Silvaco操作指南.doc
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1、第二篇 半导体工艺及器件仿真软件Silvaco操作指南主要介绍了半导体器件及工艺仿真软件Silvaco的基本使用。书中通过例程引导学习工艺仿真模块Athena和器件仿真模块Atlas,通过这两部分的学习可以使学习人员深入了解半导体物理的基本知识,半导体工艺的流程,以及晶体管原理的基本原理,设计过程,器件的特性。对于学习集成电路的制备及后道工序有一定的帮助。第一章 SILVACO软件介绍251.1程序启动251.2 选择一个应用程序例子261.3 工艺模拟281.3.1 运行一次模拟281.3.2 渐进学习模拟281.3.3 绘制结构281.3.4 使用Tonyplot进行绘图291.3.5 修
2、正绘图的外观291.3.6 缩放及在图上进行平移301.3.7 打印图形311.4 使用History功能311.5 明确存贮状态321.6创建用于比较的两个结构文件321.6.1 存贮文件创建321.6.2文件交叠331.7 运行MOS工艺程序的第二部分351.7.1 Stop At 功能351.7.2 使用Tonyplot用于2-D结构361.7.3 使用Tonyplot来制备一轮廓图371.7.4 产生交互式图例381.8 工艺参数的抽取391.8.1 源漏结深401.8.2 器件阈值电压401.8.3 电导及偏压曲线401.8.4 一些薄层电阻421.8.5 沟道表面掺杂浓度421.9
3、 器件模拟441.9.1 器件模拟界面工艺441.9.2建立器件模拟441.9.3 执行器件模拟451.9.4 抽取器件参数45第二章 电阻仿真及阻值抽取46第三章 扩散二极管仿真562.1 硼扩散562.2 进行mesh的实验612.3 绘制杂质掺杂轮廓曲线622.4 查看抽取结果63第四章 NMOS电学特性仿真653.1 NMOS例子加载653.2 Tonyplot操作663.3 查看电学仿真结果70第五章 工艺流程的横断面观察734.1初始化衬底734.2 氧化层屏蔽734.3 NWELL 注入744.4 PWELL 注入744.5 场氧化层生长754.6 阱推进76第一章 Silvac
4、o软件介绍本章将介绍下面两个VWF(虚拟wafer制备)交互工具的基本使用: Deckbuild:VWF运行时控制应用程序。这是唯一一个从系统命令行由用户启动的程序。 Tonyplot:VWF可视化应用程序。 VWF交互工具还包括版图到工艺的界面程序MaskViews, 器件原型及编辑程序 DevEdit,局部优化程序Optimizer 以及统计分析的SPAYN工具。但本章不介绍这部分内容。VWF核心工具是以下两个仿真器: Athena, Silvaco的高级一维和二维工艺仿真器。 Atlas, Silvaco的通用及标准组件的一,二,三级器件仿真器。 VWF核心工具还包括器件特性的UTMOS
5、应用及SmartSpice电路仿真。本章将学习: 1. 使用 Athena进行一个简单LDD MOS器件仿真和相关参数的抽取(如栅氧化层厚)。2. 使用Atlas进行LDD MOS器件仿真,产生一个Id/Vgs 曲线并从这条曲线中进行器件参数Vt,Beta和Theta 的抽取。 1.1程序启动要启动Deckbuild程序,在系统命令行中输入 deckbuild &几秒钟后Deckbuild窗口显示出来。在Deckbuild启动后,你会看到如下的窗口(版本及目录名可能不相同): Deckbuild程序窗口组成如下: 1. 上面的文本窗口区用来保持仿真器的输入。 2. 下面的tty 区显示仿真器的
6、输出。 Athena 仿真是缺省启动的。你会看到,在这个区中有一短的Athena文件头输出,指出你可用的许可产品。之后跟随Athena提示符。 ATHENA3. 在窗口上部是软件控制菜单的集合。4. 在文本区及tty区之前是仿真器控制按钮的集合。下一步是创建一个设计,可以从草图创建,或者选择一个应用例子进行修改。输入的程序显示在上面的文本区中,而且执行时使用仿真控制按钮就会它传到下面的tty区。1.2 选择一个应用程序例子Deckbuild 包括大量的仿真例子可以用于仿真。这个练习使用其中之一。当Deckbuild启动后,examples menu会被激活。在 Deckbuild的Main C
