1、本科毕业论文(设计)题 目： Silvaco TCAD 基 CMOS 器件仿真 学 院： 物理科学学院 专 业： 姓 名： 指导教师： 2014 年 5 月 16 日青岛大学本科毕业论文（设计）1青 岛 大 学毕业论文(设计)任务书院 系: 物理科学学院 专 业: 微电子学 班 级: 学生姓名: 同组学生: 无 指导教师: 下发日期: 2014 年 3 月 15 日青岛大学本科毕业论文（设计）2MOS场效应晶体管的结构与性能模拟研究摘要：本文主要介绍了 N沟道增强型 MOSFET的发展历程、基本结构和工作原理，定性的分析了导电沟道的形成过程和本质；简单介绍了 silvaco TCAD的发展；以
2、 NMOS为例，描述了软件的主要组件、原理、仿真过程及仿真结果。通过对器件的特性的 TCAD仿真，使我们深化了对器件在工艺和特性方面的物理研究。silvaco TCAD仿真软件可以有效缩短 IC工艺和器件的开发周期，降低开发成本，体现出了 TCAD对半导体器件的开发与优化具有重要的作用。关键词: MOSFET TCAD 工艺仿真 器件仿真 Abstract: This paper mainly introduces the development history, basic structure and working principle of N channel enhancement MO
3、SFET. A qualitative analysis of the forming process and the nature of the conducting channel are pointed out. It introduces the development of SILVACO TCAD and, taking NMOS as an example, describes the main components, the principle of the software, the simulation process and simulation results. Thr
4、ough the simulation on device characteristics, and we deepen the physical study of process and properties of the devices. SILVACO TCAD simulation software can shorten the development cycle of IC process and device effectively, reduce the cost of development. TCAD plays an important role in developme
5、nt and optimization on semiconductor device.Keywords: MOSFET TCAD process simulation device simulation青岛大学本科毕业论文（设计）3目录1 引言 11.1 MOSFET的发展 11.2 TCAD的发展 32 MOSFET的基本构造及工作原理 42.1 MOSFET的基本原理及构造 42.2 MOSFET的基本工作原理 52.3 MOSFET的 特性 .9IV3 TCAD工具的构成、仿真原理、仿真流程及仿真结果 113.1 TCAD工具的结构与仿真原理 .113.2 用 TCAD工具仿真 NMO
6、S的步骤 .113.3 TCAD工具的仿真结果 .154 结论 .16谢辞 .17参考文献 .19附录 .21正文：青岛大学本科毕业论文（设计）41 引言在当今时代，集成电路发展十分迅猛，其工艺的发杂度不断提高，开发新工艺面临着巨大的挑战。传统的开发新工艺的方法是工艺试验，而现在随着工艺开发的工序细化，流片周期变长，传统的方法已经不能适应现在的需要，这就需要寻找新的方法来解决这个问题。幸运的是随着计算机性能和计算机技术的发展，人们结合所学半导体理论与数值模拟技术，以计算机为平台进行工艺与器件性能的仿真。现如今仿真技术在工艺开发中已经取代了工艺试验的地位。采用TCAD仿真方式来完成新工艺新技术的
