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1、目 录第1章 Silvaco TCAD软件的基本知识11.1 Silvaco TCAD简介11.2主要组建1第2章 NMOS基本结构、工艺流程及工作原理介绍32.1 NMOS基本结构32.2 NMOS工艺流程32.3 NMOS工作原理32.3.1 N沟道耗尽型MOS管42.3.2 使用场效应管的注意事项42.3.3 场效应管与三极管的性能比较5第3章 NMOS工艺、器件仿真流程63.1 NMOS工艺仿真流程63.2 参数不同时工艺仿真结果分析63.2.1 改变阱浓度63.2.2 改变栅氧化层厚度对阈值电压73.2.3改变调整阈值电压的注入浓度的影响83.3参数不同时器件仿真结果分析93.3.1
2、改变阱浓度93.3.2改变栅氧化层厚度对阈值电压103.3.3改变调整阈值电压的注入浓度的影响11第4章 实验总结13参考文献14附录A：MOS的工艺仿真程序15附录B：提取参数程序19附录C：器件仿真程序25第1章 Silvaco TCAD软件的基本知识1.1 Silvaco TCAD简介Silvaco的全称是SilvacoInternational是世界领先的电子设计自动化(EDA)软件供应商，公司创建于1984年，总部设于加利福尼亚州的圣塔克莱拉，在全世界设有12个分支机构。Silvaco公司拥有包括IDM、Foundry、Fabless、集成电路材料业者、液晶面板厂、太阳能电池厂、AS
3、IC业者、大学、研究中心等在内的庞大的国内外客户群。供应已经证明的产品用于TCAD工艺和器件仿真，Spice参数提取，电路仿真、全定制IC设计/验证等。公司将这些最优产品与经验丰富的技术支持和工程服务结合在一起，经验丰富知识渊博的应用工程师提供一套完备技术。SilvacoTCAD软件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(Sentaurus和ISE也具备这些功能)。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，你做
4、的任何设计基本都能找到相似的例子程序供调用。SilvacoTCAD平台包括工艺仿真(ATHENA)，器件仿真(ATLAS)和快速器件仿真系统(Mercury)，尤其适合喜欢在全图形界面操作软件的用户。ATLAS器件仿真系统使得器件技术工程师可以模拟半导体器件的电气、光学和热力的行为。ATLAS提供一个基于物理，使用简便的模块化的可扩展平台，用以分析所有2D和3D模式下半导体技术的的直流，交流和时域响应。1.2主要组件这些组件包括交互工具DeckBuild和Tonyplot,工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAB和器件编辑器DeveEdit,还有一些内部的模块。1. DeckBuild
5、各TCAD仿真组建均在DeckBuild界面调用，例如先由ATHENA或DeveEdit生成器件结构，再由ATHENA对器件特性进行仿真，最后由Tonyplot2D或者Tonyplot3D显示输出。2. ATHENA工艺模拟软件ATHENA能帮助工艺开发和优化半导体制造工艺，ATHENA提供一个易于使用，模块化的，可拓展的平台。ATHENA能对所有关键制造步骤（离子注入、扩散、刻蚀、淀积、光刻以及氧化等）进行快速精确的模拟。仿真能得到包括COMS，Bipolar，SeGe，SOI，III-V，光电子以及功率器件等器件结构，并准确预测器件结构中的几何参数，参杂剂量分布和应力。优化设计参数使速、产
6、量、击穿、泄露电流和可靠性达到最佳结合。它通过模拟取代耗费成本的硅片实验，可缩短开发周期和提高成品率。30第2章 NMOS基本结构、工艺流程及工作原理介绍2.1 NMOS基本结构NMOS（Negative channel-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
7、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。2.2 NMOS工艺流程（1）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；（2）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；（3）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；（4）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
8、成源区和漏区了；（5）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；（6）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，其表层形成了MOS管的互连。2.3 NMOS工作原理N沟道增强型MOS管的输出特性曲线与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一
9、条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP ，而用开启电压VT表征管子的特性。2.3.1 N沟道耗尽型MOS管结构：N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。区别：耗尽型MOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生增强型MOS管要在vGSVT时才出现导电沟道。原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加
10、上正向电压vDS，就有电流iD。如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS0，VPvGS0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。电流方程：在饱和区内，耗尽型MOS管
11、的电流方程与结型场效应管的电流方程相同。2.3.2 使用场效应管的注意事项 1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性不能接反。3当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。4MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放
12、时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。2.3.3 场效应管与三极管的性能比较 1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。 2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。3场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，