7、ontrol菜单有一个选择项称为Examples . 如下显示: 可移动鼠标到Main Control上,按下鼠标右键。在按下鼠标右键时,main control 菜单显示出来。当鼠标右键按下后,移动光标选择Examples .菜单选项。然后,放开鼠标。几秒钟内例子目录的窗口就会显示出来,如下图。这个练习使用例子中的MOS1目录。如果你正在运行Deckbuild,你可以双击选择MOS1目录或从 Section 菜单中选择它。例子是MOS2,称为mos1ex02.in.你可以通过鼠标或使用 Sub Section菜单选择它。描述这个例子的文本会显示出来,应该花几分钟来阅读例子文档。点击Load
8、Example按钮来加载输入文件到Deckbuild的文本编辑区,同时也把这个例子拷贝到你的当前工作目录。1.3 工艺模拟这个练习主要进行一个LDD MOS晶体管的仿真。主要有以下练习:1. 运行一次模拟2. 创建两个结构文件用于比较 3. 运行MOS工艺模拟的前半部分 4. 产生交互式图例 5. 抽取一些工艺参数 1.3.1 运行一次模拟可以通过使用在Deckbuild文本区及tty区的实时控制按钮来交互式运行模拟。控制按钮如下所示: 通过使用这个控制面板,可以使用以下方法来运行模拟: 1. next: Step at a time, 交互式模拟控制 2. stop: 运行到一个stop点,
9、 (参考以后的练习。3. run: 使用控制面板中的Run来运行整个输入的设计(deck). 1.3.2 渐进学习模拟开始时,LDD MOS器件将一步一步地仿真。这样允许在进行时可以有交互式检查。可以使用history机构,向后跟踪改正设计中的错误。在最初的仿真输入设计时,这种交互式一次一步的执行方法可以得到仿真更为精细的控制,且在设计中会更早地检测到错误,也是输入设计程序所推荐的。 要一步一次地执行,从Deckbuild控制面板中选择next按钮。这个按钮每一次会从文本区发送一个单独的输入设计行到当前运行的模拟器。在下面的tyy 的Deckbuild区的模拟器提示符上显示了输入的设计行。 在
10、文本编辑区的光标从上一行向下移动,而且在控制面板上显示的当前行数会更新(标志是Line)。使用 next 按钮, 很可能要移动到模拟器前,而这些步骤会花费一些时间去执行。模拟器会试图catchup 行数,之后等待下一个模拟命令被发送。模拟器正在执行的行总是反色的显示。这一阶段模拟将会连到栅氧化层步gate oxidation step (line 47)。gate oxidation step 已经简化为一个单独的扩散步,之后紧跟一个参数抽取行来抽取氧化层厚度: extract name=gateox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.05 抽取命令是De
11、ckbuild的一个强力工具,允许在仿真进确定器件的各种特性。extract 语句确定了栅氧化层厚度。本练习中后面会有高级的抽取工具的例子,其特征会详细解释。 进行仿真直到gate oxide thickness抽取行通过(line 50). 1.3.3 绘制结构当工艺模拟完成了栅氧化层厚度抽取后,点击文本区的某一处(Deckbuild上部)。这会取消报告输入行及光标位置的选定。光标符号显示为一个单独的三角形。 Note:不选择文本是很重要的,因为在Tonyplot启动时,它会试图解释任何选定文本作为一个文件名,并在读它时产生错误信息。 为了运行Tonyplot, 使用Deckbuild中的
