会自动调整,尽量使loc的spacing和设定的值一样,这时网格线就不是均匀的了。
均匀网格的例子,结果如图1-2所示。
linexloc=0.0spacing=0.1
linexloc=1spacing=0.1
lineyloc=0spacing=0.20
lineyloc=2.0spacing=0.20
非均匀网格的例子,结果如图1-3所示。
linexloc=0.0spacing=0.02
linexloc=1spacing=0.1
lineyloc=0spacing=0.02
lineyloc=2.0spacing=0.20
对于图1-2和图1-3,衬底范围大小是一样的,除网格线的分布不一样外,网格点数也有差别(图1-2为121个点,图1-3为546个点)。
图1-2均匀网格图1-3非均匀网格
1.2衬底初始化
网格定义了之后就是对衬底进行初始化,初始化的命令是initialize(可简写为init)。
1.3工艺步骤
ATHENA工艺仿真器可以对很多工艺进行仿真,具体工艺步骤将在下一节会涉及到。
1.4抽取特性
工艺仿真得到结果的形式有仿真得到的结构文件*.str,或是抽取的特性如材料厚度、结深、表面浓度、方块电阻等等。
Extrat有内建的一维QUICKMOS和QUICKBIP,可以在工艺仿真器重抽取得到器件结构的信息,如一维结电容(1djunc.cap),一维电导(1dn.conduct),阈值电压等。
1.5结构操作
结构操作是用structure命令。
Structure可以保存和导入结构,也可以对结构做镜像或上下翻转。
另外导入结构也可用init,即在启动仿真器ATHENA时由初始化导入结构。
1.6Tonyplot显示
Tonyplot可视化工具用来显示当前的结构或是已经保持的结构文件的结构或掺杂等信息,也可以按照某些设置(set文件)进行显示。
2.单项工艺
2.1离子注入
语法:
IMPLANT
[GAUSS|PEARSON|FULL.LAT|MONTECARLO|BCA][CRYSTAL|AMORPHOUS]
IMPURITYENERGY=
[TILT=
[DAM.MOD=
[S.OXIDE=
[N.ION=
[IONBEAMWIDTH=
[SAMPLING][DAMAGE][MISCUT.TH][MISCUT.PH][TRAJ.FILE=
[N.TRAJ=
表1-1implant的主要参数及其说明
2.2扩散
语法:
DIFFUSE
TIME=
TEMPERATURE=
[DRYO2|WETO2|NITROGEN|INERT][HCL.PC=
[F.02=
[C.IMPURITIES=
[DUMP][DUMP.PREFIX=
[B.MOD=
2.3淀积
语法:
DEPOSIT
MATERIAL[NAME.RESIST=
[SITOPOLY][TEMPERATURE=
[DIVISIONS=
[C.IMPURITIES=
[C.VACANCY=
[MACHINE=
[N.PARTICLE=
表1-3deposit的主要参数及其说明
2.4刻蚀
语法:
ETCH[MATERIAL][NAME.RESIST]
[ALL|DRY][THICKNESS=
[LEFT|RIGHT|ABOVE|BELOW][P1.X=
[START|CONTINUE|DONE][X=
[INFILE=
[DX.MULT=
[MC.REDEPO][MC.SMOOTH=
表1-4etch的主要参数及其说明
当需要更高级的模型时可以采用ELITE组件。
仿真特性有WetEtch,PlasmaEtch和MonteCarloPlasmaEtch。
命令rate.etch中的machine参数的命名没有任何实质的意义,machine知识定义工艺设备、试剂和气体等工艺的共同参数。
在后续工艺中可以采用这些共同的参数对不同材料、不同工艺条件进行仿真。
3.集成工艺
上节讲到的一些单项工艺,如何组合形成我们常用的器件的生产工艺?