7、开发，突破了标准工艺的限制，能够模拟寻找最合适的工艺来完成自己产品的设计。此外，TCAD仿真能够对器件各种性能之间存在的矛盾进行同时优化，能够在最短的时间内以最小的代价设计出性能符合要求的半导体器件。进行新工艺的开发，需要设计很多方面的内容，如：进行器件性能与结构的优化、对器件进行模型化、设计进行的工艺流程、提取器件模型的参数、制定设计规则等等。为了设计出质量高且价格低廉的工艺模块，要有一个整体的设计目标，以它为出发点将工艺开发过程的各个阶段进行联系，本着简单易造的准则，系统地进行设计的优化。TCAD支持器件设计、器件模型化和工艺设计优化，使得设计思想可以实现全面的验证。TCAD设计开发模拟是
8、在虚拟环境下进行的，缩短了开发周期，降低了开发成本，是一条高效低成本的进行新工艺研究开发的途径。TCAD软件拥有FAB虚拟系统，借助它可以完成器件的设计、器件模型的参数提取和其他各个工艺开发的步骤。TCAD的应用使得开发新工艺不用受到冗长的工艺制造周期和资金投入的限制，开发条件简单快捷，使得无生产线的公司也有机会参与到工艺开发中来，根据特定特点为自己的产品进行量身定做特定的工艺。在实际生产中，TCAD还可用来进行工艺监测，可以发现工艺过程中出现的问题，提高产品的成品率。1.1 MOSFET的发展自从晶体管发明以来，电子器件与社会得到了迅猛的发展。1906 年，德福雷斯特（Lee de Fore
9、st）发明了真空三极管，并把专利卖给了 AT耗尽型刚好相反，无栅压状态下有导电沟道，管子导通，当给一定的电压条件管子将截止。下面以 N管为例具体分析一下 MOS管的结构。对于 NMOS，它包括有两个 n型硅区域中间夹着一个 p型硅区域，P 型硅区域之上覆盖了一个 SiO2绝缘层和一个多晶硅形成的栅极结构。两个 N型硅的扩散区通过姆接触与金属导体相连，形成源极和漏极。由于 MOS结构是对称的，所以源极区和漏极区没有物理上的差别。在 MOS结构中，栅极为控制电极，它通过控制沟道中载流子浓度和沟道宽度来实现控制源极漏极之间沟道中的电流的大小。早期的栅极的材料采用的是铝电极，然而由于采用铝电极座位栅极
10、存在掩膜对准困难、栅极减小受限的问题，现在多采用多晶硅作为栅极导电材料。非掺杂的多晶硅实际上是绝缘体，通过掺杂，其电阻率可在很大的范围内变化，这也使得自对准工艺得以实现。工艺上实现源极、栅极、漏极等电极位置的自对准，消除了栅源漏之间的套叠，使得 MOS管有较好的点穴性能。内部工艺完成后，开出接触孔，将栅源漏与外电路连接，实现它相应的功能。2.2 MOSFET的基本工作原理以增强型 NMOS 为例。青岛大学本科毕业论文（设计）10场效应管是场控器件，通过电场的强弱控制电流的大小，栅极电压 uGS 作为整个器件的开关，起着至关重要的作用。当 uGS 为 0 时，不会产生导电沟道，源漏相当于是两个背
11、对背的二极管。源漏电流 IDS 几乎为零，管子截止，电流相当于二极管的反向电流。当大栅极电压增大时，衬底接地为零电位，栅-衬底之间会形成一个电场，电场强度随 uGS 的增大而增加。栅极下方的少数载流子电子在电场作用下向上表面聚集。当 uGS 增大到一定程度，栅极下面会形成耗尽层。继续升高栅极电压，更多电子在沟道区聚集，最终形成反型层，产生以电子为载流子的导电沟道。而形成强反型的最小的电压就叫做阈值电压或开启电压。这时候去过在源漏之间加一个电位差，将有电流通过，即 IDS。很容易看出，栅极电压越高，沟道内电子浓度也越高，导电效果就越好。2.3 MOSFET的 特性IV当 较小时，栅极下面自由电子
12、很少，其浓度取决于工艺制造是的掺杂浓GSu度，少量的自由电子从源区向漏区流动就形成了漏极电流。当我们继续增大 ，GSu栅极下面电场强度增强，对少数载流子电子的吸引能力增强，越来越多的自由电子会被吸引到栅极下方的沟道区，沟道的宽度增大，载流子浓度增大，导电能力增强，沟道电阻减小。沟道电导与 成正比，于是漏极电流 与GSNTuVDi青岛大学本科毕业论文（设计）11成正比， 被称为有效栅-源电压。在 未夹断前， 与 成GSNTuVGSNTuVDSuDiSu正比。当 较小时，并没有出现夹断现象， N 沟道增强型 MOSFET的导电沟道可DSu等效为一个线性电阻，其等效电阻阻值大小受 控制。由于 等于漏
13、极电压GSuDSu减去源极电压，相当于沿源区到漏区导电沟道两端的压降，若假设源区为零电位，则漏区电位为 uDS，电压由 0V增大到 。因此以栅极为参考点，沟道中DS各点的电位相当于由源端的 到漏端 的 ，因此，沟道中载流子浓度GSGu和沟道的深度取决于电压 。 D当 是大于开启电压的一个确定值时，在漏-源之间加正向电压，将有沟GSu道电流 IDS产生。当源漏电压 较小时，源漏电流 随 增大而线性增大，DSuDiSu沟道宽度从源极到漏极逐渐变小；若继续增大 到使 时，沟道在SGth漏极一侧出现夹断点，我们称为预夹断；若继续增大 ，夹断区将随源漏电压D的增大而随之延长，增大的源漏电流全部用来克服夹
