.PAGE.WORD整理版專業資料學習參考本科畢業論文<設計>題目：SilvacoTCAD基CMOS器件仿真學院：物理科學學院專業：姓名：指導教師：20XX5月16日..青島大學畢業論文<設計>任務書院系:物理科學學院專業:微電子學班級:學生姓名:同組學生:無指導教師:下發日期:2014年3月15日MOS場效應晶體管的結構與性能模擬研究摘要：本文主要介紹了N溝道增強型MOSFET的發展歷程、基本結構和工作原理,定性的分析了導電溝道的形成過程和本質；簡單介紹了silvacoTCAD的發展；以NMOS為例,描述了軟件的主要組件、原理、仿真過程及仿真結果。通過對器件的特性的TCAD仿真,使我們深化了對器件在工藝和特性方面的物理研究。silvacoTCAD仿真軟件可以有效縮短IC工藝和器件的開發周期,降低開發成本,體現出了TCAD對半導體器件的開發與優化具有重要的作用。關鍵詞:MOSFETTCAD工藝仿真器件仿真Abstract:Thispapermainlyintroducesthedevelopmenthistory,basicstructureandworkingprincipleofNchannelenhancementMOSFET.Aqualitativeanalysisoftheformingprocessandthenatureoftheconductingchannelarepointedout.ItintroducesthedevelopmentofSILVACOTCADand,takingNMOSasanexample,describesthemaincomponents,theprincipleofthesoftware,thesimulationprocessandsimulationresults.Throughthesimulationondevicecharacteristics,andwedeepenthephysicalstudyofprocessandpropertiesofthedevices.SILVACOTCADsimulationsoftwarecanshortenthedevelopmentcycleofICprocessanddeviceeffectively,reducethecostofdevelopment.TCADplaysanimportantroleindevelopmentandoptimizationonsemiconductordevice.Keywords:MOSFETTCADprocesssimulationdevicesimulation目錄TOC\o"1-2"\h\z\t"標題3,2,標題4,1,標題5,2,標題6,2,標題7,2,標題8,1,標題9,2,標題10,2,標題11,2,標題12,1,標題13,1,標題14,1,標題15,1"1引言11.1MOSFET的發展11.2TCAD的發展32MOSFET的基本構造及工作原理42.1MOSFET的基本原理及構造42.2MOSFET的基本工作原理52.3MOSFET的特性93TCAD工具的構成、仿真原理、仿真流程及仿真結果113.1TCAD工具的結構與仿真原理113.2用TCAD工具仿真NMOS的步驟113.3TCAD工具的仿真結果154結論16謝辭17參考文獻19附錄21正文：1引言在當今時代,集成電路發展十分迅猛,其工藝的發雜度不斷提高,開發新工藝面臨著巨大的挑戰。傳統的開發新工藝的方法是工藝試驗,而現在隨著工藝開發的工序細化,流片周期變長,傳統的方法已經不能適應現在的需要,這就需要尋找新的方法來解決這個問題。幸運的是隨著計算機性能和計算機技術的發展,人們結合所學半導體理論與數值模擬技術,以計算機為平臺進行工藝與器件性能的仿真。現如今仿真技術在工藝開發中已經取代了工藝試驗的地位。采用TCAD仿真方式來完成新工藝新技術的開發,突破了標準工藝的限制,能夠模擬尋找最合適的工藝來完成自己產品的設計。此外,TCAD仿真能夠對器件各種性能之間存在的矛盾進行同時優化,能夠在最短的時間內以最小的代價設計出性能符合要求的半導體器件。進行新工藝的開發,需要設計很多方面的內容,如：進行器件性能與結構的優化、對器件進行模型化、設計進行的工藝流程、提取器件模型的參數、制定設計規則等等。為了設計出質量高且價格低廉的工藝模塊,要有一個整體的設計目標,以它為出發點將工藝開發過程的各個階段進行聯系,本著簡單易造的準則,系統地進行設計的優化。TCAD支持器件設計、器件模型化和工藝設計優化,使得設計思想可以實現全面的驗證。TCAD設計開發模擬是在虛擬環境下進行的,縮短了開發周期,降低了開發成本,是一條高效低成本的進行新工藝研究開發的途徑。TCAD軟件擁有FAB虛擬系統,借助它可以完成器件的設計、器件模型的參數提取和其他各個工藝開發的步驟。TCAD的應用使得開發新工藝不用受到冗長的工藝制造周期和資金投入的限制,開發條件簡單快捷,使得無生產線的公司也有機會參與到工藝開發中來,根據特定特點為自己的產品進行量身定做特定的工藝。在實際生產中,TCAD還可用來進行工藝監測,可以發現工藝過程中出現的問題,提高產品的成品率。