12、Tools 下拉菜单下的Plot 项中的Plot Structure。 这将导致Deckbuild启动Tonyplot,加载当前模拟的结构并绘制它。Deckbuild也将显示它正在启动Tonyplot的情况,如信息为 Plotting .显示在tty区的右下角。一旦Tonyplot启动,它会显示一个 Welcome窗口,可通过选择OK来确认,且模型结构会显示出来。1.3.4 使用Tonyplot进行绘图 Tonyplot显示一掺杂的剖面材料结构。尽管这只是二维的工艺模拟,到目前为止结构仍然是完全平面的。Athena 模型器以一维模式自动运行来节省CPU 时间,并直到结构是非平面的。 Tonyp
13、lot绘图如下图: 1.3.5 修正绘图的外观为开始修正绘图的外观,需要选择Plot下的Display: Display窗口的显示: 这个窗口包含各项控制图的外观的选项。包括 在滚动栏中有按名字排列的掺杂种类或所列的绘图功能。为绘制一个种类/功能,简单地从列表中选择,Phosphorus族在最上面。 格点是否在图上显示. 是否在不同区域及材料之间的界面使用线和/或不同的颜色用于不同的区域 图形在数据点和/或有连接的数据点是否有符号显示. 当点击Apply 按钮后,在显示窗中做的变化就反映在绘图中。Reset 按钮将对状态进行重新设定控制。完成时可以使用Dismiss按钮来去除窗口。 1.3.6
14、 缩放及在图上进行平移图上细小的区域可以通过缩放来进行检察。使用Tonyplot可选择一个矩形来进行。比如下面的图形就放大显示了氧化层中的掺杂浓度:在缩放了图上的一个区域后,在窗口上的左上角显示一个zoom/pan box。八个方向箭头的任何一个都可以平移图形。若要返回原来样子,选择钻石样的在方框中间的标志即可。 1.3.7 打印图形点击Print按钮送一个硬拷贝直接到你的缺省打印机。你的VWF系统管理器可以告诉你在哪里打印。 1.4 使用History功能Deckbuild的history 功能强有力,允许在交互模拟进行中改正进行中的变化而不必再次从草图到模拟。这个工具允许输入设计向后移动,
15、可通过前面的一个模拟命令行及initializing 模拟器回到那一点。 在完成模拟后,状态文件自动存到当前工作目录。有意义的模拟步骤是一些器件的结构或掺杂浓度,比如,注入,刻蚀等的仿真。无意义的步骤是一些简单地询问模型器的信息,比如写结构文件或抽取参数。history 文件命名为.historynn.str,此处 nn是一个序号,并存贮为一个标准结构文件。在 Athena 执行时,你可能看到在ATHENA命令行上的save命令,如: struct outfile=.history09.str 只要自创建历史文件后命令行没有添加,Deckbuild将记住哪个文件与每一输入设计行配合。 再次初始
16、化模拟器到前面模拟的Well Drive步,双击或三次点击 diffusion 行的Well Drive. 使其如下亮显: 当这行文本亮显后,在左击Deckbuild 控制面板下的init 按钮。这将重置模拟行位置为这一Well Drive扩散步的结束,允许你作一修改或变化下面及再模拟。改变Well Drive时间从 220 到200,新的一行将如下: diffus time=200 temp=1200 nitro press=1 next按钮应该可以使用来模拟新的工艺流程。继续这个练习,将再次继续仿真直到gate oxidation阶段. 1.5 明确存贮状态init按钮允许直接移到设计中的
17、前面某一行。要使用这个re-initialization 特征,必须保存一个标准结构文件在有兴趣的行上,或者作为一个history file 或作为一个用户定义标准结构文件保存,在模拟过程中可以使用下面的命令: struct outfile=bpsg_dep.str(标准结构文件应使用.str 作为文件扩展名。) 比如在一个扩散或Monte Carlo模拟步骤,推荐使用struct 命令。当history files 在模拟中保存时,允许自动再初始化后到一个特殊的步骤,它们是瞬态的,且会失去或变的无效。依赖于re-initialize 使用的机构: 1. 使用标准结构文件。 2. 使用历史文件