14、断区对电子流动的阻力。此后，管子进入恒流区， 几乎不因 的增大而变化，漏极电流几乎仅决定于DiDSu。如图，可清楚的看出饱和区 iD与 uGS的关系：GSu青岛大学本科毕业论文（设计）123 用TCAD工具对MOSFET进行仿真的原理、步骤及结果 3.1 TCAD工具的结构及仿真原理Silvaco TCAD 由许多组件和内部模块构成其强大的功能。其中包括交互式工具 deckbuild和 tonyplot，工艺仿真工具 ATHENA，器件仿真工具 ATLAS和器件编辑器 DevEdit。在下面的内容，我们将详细介绍一下各个组件的结构和原理：3.1.1 DeckBuild所有仿真组件的工作全部基于
15、 deckbuild界面，通过 deckbuild调用之后启动组件才可进行各个步骤的仿真。例如，我们首先由 ATHENA或 DECKBUILD生成器件结构模型，包括器件尺寸、结构、注入情况、淀积刻蚀等各个信息都包括在器件模型中；再由 ATLAS对器件特性进行仿真，测得想要测的器件的特性，最后把结果用 Tonyplot2D或 3D进行显示输出。DeckBuild 有很过特性功能，如下：输入并编辑仿真文件查看和控制仿真输出自动切换仿真器件青岛大学本科毕业论文（设计）13优化工艺，快速获得仿真参数抽取仿真特性提供对结构的图像输出提取器件仿真的结果中 SPICE模型的参数下面是各个仿真组件通过 Dec
16、kBuild 环境相互联系组织的仿真流程3.1.2 TonyplotTonyPlot功能非常强大，由 TCAD仿真生成的一二维结构都可以通过TonyPlot显示出来。另外，TonyPlot 还具有标签，缩放，平移等可视化特性。TonyPlot除了可以显示器件的一维、二维、三维结构，还可以显示器件的几何、材料、电学、光学、热学等信息。Tonyplot除了可以将仿真结果导出为图片形式外，也可将器件结构中的信息直接导出，让用户可以更清楚的获得和处理仿真数据。此外，为了方便形象的观察个工艺效果，Tonyplot 还可将工艺的图像结果制作成动画形式供用户观看。像矢量流的标记动画、日志文件 或全定制 TC
17、AD 专用色彩样式、一维数据文件的整合、二维结构中的一维切割线、以及 HP4154仿真等功能也可由 TCAD可视化工具 Tonyplot提供。青岛大学本科毕业论文（设计）14特征:TonyPlot 为了 TCAD的可视化功能而专门开发的图形分析工具，并且是通用的图形显示工具，它可用于工艺和器件设计的快速原型制作与开发，几乎可用于所有 SILVACO TCAD 产品。它的绘图引擎支持所有一维和二维数据的检视，并可导出多种可用于报告或第三方工具的通用格式数据， 包括jpg、png、bmp、Spice Raw File 和 CSV 等，并且可以输出多数型号打印机都支持的图形格式。 TonyPlot具
18、有灵活的标签功能，可通过此功能对图形进行注释，为报告和演示建立明晰图表。TonyPlot 拥有探测器、标尺及其他测量工具，可对得出的一维和二维结构进行详尽测量和分析。TonyPlot 能够很容易地进行多个图表之间的比较，能够显示电结果是如何由工艺条件影响的。TonyPlot 拥有电影模式动态化的序列图形，这可以为用户提供静态图像所无法提供的器件信息，其带有的切割线工具可以在二维结构中切割出一维的线段。TonyPlot 可定义复杂的函数和宏命令，使之可以像普通一维量一样被查看。它的一大特色是虚拟晶圆制造系统与生产模式联合起来一起使用，能够提供精确地成品率分析和有效地校准工具。3.1.3 ATHE
19、NAATHENA是由 SUPREM-IV发展而来的，后者是世界著名的斯坦福大学开发的仿真器。ATHENA 具有很多的新颖的功能，用于半导体器件的仿真处理，囊括了各个器件制造的工艺，如：扩散、氧化、离子注入、刻蚀、淀积、光刻、应力成型和硅化等。ATHENA 是一个方便的平台，它易于使用，模块化可扩展，能够帮助开发和优化半导体制造工艺。它能够对所有的器件生产工艺流程进行精确地模拟，仿真能够得到各种半导体器件的结构，并能预测器件结构中的几乎参数，应力和掺杂剂量分布。我们可以通过 ATHENA设计优化参数，使得速度、击穿、产量、泄露电流和可靠性之间达到最佳结合。ATHENA能够迅速的模拟各种器件加工工