1.1MOSFET的發展自從晶體管發明以來,電子器件與社會得到了迅猛的發展。1906年,德福·雷斯特〔LeedeForest發明了真空三極管,并把專利賣給了AT&T,使其業務有了大幅度的提升,他被譽為真空三極管之父。但是隨著社會的發展,真空三極管對信號放大的可靠性差、能量消耗和熱量產生多等缺點暴露了出來,真空三極管已經不能滿足人們的需要。1930年,默文·凱利〔MervinKelly作為貝爾實驗室的領導者清楚的知道,要支撐AT&T的業務,就必須研發一種新的器件,一種依賴于半導體材料的器件。1939年2月,拉塞爾·歐勒〔RussellOhl拿一個帶有縫隙的硅晶來研究有多大的電流可以通過縫隙,他發現這個縫隙只允許電流單向導通,另外方向電流幾乎為零,在導電縫隙的地方還能夠發光。正是這個發現產生了對半導體器件至關重要的PN結。1942年,西摩爾·本澤〔SeymourBenzer發現鍺單晶具有其他半導體所不具備的非常好的整流特性。1945年,二戰結束后,默文·凱利任命威廉·肖克利〔WilliamShockley與斯坦利·摩根〔StanleyMorgan共同領導一個固體物理研究組,主要任務是研制一種新的電子器件用來取代真空三極管。當時,高純的鍺單晶引起了普遍的關注,肖克利也將注意力投向了鍺單晶,同時提醒大家關注。他提出了一種新概念的器件,即利用一個強電場使半導體表面產生一種電流,通過控制電場的強度來調節半導體表面電流大小的器件,也就是現在的場效應器件。1947年圣誕節前夕,肖克利演示了一個命名為"晶體管〔transistor"的小原型器件給貝爾實驗室的幾個同僚,,他將一個n型鍺單晶放置在金屬板上,在單晶上形成一個P反型層,將一個塑料楔子放在反型層上,用金箔包住楔子并切開連接處并固定,以確保金箔間的縫隙非常的小。點接觸晶體管的發明在人類微電子行業具有無比重大的意義,它由肖克利發明,并獲得了第一個晶體管專利。但是肖克利制造的晶體管有很多缺點,比如它的噪聲很大,晶體管的電極搖擺不定,制作的時候沒有重復性可言。在1948年,肖克利找到了一種全新的方法用來解決這些問題,他將P型半導體和N型半導體堆疊在一起,形成一個三層結構,這個三層結構沒兩個同型半導體中間會夾雜著另一種半導體,這就形成了npn型和pnp型結構。這種結構相當于兩個背靠背的pn結,在兩個的半導體可以提供豐富的半導體,中間的半導體則含有很稀少的載流子,成為耗盡層,只要能夠控制中間層載流子的數量,就能夠控制期間的開關,起到真空管的作用。這種器件電流不在是只流過表面,而是流過器件本體。這對于點接觸式晶體管來說是一個很大的進步。于是肖克利命令課題組的理查德·海恩斯〔RichardHaynes、約瑟夫·貝克爾和約翰·夏夫〔JohnShive根據這個理論做了一個實驗,當晶體光中間的半導體層非常薄而且非常純時實驗結果與理論驚人的一致。當時在晶體方面有很深研究的戈登深信,理想的晶體管不可能是由很多晶體組成,只能是用一個單晶體來制作,否則的話晶界會產生散射電流。1950年4月,蒂爾和摩根·斯帕克斯證明了這個理論,他們在單個的鍺晶體上制作了一個雙極型晶體管,這種晶體管具有將信號放大的功能。1951年,斯帕克斯想到減小雙極晶體管的中心夾層的厚度可能會提過晶體管性能,事實證明他成功了。1952年肖克利根據雙極結型晶體管的理論提出了單極結型晶體管,這就是現在我們接觸的結型晶體管。由于鍺在高溫下不能工作,蒂爾在進入XX儀器公司后一直想解決這個問題,只有征服這個問題才能給晶體管性能進一步提升的空間,否則的話器件工作一段時間后就必須休息,這是很影響效率和可靠性的。終于在1954年蒂爾發明了硅晶體管,硅耐溫高,能夠在較高的溫度下穩定工作,這一發明為晶體管的研究帶來了希望。肖克利在1945年就曾經提出過場效應晶體管的概念,即可以加一個強電場來起到控制半導體表面的電流的作用,由于當時普遍使用的是雙極型晶體管,他這個想法從來沒有付諸行動,也就是說場效應晶體管的器件從來沒有實現制造過。而在肖克利離開貝爾實驗室之后,貝爾實驗室才開始著手做出了第一個場效應晶體管。1959年,貝爾實驗室的科學家馬丁·阿塔拉發現了一個現象,通過熱氧化硅表面通過熱氧化可以形成一層很好的二氧化硅氧化層。1960年,阿塔拉和實驗室科學家大原研究了肖克利的的成效應管的概念。他們在硅上制造了世界上第一個場效應晶體管,而且在參加匹茲堡固體物理器件研究會時宣布了這一消息。1961年,美國無線電公司保羅·魏瑪通研究組過研究阿塔拉場效應管提出了他們對于開發薄膜晶體管的看法。他們發現,如果將半導體材料蒸鍍到絕緣層上來制造晶體管這個想法是能行得通的。這項技術給集成電路的發展帶來了生機,它可以使工程師在手指甲蓋大小的基片上構筑上千個晶體管,并互聯起來形成特定功能。這項重要的發明促使美國無線電公司發明了另一樣為集成電路貢獻巨大的器件：金屬氧化物半導體晶體管,即MOS管。1962年美國無線電公司托馬斯·斯坦利、弗雷德里克·海鰻和史蒂芬·霍夫斯坦等人發現,通過擴散和熱氧化在硅基板上形成導電帶,氧化層,高阻溝道區來構筑晶體管,即MOS管可以形成良好性能的管子。MOSFET<MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor問世于20世紀70年代,是由金屬、氧化物以及半導體三種材料制成的器件,是目前應用最廣泛的電子器件之一。