13、所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。6场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。第3章 NMOS工艺、器件仿真流程3.1 NMOS工艺仿真流程1. 启动Silvaco进入dec
14、kbuild工作环境，本仿真过程使用Athena工具2.定义网格3. 衬底初始化4.工艺步骤(如淀积，光刻，氧化，刻蚀，扩散等)5.抽取特性（如结深，材料厚度，浓度分布等）6.结构操作（导入结构，对结构旋转，做镜像和保存等）7. Tonyplot显示3.2 参数不同时工艺仿真结果分析 3.2.1 改变阱浓度1.在SilvacoTCAD软件ATHENA中，将阱注入剂量改变当阱注入量为8e10cm-2、当阱注入量为8e12cm-2、当阱注入量为8e14cm-2时的器件剖面图和栅极特性曲线比较，见表3.1表3.1：阱剂量改变的影响参数条件器件剖面图栅极特性曲线8e10cm-28e12cm-28e14
15、cm-22.提取参数表3.2 提取参数参数条件结深Xj/（um）N+方块电阻1dd区方块电阻沟道表面浓度Vth8e10cm-20.47024128.68441694.312.35675e180.3380918e12cm-20.17535828.88512161.123.96014e180.5942628e14cm-20.09102929.8586106561.94421e182.85095从表3.1和3.2观察出随着阱浓度的增加，结深逐渐降低，n+区方块电阻缓慢增加，1dd区方块电阻，沟道表面浓度，长沟道阈值电压及阈值电压都迅速增加，Vth上升。3.2.2 改变栅氧化层厚度对阈值电压1.在Si
16、lvacoTCAD软件ATHENA中，将氧化时间由原来的time=8改为time=11、time=14时的器件剖面图和栅极特性曲线比较见表3.3表3.3 栅氧化层厚度改变的影响参数条件器件剖面图栅极特性曲线Time=8Time=11Time=142.提取参数表3.4 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 80.09427830.051211359.91.98987e182.33971 110.09102929.8586106561.94421e182.85095 140.08802530.429610113.81.92038e183.3
17、2006根据表3.3 和3.4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。3.2.3改变调整阈值电压的注入浓度的影响1.在SilvacoTCAD软件ATHENA中阈值电压调整的注入剂量将9.5e13变成9.5e12和9.5e15时的器件剖面图和栅极特性曲线比较见表3.5表3.5 调整阈值电压的注入浓度的影响参数条件器件剖面图栅极特性曲线9.5e139.5e129.5e152.提取参数表3.6 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Vth9.5e120.09105229.8542102
18、58.31.9108e182.820039.5e130.09102929.8586106561.94421e182.850959.5e150.08909730.35831.20e116.44417e184.69053根据表3.5和3.6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。3.3参数不同时器件仿真结果分析3.3.1改变阱浓度 在SilvacoTCAD软件ATHENA中，将阱注入剂量改变
19、当阱注入量为8e10cm-2、当阱注入量为8e12cm-2、8e15cm-2、8e20cm-2当阱注入量为8e14cm-2时的器件剖面图和输出IV特性变化比较表见表3.7表3.7阱剂量改变的影响参数条件器件剖面图输出IV特性8e12cm-28e15cm-28e20cm-2根据表3.7得出，随着阱剂量的变大，I-V曲线变化就越发不正常。3.3.2改变栅氧化层厚度对阈值电压在SilvacoTCAD软件ATHENA中，将氧化时间由原来的time=8改为time=11、time=14时的器件剖面图和栅极特性曲线比较见表3.8表3.8 栅氧化层厚度改变的影响参数条件Time器件剖面图输出IV特性1215
20、183.3.3改变调整阈值电压的注入浓度的影响在SilvacoTCAD软件ATHENA中阈值电压调整的注入剂量将9.5e13变成9.5e12和9.5e15时的器件剖面图和输出IV特性比较见表3.9表3.9 调整阈值电压的影响参数条件器件剖面图输出IV特性9.5e129.5e149.5e18第4章 实训总结本次实训是学会如何使用SilvacoTCAD软件，知道怎么用SilvacoTCAD软件进行MOS仿真。在实训之前老师给我们看过关于SilvacoTCAD_WIN版学习资料，学会通过变成来改变阱中杂质浓度栅极曲线图、方块电阻、结深、阈值电压等。当然，在本次实训中，在提取参数的时候遇到一些问题，不
21、过，通过在网上学习，知道了什么事提取参数，提取什么样子的数据。SilvacoTCAD软件每次运行他把结果都保存下来了，改变阱浓度以后看结果都不变，经过老师指点才知道结果；电流电压参数图需要改一下display，y方向需要改为漏电流。不管做什么事,计划是很重要的。没有一个完好的计划，做事情就会没有一个好的顺序，做事情会比较乱，很难成功。而有一个好的计划，不管做什么事都会事半功倍，做事心中有数，明确重点和缓急，不会有疏漏。这样才能提高成功率。本次试验，我们应该提前看好SilvacoTCAD_WIN版学习资料，那我们操作时可以事半功倍。要注意细节。细节决定成败，这句话在这次课题中不仅一次得到了验证，
22、特别是在软件的编程过程中，一点点的错误就会使你整个程序不能运行。因此我们不仅仅要有整体意识，也要注意细节，不要因一个关键地方的一个细节而导致满盘皆输。参考文献1 祝启桓;MOS等预报方法简介J;浙江气象;1983年02期2 杨龙龙，半导体专业实验.南通大学.3 张屏英等.晶体管原理.19844 张延庆，张开华，朱兆宗.半导体集成电路.上海：科学技术出版社，1986附录A：MOS的工艺仿真程序go Athena #启动仿真器# #定义网格line x loc=0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006 line x loc=0.4 spac=0.006 line x
23、 loc=0.5 spac=0.01 # line y loc=0.00 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005 line y loc=0.5 spac=0.05 line y loc=0.8 spac=0.15 # init orientation=100 c.phos=1e14 space.mul=2 #衬低初始化# pwell formation including masking off of the nwell # diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3 # etch oxide thick=0