18、。init 按钮是不相同的。初始化一保存的标准结构文件,保存结构文件名应该在文本编辑窗中选定 。比如,下面的图形显示文件vtadjust.str 就是在文本编辑窗中。 在此处选择 init按钮将导致模拟器被再次初始化到文件被存的此点。而且,在输入文件中的当前的执行点,将被设定到选定的文件点的后面。此行 init infile=vtadjust.str 可以在tty 区中看到, 是当init按钮选定后的执行命令。 使用历史文件的Re-initialization是在 History section中. 使用明确用户Standard Structure file保存功能,我们可以调查Tonyplo
19、t的允许在同一工艺流程中两个不同的点的比较。1.6创建用于比较的两个结构文件1.6.1 存贮文件创建在这部分中将使用Tonyplot创建两个结构文件用于比较。对于这个例子,调整注入工艺步骤前后的Vt结构文件进行比较。我们将通过启动输入设计来开始。我们不必再次做设计的完全模拟到 gate oxidation 工艺步(在一个更为现实的模型中,可能花更长的一段时间),所以我们将在做修改之前,从history到初始化到此点,就是gate oxidation 之前。选择下面的文本并按init来再次初始化到牺牲的氧化层带处,如下所示: 现在我们处在修改输入设计的位置是在此点之后。下面的两条语句指明在Vt调
20、整来注入的前后存贮两个Standard Structure files: struct outf=gateoxide.str struct outf=vtimplant.str 可以通过在正确的行上直接输入到文本编辑窗中: 现在这次模拟可以继续直到在poly沉积前的这行。这样将模型两个附加的行,从而在牺牲的氧化带之后启动。为了这样做,选择next 按钮几次直到下面一行: struct outf=vtimplant.str 被执行。 在此处,两个Standard Structure files被存到你当前的工作目录,名字如下: gateoxide.str vtimplant.str 1.6.2文
21、件交叠两个 structure files存贮后,它们可以被加载到Tonyplot中并被交叠以进行比较。 Tonyplot 允许达128 图加载到一个进程。这些图中的任何一个均可轻易的交叠。若加载文件到Tonyplot,从File中下拉菜单中选择Load Structure . 项。这将创建一个可能被加载的文件菜单: 如果一直跟着练习,两个文件(gateoxide.str and vtimplant.str) 应该存在你的当前目录中,且显示可能被加载进Tonyplot 中文件中。显示在Tonyplot屏中的每一个图均可选择。如果一个图被选定,将会被一个的白色框围绕,如下图所示: 图的选定及取消
22、可通过点击鼠标的中间键来控制。在此阶段,你会试图选定及取消图,作为一个简单的练习。现在交叠两个图: 选定两个图。 然后选择Tonyplot的View菜单下的Make overlay项. 在此之后,第三个交叠的图会出现。 1.7 运行MOS工艺程序的第二部分在观察完栅氧化步骤后,就可以仿真到输入文件的最后一部分。工艺模拟的后半部分将花费更多的CPU时间,在多晶硅刻蚀后结构变为非平面时。在工艺流程中Athena 会自动的转换到2-D 模拟方式。这一次不再用 next 按钮,我们用stop功能来使模拟到兴趣点。 1.7.1 Stop At 功能stop定义了命令流中的一个位置,此处模拟器会停止。如果
23、run 按钮或cont 按钮被选定,模拟器将执行下去到stop点并等待。在Deckbuild 文本编辑区,选定/亮显几个你想中断的行的字符,在此处的输入行中aluminum 选定了。 从模拟器面板中选择stop按钮会在这行设定一个停止。stop: 行将在面板上显示也会更新来表明相应的行号。一个停止点可通过clear按钮清除。既然一个stop点已经设定了,选择cont按钮。当模拟器运行时你应查看一下Athena执行的命令及产生的信息。 这将使得Deckbuild发送给Athena 命令行来预设stop点,之后在此步骤前暂停模拟。按 next 按钮几次以确保模拟器在定义了stop点后会直接包括金属
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