盡管雙極性晶體管在早期半導體集成電子學中處于絕對統治地位,但在如今的大多數應用中,它已逐步被由Si材料制成的MOSFET所取代。與BJT相比,各種MOSFET在反偏結上、在肖特基勢壘上或者絕緣層兩端都施加有控制電壓,因此,其輸入阻抗更高。其次,MOSFET特別適合用作可控開關,以實現導通態和關斷態的切換,這對數字電路非常有用。最后,MOSFET占用區域小、集成度高、功率低、制作工藝簡單,非常適合于制造高密度大規模集成電路,MOSFET的發明對電子行業的發展貢獻不可估量。1.2SilvacoTCAD的發展及應用TCAD全稱集成電路工藝和器件的計算機模擬技術,是IC設計工藝和器件特性快速模擬分析的中要工具,通過TCAD設計和開發半導體器件能夠縮短開發周期,節約開發成本,還能夠得到工藝試驗無法得到的信息。而SilvacoTCAD是如今EDA業界的杰出代表。Silvaco中文名稱是矽谷科技有限公司,是有硅〔Sil谷<va>公司<co>英文單詞的縮寫。矽谷科技有限公司總部在美國的加州的圣克拉拉市,公司在美國特拉華州注冊。該公司專門給那些模擬混合信號和RF集成電路仿真設計來提供計算機輔助設計。SILVACOTCAD軟件領先于很多其他ＥＤＡ公司的設計軟件,讓其他供應商難以望其項背。該公司旨在能夠提供最優的完整的設計工具流程,專業的服務和專家的支持。1984年最初為SILVACO數據系統公司〔SILVACODataSystems,由IvanPesic博士于1984年創立。UTMOST是由它推出的首個產品,該產品成功的迅速的成為業界用于參數提取、器件特性表征和建模的工具的標準。1985年,SILVACO公司推出的SmartSpice系列的產品經過努力成功的進入SPICE電路模擬仿真市場。1987年,公司以新的面貌進入TCAD市場。憑借其杰出的工藝仿真工具ATHENA和器件仿真工具ATLAS,公司至1992年成為市場上主要TCAD供應商。1997年,公司再次開發新的領域：模擬ICCAD市場,其開發的EDA工具被廣泛的用于原理圖捕捉,版圖的設計和DRC、LVS和LPE等驗證。20XXSILVACO將其EDA產品線分離出來,成立了獨立于SILVACO的Simucad設計自動化公司〔SimucadDesignAutomation,這使得SILVACO全身心的投入到TCAD的研發中,為后來一直保持其世界領先地位打下基礎。在20XX,SILVACO數據庫公司與Simucad設計自動化公司合并,Simucad設計公司更名為矽谷科技有限公司。Silvaco公司在美國經過20多年的發展,現在已成為眾多EDA公司中很有權威的一個。它涉及的領域很多,如：TCAD工藝器件模擬,高速的精確電路仿真、Spice參數提取、全定制IC設計與驗證等。Silvaco公司涉及很多行業,如芯片廠、晶圓廠、IC材料業者、ASIC業者、IC設計企業、大學和研究中心等,在國內外擁有龐大的客戶群體。Silvaco發展迅猛,至今已在全球設立有12間分公司。Silvaco公司能夠提供給Foundry完整的解決方案和IC軟件,這是市場上其他供應商無可比擬的。Silvaco能夠提供TCAD,Modelling和EDA前端和后端的支持,還能給IC設計師們提供完整的AnalogDesignFlow。Silvaco的產品SmartSpice十分出色,是公認的模擬軟件的標桿,它支持多集成CPU,其仿真速度比同類型軟件要好很多,且其收斂性也被公認為是眾多仿真器最好的,受國內外模擬設計師的喜愛。Silvaco公司還開發了版圖設計以及驗證工具等,與很多世界知名企業有pdk合作。Silvaco公司是能夠提供建模、TCAD、模擬團建以及PDK方案等全功能的EDA公司在20XX正式進入中國市場,他在國外擁有20多年的經驗,希望在中國尋求一片發展的天地,為中國市場解決Foundry的問題。2MOSFET的構造及其基本工作原理2.1MOSFET的基本構造金屬氧化物半導體場效應晶體管<MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor>簡稱MOSFET。它的核心結構是絕緣體、導體、摻雜的半導體襯底這三種材料疊在一起組成的。MOS的基本結構MOS晶體管包括源極〔source、柵極〔gate、漏極〔drain,工作時會在柵極下面的半導體表面感應出與原摻雜相反類型的載流子,形成導電溝道,根據導電溝道載流子類型將MOS管分為NMOS和PMOS,稱溝道載流子為電子的管子為N管,溝道載流子為空穴的管子為P管。根據柵壓為0時的管子的狀態又可以分為增強型MOS管和耗盡型MOS管。增強型在外加電壓為0時沒有導電溝道,管子截止;耗盡型剛好相反,無柵壓狀態下有導電溝道,管子導通,當給一定的電壓條件管子將截止。下面以N管為例具體分析一下MOS管的結構。對于NMOS,它包括有兩個n型硅區域中間夾著一個p型硅區域,P型硅區域之上覆蓋了一個SiO2絕緣層和一個多晶硅形成的柵極結構。兩個N型硅的擴散區通過姆接觸與金屬導體相連,形成源極和漏極。由于MOS結構是對稱的,所以源極區和漏極區沒有物理上的差別。