20、艺中的各个步骤，精确预测多层拓青岛大学本科毕业论文（设计）15扑， 搀杂分布、以及多种器件结构的应力高级仿真环境允许：3.1.4 ATLASATLAS是一种器件仿真系统，它可以模拟半导体器件的光电热等的行为特性，它提供一个简洁方便可扩展的模块化平台，该平台基于物理原理，可分析二维三维半导体直流交流的时域相应。高效稳定的多线程算法在并行机器上运行，不仅保持了运算精度，还大大减少了仿真的时间。主要特征：ATLAS 不需要高昂的试验费用投入，只需要一台电脑就可以精确地进行物理器件的电光热特性的仿真。当工艺变动时，能够迅速的改变模拟数据以适应新的工艺，提高了成品率，优化了速度功率，漏电可靠性等。ATL
21、AS与 ATHENA工艺仿真完美衔接，以其完善的可视化工具，数量巨大的例子库和简单的器件语法而成名。能够通过 ATLAS直接将仿真结果导入到 UTMOST，以便提取各种器件参数，方便将 TCAD连接到流片系统。此外，它还支持多核多处理器SMP机器的并行处理。ATLAS的主要模块：二维硅器件模拟器、三维硅器件模拟器、高级材料的二维三维模拟器、VCSELS 模拟器、半导体激光二极管模拟器、光电子器件默契、铁电场相关的节点常数模拟器、半导体噪声模拟模块、二维三维量子显示响应模拟模块、MixerMode、二维三维飞等温器件模拟模块、和 ATLAS C解释器模块等。青岛大学本科毕业论文（设计）163.1
22、.2 TCAD工具的仿真原理Silvaco TCAD软件是用来模拟半导体器件的电学性能，进行半导体工艺流程仿真，还可以与其它 EDA工具(比如 spice)组合起来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，用户可以直接从界面输入程序语句，操作简单，其例子库十分丰富，可以直接调用装载并运行，SilvacoTCAD 是例子库最丰富的 TCAD软件之一，几乎使得用户做的任何设计都能找到相似的例子程序以供调用。Silvaco TCAD 平台包括工艺仿真(ATHENA)，器件仿真(ATLAS)和快速器件仿真系统(Mercury)，它们都是全图
23、形操作界面，类似于 windows的操作界面受到了喜欢在全图形界面操作软件用户的青睐。总所周知，计算机仿真是基于一些物理模型及方程的数值计算，Silvaco中的物理模型及方程十分复杂，信息量十分巨大，而这些方程中的某些量又需要用其他的方程来描述，这就使得信息处理量成倍增长，只有将它离散化，所以 Silvaco半导体仿真是基于网格计算的。而网格计算就是要将器件的仿真区域划分开来，规划成相应密度的网格，在计算器件某一部分的电学、光学等特性时，只需计算相应的网格点处的特性即可。而数值计算需要考虑很多问题，如精确性，计算速度，收敛性等。计算精度和网格点的密度有关，网格点的密度越大，计算精度越高，但是S
24、ilvaco中的网格点总数是受到限制的，不能超过一定的值，而网格点如果太多的话，会导致信息量特别大，当信息量超过所能处理的极值时，在仿真的时候就会报错。选择的物理模型对仿真的精度和正确性有很大影响。仿真是基于物理的计算，仿真计算时所采用的模型和方程都具有自己的物理意义，不能凭空捏造，青岛大学本科毕业论文（设计）17在不同的应用场合是要使用不同的物理模型的，否则仿真就会出错。Silvaco所采用的仿真思路和所采用的物理模型都是成熟的成果，这些成果是得到公认的或者是发表到 IEEE上的结果，用来仿真的可信度很高。3.2 用 TCAD工具仿真 MOSFET的步骤 下面我们以 NMOS为例来具体的分析
25、用 TCAD工具的仿真流程：我们可以通过 Athena输入器件参数和制作过程，并生成结构文件。然后将 Athena生成的结构文件导入到 atlas，使用 atlas进行器件模拟和各种参数提取。所有结果通过 Tonyplot显示出来3.2.1 对 NMOS的工艺仿真首先在 deckbuild 环境下打开 ATHENA，打开 ATHENA编辑界面，1. 定义矩形网格命令语句#Non-Uniform Gird(0.6um x 0.8um)line x loc=0.00 spac=0.10line x loc=0.2 spac=0.01line x loc=0.6 spac=0.01#line y l