24、.02 # #P-well Implant implant boron dose=8e12 energy=100 pears #定义离子注入阱浓度#diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3 #扩散气流变化# # N-well implant not shown # welldrive starts here diffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3 #扩散改变温度# diffus time=220 temp=1200 nitro press=1 # diffus time=90 te
25、mp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1 # etch oxide all # # sacrificial “cleaning” oxide diffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3 # etch oxide all # gate oxide grown here diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3 #扩散氧化# # Extract a design parameter extract name=“gateox” thickness oxide mat.occ
26、no=1 x.val=0.5 #vt adjust implant implant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson #定义离子注入阱浓度# depo poly thick=0.2 divi=10 #淀积聚乙烯0.2um纵向10个网格# #from now on the situation is 2-D # etch poly left p1.x=0.35 # method fermi compress diffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0 # implant phosphor dose=3.0e13 energy
27、=20 pearson # depo oxide thick=0.120 divisions=8 #淀积二氧化硅0.120um纵向8个网格# etch oxide dry thick=0.120 # implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson # method fermi compress diffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0 # pattern s/d contact metal etch oxide left p1.x=0.2 deposit alumin thick=0.03 divi=2 #淀积铝
28、0.03um2个网格 etch alumin right p1.x=0.18# Extract design parameters # extract ?nal S/D Xj extract name=“nxj” xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1 #抽取仿真结果结深# extract the N+ regions sheet resistance extract name=“n+ sheet rho” sheet.res material=“Silicon” mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1#
29、extract the sheet rho under the spacer, of the LDD region extract name=“ldd sheet rho” sheet.res material=“Silicon” mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1# extract the surface conc under the channel. extract name=“chan surf conc” surf.conc impurity=“Net Doping” material=“Silicon” mat.occno=1 x.val=0.4
30、5# extract a curve of conductance versus bias. extract start material=“Polysilicon” mat.occno=1 bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45 #抽取仿真结果多晶硅浓度extract done name=“sheet cond v bias” curve(bias,1dn.conduct material=“Silicon” mat.occno=1 region.occno=1) outfile=“extract.dat”# extract the lon
31、g chan Vt extract name=“n1dvt” 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49structure mirror rightelectrode name=gate x=0.5 y=0.1 # 定义电极名称和位置栅electrode name=source x=0.1 #定义电极名称和位置源electrode name=drain x=0.9 #定义电极名称和位置漏electrode name=substrate backside #基板的背面structure outfile=mos0.str #显示当前结构# plot the stru
32、cture tonyplot mos0.str - set mos0.set 附录B：提取参数程序go Athena #启动仿真器# #启动仿真器line x loc=0.0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01 #line y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15 #init orientation=100 c.pho
33、s=1e14 space.mul=2 #衬低初始化#pwell formation including masking off of the nwell#diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3#etch oxide thick=0.02#P-well Implant# implant boron dose=8e12 energy=100 pears #定义离子注入阱浓度#diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3 #扩散气流变化#N-well implant not shown -# welldrive st