在MOS結構中,柵極為控制電極,它通過控制溝道中載流子濃度和溝道寬度來實現控制源極漏極之間溝道中的電流的大小。早期的柵極的材料采用的是鋁電極,然而由于采用鋁電極座位柵極存在掩膜對準困難、柵極減小受限的問題,現在多采用多晶硅作為柵極導電材料。非摻雜的多晶硅實際上是絕緣體,通過摻雜,其電阻率可在很大的范圍內變化,這也使得自對準工藝得以實現。工藝上實現源極、柵極、漏極等電極位置的自對準,消除了柵源漏之間的套疊,使得MOS管有較好的點穴性能。內部工藝完成后,開出接觸孔,將柵源漏與外電路連接,實現它相應的功能。2.2MOSFET的基本工作原理以增強型NMOS為例。場效應管是場控器件,通過電場的強弱控制電流的大小,柵極電壓uGS作為整個器件的開關,起著至關重要的作用。當uGS為0時,不會產生導電溝道,源漏相當于是兩個背對背的二極管。源漏電流IDS幾乎為零,管子截止,電流相當于二極管的反向電流。當大柵極電壓增大時,襯底接地為零電位,柵-襯底之間會形成一個電場,電場強度隨uGS的增大而增加。柵極下方的少數載流子電子在電場作用下向上表面聚集。當uGS增大到一定程度,柵極下面會形成耗盡層。繼續升高柵極電壓,更多電子在溝道區聚集,最終形成反型層,產生以電子為載流子的導電溝道。而形成強反型的最小的電壓就叫做閾值電壓或開啟電壓。這時候去過在源漏之間加一個電位差,將有電流通過,即IDS。很容易看出,柵極電壓越高,溝道內電子濃度也越高,導電效果就越好。2.3MOSFET的特性當較小時,柵極下面自由電子很少,其濃度取決于工藝制造是的摻雜濃度,少量的自由電子從源區向漏區流動就形成了漏極電流。當我們繼續增大,柵極下面電場強度增強,對少數載流子電子的吸引能力增強,越來越多的自由電子會被吸引到柵極下方的溝道區,溝道的寬度增大,載流子濃度增大,導電能力增強,溝道電阻減小。溝道電導與成正比,于是漏極電流與成正比,被稱為有效柵-源電壓。在未夾斷前,與成正比。當較小時,并沒有出現夾斷現象,N溝道增強型MOSFET的導電溝道可等效為一個線性電阻,其等效電阻阻值大小受控制。由于等于漏極電壓減去源極電壓,相當于沿源區到漏區導電溝道兩端的壓降,若假設源區為零電位,則漏區電位為uDS,電壓由0V增大到。因此以柵極為參考點,溝道中各點的電位相當于由源端的到漏端的,因此,溝道中載流子濃度和溝道的深度取決于電壓。當是大于開啟電壓的一個確定值時,在漏-源之間加正向電壓,將有溝道電流IDS產生。當源漏電壓較小時,源漏電流隨增大而線性增大,溝道寬度從源極到漏極逐漸變小；若繼續增大到使時,溝道在漏極一側出現夾斷點,我們稱為預夾斷；若繼續增大,夾斷區將隨源漏電壓的增大而隨之延長,增大的源漏電流全部用來克服夾斷區對電子流動的阻力。此后,管子進入恒流區,幾乎不因的增大而變化,漏極電流幾乎僅決定于。如圖,可清楚的看出飽和區iD與uGS的關系：3用TCAD工具對MOSFET進行仿真的原理、步驟及結果3.1TCAD工具的結構及仿真原理SilvacoTCAD由許多組件和內部模塊構成其強大的功能。其中包括交互式工具deckbuild和tonyplot,工藝仿真工具ATHENA,器件仿真工具ATLAS和器件編輯器DevEdit。在下面的內容,我們將詳細介紹一下各個組件的結構和原理：3.1.1DeckBuild所有仿真組件的工作全部基于deckbuild界面,通過deckbuild調用之后啟動組件才可進行各個步驟的仿真。例如,我們首先由ATHENA或DECKBUILD生成器件結構模型,包括器件尺寸、結構、注入情況、淀積刻蝕等各個信息都包括在器件模型中；再由ATLAS對器件特性進行仿真,測得想要測的器件的特性,最后把結果用Tonyplot2D或3D進行顯示輸出。DeckBuild有很過特性功能,如下：輸入并編輯仿真文件查看和控制仿真輸出自動切換仿真器件優化工藝,快速獲得仿真參數抽取仿真特性提供對結構的圖像輸出提取器件仿真的結果中SPICE模型的參數下面是各個仿真組件通過DeckBuild環境相互聯系組織的仿真流程3.1.2TonyplotTonyPlot功能非常強大,由TCAD仿真生成的一二維結構都可以通過TonyPlot顯示出來。另外,TonyPlot還具有標簽,縮放,平移等可視化特性。TonyPlot除了可以顯示器件的一維、二維、三維結構,還可以顯示器件的幾何、材料、電學、光學、熱學等信息。Tonyplot除了可以將仿真結果導出為圖片形式外,也可將器件結構中的信息直接導出,讓用戶可以更清楚的獲得和處理仿真數據。此外,為了方便形象的觀察個工藝效果,Tonyplot還可將工藝的圖像結果制作成動畫形式供用戶觀看。像矢量流的標記動畫、日志文件或全定制TCAD專用色彩樣式、一維數據文件的整合、二維結構中的一維切割線、以及HP4154仿真等功能也可由TCAD可視化工具Tonyplot提供。特征:TonyPlot為了TCAD的可視化功能而專門開發的圖形分析工具,并且是通用的圖形顯示工具,它可用于工藝和器件設計的快速原型制作與開發,幾乎可用于所有SILVACOTCAD產品。它的繪圖引擎支持所有一維和二維數據的檢視,并可導出多種可用于報告或第三方工具的通用格式數據,包括jpg、png、bmp、SpiceRawFile和CSV等,并且可以輸出多數型號打印機都支持的圖形格式。