这里有两个问题:
一、由哪些单项工艺组合得到;二、这些工艺的参数又是怎样得到的。
下面以常用的MOS管为例,学习仿真流程的组织,仿真注释,适时保存、显示结构以及抽取特性可以提供更详尽的各阶段的仿真结果。
MOS管的仿真程序:
goathena
#Establishthegridlocationsanddensities
linexloc=0spac=0.1
linexloc=0.2spac=0.006
linexloc=0.4spac=0.006
linexloc=0.5spac=0.01
#
lineyloc=0.00spac=0.002
lineyloc=0.2spac=0.005
lineyloc=0.5spac=0.05
lineyloc=0.8spac=0.15
#
initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2
#pwellformationincludingmaskingoffofthenwell
#
diffustime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3
#
etchoxidethick=0.02
#
#P–wellImplant
implantborondose=8e12energy=100pears
#
diffustemp=950time=100weto2hcl=3
#
#N–wellimplantnotshown
#welldrivestartshere
diffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3
#
diffustime=220temp=1200nitropress=1
#
diffustime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1
#
etchoxideall
#
#sacrificial“cleaning”oxide
diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3
#
etchoxideall
#gateoxidegrownhere
diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3
#
#Extractadesignparameter
extractname=“gateox”thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.5
#
#vtadjustimplant
implantborondose=9.5e11energy=10pearson
#
depopolythick=0.2divi=10
#
#fromnowonthesituationis2–D
#
etchpolyleftp1.x=0.35
#
methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=1.0
#
implantphosphordose=3.0e13energy=20pearson
#
depooxidethick=0.120divisions=8
#
etchoxidedrythick=0.120
#
implantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson
#
methodfermicompress
diffusetime=1temp=900nitropress=1.0
#patterns/dcontactmetal
etchoxideleftp1.x=0.2
depositaluminthick=0.03divi=2
etchaluminrightp1.x=0.18
#Extractdesignparameters
#extractfinalS/DXj
extractname=“nxj”xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1
#extracttheN++regionssheetresistance
extractname=“n++sheetrho”sheet.resmaterial=“Silicon”\
mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1
#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion
extractname=“lddsheetrho”sheet.resmaterial=“Silicon”\
mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1
#extractthesurfaceconcunderthechannel.
extractname=“chansurfconc”surf.concimpurity=“NetDoping”\
material=“Silicon”mat.occno=1x.val=0.45
#extractacurveofconductanceversusbias.
extractstartmaterial=“Polysilicon”mat.occno=1\
bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45
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
structuremirrorright
electrodename=gatex=0.5y=0.1
electrodename=sourcex=0.1
electrodename=drainx=0.9
electrodename=substratebackside
structureoutfile=mos0.str
#plotthestructure
tonyplotmos0.str-setmos0.set
图1-4为最终得到的MOS管结构。
图1-4MOS管仿真结构
ATLAS是一个基于物理的二维器件模拟器.它可预测特定半导体结构的电学行为,并了解器件运行时内部物理机制。
在SILVACO'sVIRTUALWAFERFAB模拟环境下,ATLAS可单独使用或者是作为一个核心工具。
在预测电路性能各过程变量影响的先后顺序中,器件模拟将拟合器件模拟和SPICE模型提取结果。
在ATLAS中,一个器件结构可以用三个不同方式来定义:
1)从某一文件中读入已经存在的结构,这个结构可以由其他程序(如ATHENA或者DEVEDIT)创建。
2)利用DECKBUILD的自动界面特性,从ATHENA或DEVEDIT转换而来。
3)用ATLAS命令构建一个结构。
相对于第三种方法,,第一和第二种方法使用起来更便利,故而更受青睐。
在本实验中,将使用第一种方法。
MOS管的器件仿真程序:
goatlas
#setmaterialmodels
modelscvtsrhprint
contactname=gaten.poly
interfaceqf=3e10
methodgummelnewton
solveinit
#Biasthedrain
solvevdrain=0.1
#Rampthegate
logoutf=mos1ex01_1.logmaster
solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gate
saveoutf=mos1ex01_1.str
#plotresults
tonyplotmos1ex01_1.log
#extractdeviceparameters
extractname="nvt"(xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\
-abs(ave(v."drain"))/2.0)
extractname="nbeta"slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\
*(1.0/abs(ave(v."drain")))
extractname="ntheta"((max(abs(v."drain"))*$"nbeta")/max(abs(i."drain")))\
-(1.0/(max(abs(v."gate"))-($"nvt")))
quit
图1-5NMOS管的Id-Vgs关系曲线
六、作业及预习要求
1.复习理论教材,熟悉常用的集成电路单项工艺及参数。
2.掌握软件使用方法,模拟MOS管工艺流程,总结并按实验报告格式完成报告。
七、参考书目
1.《硅集成电路工艺基础》,关旭东,北京大学出版社,2003
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- 集成电路 工艺 基础 实验 指导书
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