34、arts herediffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3#diffus time=220 temp=1200 nitro press=1 #扩散改变温度#diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1#etch oxide all#sacrificial cleaning oxidediffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3#etch oxide all#gate oxide grown here:-diffu
35、s time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3# Extract a design parameter extract name=gateox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.05#vt adjust implant implant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson #定义离子注入阱浓度#depo poly thick=0.2 divi=10 #淀积聚乙烯0.2um纵向10个网格#from now on the situation is 2-D#etch poly left p1.
36、x=0.35#method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0#implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 pearson #depo oxide thick=0.120 divisions=8 #淀积二氧化硅0.120um纵向8个网格#etch oxide dry thick=0.120#implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson #method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro pre
37、ss=1.0# pattern s/d contact metaletch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.03 divi=2etch alumin right p1.x=0.18# Extract design parameters# extract final S/D Xjextract name=nxj xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1# extract the N+ regions sheet resistanceextract name=n+ sheet rho sheet.
38、res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1# extract the sheet rho under the spacer, of the LDD regionextract name=ldd sheet rho sheet.res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1# extract the surface conc under the channel.extract name=chan surf conc surf.conc impurity=N
39、et Doping material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.45# extract a curve of conductance versus bias.extract start material=Polysilicon mat.occno=1 bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45extract done name=sheet cond v bias curve(bias,1dn.conduct material=Silicon mat.occno=1 region.occno=1)outfile=ext
40、ract.dat# extract the long chan Vtextract name=n1dvt 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49structure mirror rightelectrode name=gate x=0.5 y=0.1electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.1electrode name=substrate backsidestructure outfile=mos1ex01_0.str# plot the structuretonyplot mos1ex01_0
41、.str# Vt Test : Returns Vt, Beta and Theta #go atlas# set material modelsmodels cvt srh print contact name=gate n.polyinterface qf=3e10method gummel newtonsolve init# Bias the drain solve vdrain=0.1 # Ramp the gatelog outf=mos1ex01_1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatesave outf=m
42、os1ex01_1.str# plot resultstonyplot mos1ex01_1.log# extract device parametersextract name=nvt (xintercept(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) - abs(ave(v.drain)/2.0)extract name=nbeta slope(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) * (1.0/abs(ave(v.drain)extract name=ntheta (max(abs(v.drain) * $nb
43、eta)/max(abs(i.drain) - (1.0 / (max(abs(v.gate) - ($nvt)Quit #退出仿真器附录C：器件仿真程序go athena #启动仿真器# #定义网格line x loc=0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.5 spac=0.01 #line y loc=0.00 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15 #init orientation=100 c.phos=1e14 space.mul=2 #衬低初始化#pwell formation including masking