TonyPlot具有靈活的標簽功能,可通過此功能對圖形進行注釋,為報告和演示建立明晰圖表。TonyPlot擁有探測器、標尺及其他測量工具,可對得出的一維和二維結構進行詳盡測量和分析。TonyPlot能夠很容易地進行多個圖表之間的比較,能夠顯示電結果是如何由工藝條件影響的。TonyPlot擁有電影模式動態化的序列圖形,這可以為用戶提供靜態圖像所無法提供的器件信息,其帶有的切割線工具可以在二維結構中切割出一維的線段。TonyPlot可定義復雜的函數和宏命令,使之可以像普通一維量一樣被查看。它的一大特色是虛擬晶圓制造系統與生產模式聯合起來一起使用,能夠提供精確地成品率分析和有效地校準工具。3.1.3ATHENAATHENA是由SUPREM-IV發展而來的,后者是世界著名的斯坦福大學開發的仿真器。ATHENA具有很多的新穎的功能,用于半導體器件的仿真處理,囊括了各個器件制造的工藝,如：擴散、氧化、離子注入、刻蝕、淀積、光刻、應力成型和硅化等。ATHENA是一個方便的平臺,它易于使用,模塊化可擴展,能夠幫助開發和優化半導體制造工藝。它能夠對所有的器件生產工藝流程進行精確地模擬,仿真能夠得到各種半導體器件的結構,并能預測器件結構中的幾乎參數,應力和摻雜劑量分布。我們可以通過ATHENA設計優化參數,使得速度、擊穿、產量、泄露電流和可靠性之間達到最佳結合。ATHENA能夠迅速的模擬各種器件加工工藝中的各個步驟,精確預測多層拓撲,攙雜分布、以及多種器件結構的應力高級仿真環境允許：3.1.4ATLASATLAS是一種器件仿真系統,它可以模擬半導體器件的光電熱等的行為特性,它提供一個簡潔方便可擴展的模塊化平臺,該平臺基于物理原理,可分析二維三維半導體直流交流的時域相應。高效穩定的多線程算法在并行機器上運行,不僅保持了運算精度,還大大減少了仿真的時間。主要特征：ATLAS不需要高昂的試驗費用投入,只需要一臺電腦就可以精確地進行物理器件的電光熱特性的仿真。當工藝變動時,能夠迅速的改變模擬數據以適應新的工藝,提高了成品率,優化了速度功率,漏電可靠性等。ATLAS與ATHENA工藝仿真完美銜接,以其完善的可視化工具,數量巨大的例子庫和簡單的器件語法而成名。能夠通過ATLAS直接將仿真結果導入到UTMOST,以便提取各種器件參數,方便將TCAD連接到流片系統。此外,它還支持多核多處理器SMP機器的并行處理。ATLAS的主要模塊：二維硅器件模擬器、三維硅器件模擬器、高級材料的二維三維模擬器、VCSELS模擬器、半導體激光二極管模擬器、光電子器件默契、鐵電場相關的節點常數模擬器、半導體噪聲模擬模塊、二維三維量子顯示響應模擬模塊、MixerMode、二維三維飛等溫器件模擬模塊、和ATLASC解釋器模塊等。3.1.2TCAD工具的仿真原理SilvacoTCAD軟件是用來模擬半導體器件的電學性能,進行半導體工藝流程仿真,還可以與其它EDA工具<比如spice>組合起來進行系統級電學模擬<Sentaurus和ISE也具備這些功能>。SivacoTCAD為圖形用戶界面,用戶可以直接從界面輸入程序語句,操作簡單,其例子庫十分豐富,可以直接調用裝載并運行,SilvacoTCAD是例子庫最豐富的TCAD軟件之一,幾乎使得用戶做的任何設計都能找到相似的例子程序以供調用。SilvacoTCAD平臺包括工藝仿真<ATHENA>,器件仿真<ATLAS>和快速器件仿真系統<Mercury>,它們都是全圖形操作界面,類似于windows的操作界面受到了喜歡在全圖形界面操作軟件用戶的青睞。總所周知,計算機仿真是基于一些物理模型及方程的數值計算,Silvaco中的物理模型及方程十分復雜,信息量十分巨大,而這些方程中的某些量又需要用其他的方程來描述,這就使得信息處理量成倍增長,只有將它離散化,所以Silvaco半導體仿真是基于網格計算的。而網格計算就是要將器件的仿真區域劃分開來,規劃成相應密度的網格,在計算器件某一部分的電學、光學等特性時,只需計算相應的網格點處的特性即可。而數值計算需要考慮很多問題,如精確性,計算速度,收斂性等。計算精度和網格點的密度有關,網格點的密度越大,計算精度越高,但是Silvaco中的網格點總數是受到限制的,不能超過一定的值,而網格點如果太多的話,會導致信息量特別大,當信息量超過所能處理的極值時,在仿真的時候就會報錯。選擇的物理模型對仿真的精度和正確性有很大影響。仿真是基于物理的計算,仿真計算時所采用的模型和方程都具有自己的物理意義,不能憑空捏造,在不同的應用場合是要使用不同的物理模型的,否則仿真就會出錯。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,這些成果是得到公認的或者是發表到IEEE上的結果,用來仿真的可信度很高。3.2用TCAD工具仿真MOSFET的步驟下面我們以NMOS為例來具體的分析用TCAD工具的仿真流程：我們可以通過Athena輸入器件參數和制作過程,并生成結構文件。然后將Athena生成的結構文件導入到atlas,使用atlas進行器件模擬和各種參數提取。