26、oc=0.00 spac=0.008line y loc=0.2 spac=0.01line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15青岛大学本科毕业论文（设计）18图表 12. 初始化硅衬底区域产生了晶向的硅区域,大小为 0.6um x 0.8um, 掺杂为均匀的硼掺杂,浓度为 1 x 1014 atom/cm3.#Initial SIlicon Structure with Orientationinit silicon c.boron=1.0e14 orientation=100 two.d图表 23. 在硅片的表面生长一层栅氧化层,温度为
27、950度，进行干氧氧化 11分钟,在 3%的 HCL环境中,一个大气压# Gate Oxidationdiffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3青岛大学本科毕业论文（设计）19图表 34. 接下来,要来提取生长的栅氧化层的厚度#extract name=“Gateoxide“ thickness material=“SiO2“ mat.occno=1 x.val=0.3得到栅氧化层厚度为 131.3475. 离子注入在本例中,我们设置通过能量为 10KeV,注入剂量为 9.5 x1011 cm-2 ,倾斜角度为 7o,旋转度为 30o的硼
28、注入,显示注入浓度与深度的关系图# Threshold Voltage Adjust implantimplant boron dose=9.5e11 energy=10 crystal青岛大学本科毕业论文（设计）20图表 4 6. 多晶硅栅的等形淀积本例中我们要淀积多晶硅层的厚度是 2000 埃#Conformal Polysilicon Depositiondeposit polysilicon thick=0.20 divisions=10图表 5青岛大学本科毕业论文（设计）217. 在本例中,对于初始网格,我们会设置多晶硅栅的边界在 x = 0.35 m处,同时,设置栅的中心位置在 x
29、 = 0.6 m 处#Poly Definitionetch polysilicon left p1.x=0.35图表 68. 接下来，我们进行多晶注入前的多晶氧化，氧化条件是：时间 3分钟,温度 900度，湿法氧化,1 个大气压。# Polysilicon Oxidationmethod fermi compressdiffus time=3 temp=900 weto2 press=1.00青岛大学本科毕业论文（设计）22图表 79. 接下来我们要对多晶硅进行磷掺杂,磷的剂量 3x1013 cm-2 ,能量 20 KeV.#Polysilicon Dopingimplant phospho
30、r dose=3.0e13 energy=20 crystal图表 810.在进行源漏注入之前,先进行边墙氧化层的淀积，我们设置淀积厚度为青岛大学本科毕业论文（设计）230.12 m #Spacer Oxide Depositiondeposit oxide thick=0.12 divisions=10图表 911.为了形成氧化墙，我们进行干法刻蚀# Spacer Oxide Etchetch oxide dry thick=0.12图表 10青岛大学本科毕业论文（设计）2412.我们通过注入砷进行源漏的注入,设置砷注入的剂量:5 x 1015 cm-3注入能量:50 KeV.# Sourc
31、e/Drain Implantimplant arsenic dose=5.0e15 energy=50 crystal13.源漏注入完成后，进行快速退火,条件：氮气气氛,1 分钟 1个大气压,900度。# Source/Drain Annealingmethod fermidiffus time=1 temp=900 nitro press=1.00图表 1114.下个工艺步骤是金属化，接着淀积并光刻铝首先在源漏区域形成接触孔窗口,在 x= 0.2 m 位置的氧化层刻蚀到左边# 青岛大学本科毕业论文（设计）25Open Contact Windowetch oxide left p1.x=0