所有結果通過Tonyplot顯示出來3.2.1對NMOS的工藝仿真首先在deckbuild環境下打開ATHENA,打開ATHENA編輯界面,定義矩形網格命令語句#Non-UniformGird<0.6umx0.8um>linexloc=0.00spac=0.10linexloc=0.2spac=0.01linexloc=0.6spac=0.01#lineyloc=0.00spac=0.008lineyloc=0.2spac=0.01lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0.15圖表SEQ圖表\*ARABIC1初始化硅襯底區域產生了<100>晶向的硅區域,大小為0.6umx0.8um,摻雜為均勻的硼摻雜,濃度為1x10^14atom/cm3.#InitialSIliconStructurewith<100>Orientationinitsiliconc.boron=1.0e14orientation=100two.d圖表SEQ圖表\*ARABIC2在硅片的表面生長一層柵氧化層,溫度為950度,進行干氧氧化11分鐘,在3%的HCL環境中,一個大氣壓#GateOxidationdiffustime=11temp=950dryo2press=1.00hcl.pc=3圖表SEQ圖表\*ARABIC3接下來,要來提取生長的柵氧化層的厚度#extractname="Gateoxide"thicknessmaterial="SiO~2"mat.occno=1x.val=0.3得到柵氧化層厚度為131.347?離子注入在本例中,我們設置通過能量為10KeV,注入劑量為9.5x10^11cm-2,傾斜角度為7o,旋轉度為30o的硼注入,顯示注入濃度與深度的關系圖#ThresholdVoltageAdjustimplantimplantborondose=9.5e11energy=10crystal圖表SEQ圖表\*ARABIC4多晶硅柵的等形淀積本例中我們要淀積多晶硅層的厚度是2000埃#ConformalPolysiliconDepositiondepositpolysiliconthick=0.20divisions=10圖表SEQ圖表\*ARABIC5在本例中,對于初始網格,我們會設置多晶硅柵的邊界在x=0.35μm處,同時,設置柵的中心位置在x=0.6μm處#PolyDefinitionetchpolysiliconleftp1.x=0.35圖表SEQ圖表\*ARABIC6接下來,我們進行多晶注入前的多晶氧化,氧化條件是：時間3分鐘,溫度900度,濕法氧化,1個大氣壓。#PolysiliconOxidationmethodfermicompressdiffustime=3temp=900weto2press=1.00圖表SEQ圖表\*ARABIC7接下來我們要對多晶硅進行磷摻雜,磷的劑量3x10^13cm-2,能量20KeV.#PolysiliconDopingimplantphosphordose=3.0e13energy=20crystal圖表SEQ圖表\*ARABIC8在進行源漏注入之前,先進行邊墻氧化層的淀積,我們設置淀積厚度為0.12μm#SpacerOxideDepositiondepositoxidethick=0.12divisions=10圖表SEQ圖表\*ARABIC9為了形成氧化墻,我們進行干法刻蝕#SpacerOxideEtchetchoxidedrythick=0.12圖表SEQ圖表\*ARABIC10我們通過注入砷進行源漏的注入,設置砷注入的劑量:5x10^15cm-3注入能量:50KeV.#Source/DrainImplantimplantarsenicdose=5.0e15energy=50crystal源漏注入完成后,進行快速退火,條件：氮氣氣氛,1分鐘1個大氣壓,,900度。#Source/DrainAnnealingmethodfermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00圖表SEQ圖表\*ARABIC11下個工藝步驟是金屬化,接著淀積并光刻鋁首先在源漏區域形成接觸孔窗口,在x=0.2μm位置的氧化層刻蝕到左邊#OpenContactWindowetchoxideleftp1.x=0.20圖表SEQ圖表\*ARABIC12接下來,淀積一層鋁,淀積厚度為0.03μm#AluminumDepositiondepositaluminumthick=0.03divisions=2圖表SEQ圖表\*ARABIC13刻蝕鋁層,從x=0.18開始將鋁層刻蝕到右邊#EtchAluminumetchaluminumrightp1.x=0.18圖表SEQ圖表\*ARABIC14提取NMOS結構的器件參數這些參數包括:a.結深b.N++源漏方塊電阻c.邊墻下LDD區的方塊電阻d.長溝閾值電壓a.提取第一個硅材料層坐標為x=0.2μm處的結深#extractname="nxj"xjmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.2junc.occno=1b.提取坐標x=0.05μm處的方塊電阻#extractname="n++sheetres"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1\x.val=0.05region.occno=1c.提取邊墻下在0.3μm處的方塊電阻#extractname="Iddsheetres"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1\x.val=0.3region.occno=1d.提取x=0.5μm處的一維閾值電壓#extractname="1DVt"1dvtntypeqss=1e10x.val=0.5提取結果a.x=0.2μm處的結深是0.595944μmb.x=0.05μm處的N++方塊電阻是28.6859Ω/■c.x=0.3μm處的LDD方塊電阻是1667.6Ω/■d.x=0.5μm處的長溝道電壓時0.325191V鏡像,將左邊NMOS鏡像到右邊,形成一個完整的NMOS#structmirrorright圖表SEQ圖表\*ARABIC15下面步驟是設置電極#electrodename=sourcex=0.10#electrodename=drainx=1.10#electrodename=gatex=0.60#electrodename=backsidebackside圖表SEQ圖表\*ARABIC16到這進行完了ATHENA中的工藝仿真步驟,下面要進行的是器件仿真3.2.2對NMOS的器件仿真將ATHENA界面換成ATLAS界面讀取從ATHENA中生成的結構文件goatlas#meshinfile=nmos.str設置模型：我們選擇CVT模型,選擇SRH<FixedLifetimes>復合模型#modelssrhcvtboltzmanprinttemperature=300#mobilitybn.cvt=4.75e+07bp.cvt=9.925e+06cn.cvt=174000cp.cvt=884200\taun.cvt=0.125taup.cvt=0.0317gamn.cvt=2.5gamp.cvt=2.2\mu0n.cvt=52.2mu0p.cvt=44.9mu1n.cvt=43.4mu1p.cvt=29mumaxn.cvt=1417\mumaxp.cvt=470.5crn.cvt=9.68e+16crp.cvt=2.23e+17csn.cvt=3.43e+20\csp.cvt=6.1e+20alphn.cvt=0.68alphp.cvt=0.71betan.cvt=2betap.cvt=2\pcn.cvt=0pcp.cvt=2.3e+15deln.cvt=5.82e+14delp.cvt=2.0546e+14設置電極的金屬功函數,設置接觸特性為肖特基接觸#contactname=gaten.poly#interfaces.n=0.0s.p=0.0qf=3e10我默認設置最大插入值是25,讓使求解器首先使用GUMMEL插值法,如果不收斂,再使用NEWTON法。#methodnewtongummelitlimit=25trapatrap=0.5maxtrap=4autonr\nrcriterion=0.1tol.time=0.005dt.min=1e-25dampeddelta=0.5\damploop=10dfactor=10iccglu1cri=0.003lu2cri=0.03maxinner=25求解,得到Id-VGS曲線。首先猜想零偏壓情況下勢能和載流子濃度的初始值,將漏電極設置0.1V的直流偏壓,柵電極電壓以0.1V為步距,從0V-3.3V變化。#solveinitsolvevdrain=0.1logoutf=nmos1_0.logsolvename=gatevdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1圖表SEQ圖表\*ARABIC177.在柵極上分別加上四種不同的電壓：0.3V,1.1V,2.2V,3.3V,得到四條Id-VDS曲線solveinitsolvevgate=0.3outf=solve_tmp0solvevgate=1.1outf=solve_tmp1solvevgate=2.2outf=solve_tmp2solvevgate=3.3outf=solve_tmp3#loadintemporaryfilesandrampVdsloadinfile=solve_tmp0logoutf=mos1ex02_0.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1loadinfile=solve_tmp1logoutf=mos1ex02_1.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1loadinfile=solve_tmp2logoutf=mos1ex02_2.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1loadinfile=solve_tmp3logoutf=mos1ex02_3.