32、.20图表 1215.接下来,淀积一层铝，淀积厚度为 0.03m# Aluminum Depositiondeposit aluminum thick=0.03 divisions=2图表 1316.刻蚀铝层，从 x=0.18开始将铝层刻蚀到右边# Etch Aluminum青岛大学本科毕业论文（设计）26etch aluminum right p1.x=0.18图表 1417. 提取 NMOS 结构的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a. 提取第一个硅材料层坐标为 x=0.2 处的结深#extract name=“nxj
33、“ xj material=“Silicon“ mat.occno=1 x.val=0.2 junc.occno=1b. 提取坐标 x=0.05 处的方块电阻#extract name=“n+ sheet res“ sheet.res material=“Silicon“ mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1c. 提取边墙下在 0.3 处的方块电阻#extract name=“Idd sheet res“ sheet.res material=“Silicon“ mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1青岛大学本科毕业论文（
34、设计）27d. 提取 x=0.5 处的一维阈值电压#extract name=“1DVt“ 1dvt ntype qss=1e10 x.val=0.5提取结果a. x=0.2 处的结深是 0.595944 b. x=0.05 处的 N+方块电阻是 28.6859/c. x=0.3 处的 LDD 方块电阻是 1667.6/d. x=0.5 处的长沟道电压时 0.325191V18. 镜像，将左边 NMOS 镜像到右边，形成一个完整的 NMOS#struct mirror right图表 1519. 下面步骤是设置电极#electrode name=source x=0.10#electrode
35、name=drain x=1.10青岛大学本科毕业论文（设计）28#electrode name=gate x=0.60#electrode name=backside backside图表 16到这进行完了 ATHENA 中的工艺仿真步骤，下面要进行的是器件仿真3.2.2 对 NMOS的器件仿真将 ATHENA 界面换成 ATLAS 界面1. 读取从 ATHENA 中生成的结构文件go atlas#mesh infile=nmos.str2. 设置模型：我们选择 CVT 模型，选择 SRH(Fixed Lifetimes)复合模型#models srh cvt boltzman print
36、temperature=300青岛大学本科毕业论文（设计）29#mobility bn.cvt=4.75e+07 bp.cvt=9.925e+06 cn.cvt=174000 cp.cvt=884200 taun.cvt=0.125 taup.cvt=0.0317 gamn.cvt=2.5 gamp.cvt=2.2 mu0n.cvt=52.2 mu0p.cvt=44.9 mu1n.cvt=43.4 mu1p.cvt=29 mumaxn.cvt=1417 mumaxp.cvt=470.5 crn.cvt=9.68e+16 crp.cvt=2.23e+17 csn.cvt=3.43e+20 csp
37、.cvt=6.1e+20 alphn.cvt=0.68 alphp.cvt=0.71 betan.cvt=2 betap.cvt=2 pcn.cvt=0 pcp.cvt=2.3e+15 deln.cvt=5.82e+14 delp.cvt=2.0546e+143. 设置电极的金属功函数，设置接触特性为肖特基接触#contact name=gate n.poly 4.#interface s.n=0.0 s.p=0.0 qf=3e105.我默认设置最大插入值是 25，让使求解器首先使用 GUMMEL 插值法，如果不收敛，再使用 NEWTON 法。#method newton gummel itlimit=25 trap atrap=0.5 maxtrap=4 autonr nrcriterion=0.1 tol.time=0.005 dt.min=1e-25 damped delta=0.5 damploop=10 dfactor=10 iccg lu1cri=0.003 lu2cri=0.03 maxinner=25