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.1圖表SEQ圖表\*ARABIC18提取器件參數Vt、Beta、Theta。extractname="vt"<xintercept<maxslope<curve<abs<v."gate">,abs<i."drain">>>>\-abs<ave<v."drain">>/2.0>extractname="beta"slope<maxslope<curve<abs<v."gate">,abs<i."drain">>>>*\<1.0/abs<ave<v."drain">>>extractname="theta"<<max<abs<v."drain">>*$"beta">/max<abs<i."drain">>>-\<1.0/<max<abs<v."gate">>-<$"vt">>>提取結果為Vt=0.203864VBata=0.000280309A/V2Theta=0.1563941/V3.3TCAD工具的仿真結果上面給出了TCAD工具仿真MOSFET的結構輸出圖,圖表16具體給出了MOSFET中各區域的離子濃度分布,最下面的大面積N型硅是襯底,襯底兩側分別有兩個P摻雜區,在兩個P摻雜區上面引出兩個鋁電極,分別作為源極和漏極,N型襯底上生長著一層超薄的干熱二氧化硅,在二氧化硅上面覆蓋了一層多晶硅,該多晶硅作為柵極。圖表17給出了漏極一定時的Id-VGS曲線,由曲線可以看出,當漏極電壓一定時,柵壓很小的時候,不存在導電溝道,管子截止。隨著柵極電壓的增大,出現反型層,當大于開啟電壓時,溝道寬度和載流子濃度隨柵極電壓增大而增加,源漏電流開始成線性增長。仿真結果與NMOS的特性與理論分析相符。圖表18為該仿真器件的Id-VDS曲線,由理論知識得,當柵極電壓小于開啟電壓時,沒有導電溝道形成,所以無論漏-源間加多大電壓,總不會有漏極電流的出現,圖中紅色輸出曲線即為截止時的輸出曲線,此時柵極上施加的電壓為0.2V；當柵極電壓大于開啟電壓時,在柵極下方會形成導電溝道,此時在漏源區分別加上電壓,就會產生漏極電流,當漏-源間電壓較小時,漏極電流隨漏-源間電壓呈線性增長,此時MOSFET工作在線性區,繼續增大漏-源間的電壓,導電溝道出現夾斷,此后,漏極電流不再隨漏-源間電壓的增大而變化,漏極電流值只與柵極電壓有關,此時,MOSFET工作在飽和區。上面三條輸出曲線分別是柵極電壓為1.1V、2.2V、3.3V時的輸出特性曲線,說明NMOS的輸出特性曲線隨柵極電壓的不同而變化。仿真得到的結構輸出圖及MOSFET的特性均與理論分析相符。4結論半導體器件的要求越來越高,制造工藝越來越復雜、流程多,時間長,全部用工藝實驗來對器件進行改進和優化,已經失去了其可行性,用TCAD工具代替實際實驗進行研究,已經成為新器件早期開發的一個重要途徑。本文利用仿真軟件,利用現有的模擬軟件,用計算機輔助工藝設計的方法,在計算機上建立實驗設計與模擬相結合,可用于對器件工藝及參數進行優化的TCAD工具,仿真出了MOSFET的結構及基本特性。按著實際的工藝步驟進行仿真,離子濃度分布與實際結構中了離子濃度分布相符,模擬出的結構即為實際的MOSFET結構。對仿真的器件進行特性模擬,在其柵極施加上不同的柵極電壓,得到了相應的輸出曲線。CMOS工藝在不斷發展,就需要解決越來越多的工藝問題,解決MOSFET面臨的各種挑戰。因此,仿真是半導體器件得以進一步發展的重要工具,器件仿真在器件開發初期代替了實驗,節省了大量資金,將開發周期大大縮短,其重要性是不可忽視的。謝辭本論文是在XX大學物理科學院單福凱教授的悉心指導下完成的。從論文的選題、準備工作、研究方法、仿真軟件的學習、仿真流程、參數的設置、仿真數據的分析到到論文的撰寫,均得到單老師的悉心指導。單福凱老師不辭勞苦、誨人不倦的高尚品質,嚴謹求實的治學態度以及老師們的博學多才都使我終身受益。在此,謹向給我諄諄教導、關懷備至的單福凱老師表示最誠摯的感謝和深深的敬意。在最初的理論學習及后期的實驗模擬,論文的撰寫方面均得到了學姐以及身邊同學的支持和幫助,在此向他們表示衷心的感謝。衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授。感謝四年來XX大學物理科學學院全體老師對我的教育和培養。感謝物理科學學院的所有同學對我的關心和幫助。感謝我的父母和家人,感謝他們給予我無私的愛與堅強的支持。最后衷心感謝所有關心和幫助我的親人、師長和朋友。參考文獻袁占生,鄭文杰,MOSFET特性研究,XX民族大學學報〔自然科學版20XX1月,第25卷,第1期尹勝連,馮彬,TCAD技術及其在半導體工藝中的應用[期刊論文]-半導體技術,2008,33<6>趙野.孫偉鋒.俞軍軍.蘇巍.李艷軍.利用TCAD方法優化設計金屬柵CMOS工藝及電路[期刊論文]-東南大學學報〔自然科學版2006,36<4>劉影丁紅梅半導體器件模擬方法研究大眾科技20XX第10期肖德元,陳國慶,"半導體器件發展歷程及其展望"固體電子學研究與進展,20XX11月,第26卷,第4期甘學溫,杜剛,肖志廣,實驗設計與模擬相結