集成电路工艺项目实训报告任务书.docx

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集成电路工艺项目实训报告任务书

目录

第一章SilvacoTCAD软件的基本知识与使用2

1.1SilvacoTCAD软件的基本知识2

1.2SilvacoTCAD软件的使用2

1.3SilvacoTCAD软件的主要组件3

第二章NMOS基本结构、工艺流程及工作原理4

2.1NMOS的基本结构4

2.2NMOS的工艺流程4

2.3NMOS的工作原理5

第三章NMOS工艺、器件仿真流程7

3.1工艺仿真流程7

3.2参数不同时工艺和器件结果分析7

第四章实训总结11

参考文献：

12

附录：

原程序13

第一章SilvacoTCAD软件的基本知识与使用

1.1SilvacoTCAD软件的基本知识

TCAD就是TechnologyComputerAidedDesign，指半导体工艺模拟以及器件模拟工具，世界上商用的TGAD工具有Silvaco公司的Athena和Atlas，Synopsys公司的TSupprem和Medici以及ISE公司（已经被Synopsys公司收购）的Dios和Dessis。

Synopsys公司最新发布的TCAD工具命名为Sentaurus。

Silvaco名称是由三部分组成的，即“Sil”，“va”和“co”，从字面上不难理解到时“硅”，“谷”和“公司”英文单词的前几个字母的组合。

Silvaco的中文名称叫矽谷科技公司。

来自美国的矽谷科技公司经过20多年来的成长与发展，现已成为众多领域卓有建树的EDA公司，包括TCAD工艺和器件模拟、Spice参数提取、高速精确电路仿真、全定制IC设计与验证等。

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客户群。

现今，Silvaco已在全球设立了12间分公司以提供更好的客户服务和合作机会。

Silvaco是现今市场上唯一能够提供给Foundry最完整的解决方案和IC软件厂商。

提供TCAD，Modelling以及EDA前端和后端的支持，也能提供完整的AnalogDesignFlow给IC设计业者。

产品SmartSpice是当今公认的模拟软件的黄金标准，因为支持多集成CPU的SmartSpice的仿真速度比起同类型软件更好，它是国外模拟设计师的最爱：

SmartSpice的收敛性也被公认为仿真器最好的。

1.2SilvacoTCAD软件的使用

SilvacoTCAD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。

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。

SilvacoTCAD平台包括：

工艺仿真（ATHENA）

器件仿真（ATLAS）

快速器件仿真（Mercury）

1.3SilvacoTCAD软件的主要组件

（1）.DeckBuild

（2）.TonyPlot可视化工具

（3）.ATHENA

（4）.ATLAS

（5）.DevEdit2D/3D结构和Mesh编辑器

（6）.掩膜输出编辑器

第二章NMOS基本结构、工艺流程及工作原理

2.1NMOS的基本结构

NMOS（Negativechannel-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（提供大量可以动空穴）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。

NMOS集成电路是N沟道MOS电路，NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此，CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。

NMOS集成电路大多采用单组正电源供电，并且以5V为多。

CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集成电路直接连接。

不过，从NMOS到CMOS直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平，因而需要使用一个（电位）上拉电阻R，R的取值一般选用2～100KΩ。

2.2NMOS的工艺流程

a.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；

b.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；

c.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；

d.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成源区和漏区了；

e.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；

f.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MOS管的互连。

2.3NMOS的工作原理

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

①vGS=0的情况

增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。

当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

②vGS>0的情况

若vGS>0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。

电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。

这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴：

使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层。

吸引电子：

将P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。

（2）导电沟道的形成

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏—源极之间仍无导电沟道出现，。

vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1（c）所示。

vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。

开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS

只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。

这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。

沟道形成以后，在漏—源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。

（3）vDS对iD的影响

当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。

但当vDS较小（vDS

随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT（或vDS=vGS－VT）时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2（b）所示。

再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2（c）所示。

由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。

第三章NMOS工艺、器件仿真流程

3.1工艺仿真流程

（1）创建一个初始结构

（2）定义初始衬底参数

（3）运行ATHENA

（4）工艺步骤

（5）抽取特性

（6）结构操作

（7）Tonyplot显示

3.2参数不同时工艺和器件结果分析

1.分析不同阱浓度时方块电阻、结深等的变化

阱的浓度分别为8e10cm-2、8e12cm-2、8e14cm-2

#p-wellimplant

implantborondose=8e12energy=100pears

2.改变阱浓度所得器件结构及曲线

3.21图改变阱浓度所得器件结构及曲线

参数

条件

器件剖面图

栅极特性曲线

输出I—V特性

8e10cm-2

8e12cm-2

8e14cm-2

提取的参数

参数

条件

结深Xj/（um）

N++区方

块电阻

1dd区方

块电阻

沟道表面浓度

Vth

8e10cm-2

0.470241

28.6844

1694.31

2.35675e18

0.338091

8e12cm-2

0.175358

28.8851

2161.12

3.96014e18

0.594262

8e14cm-2

0.091029

29.8586

10656

1.94421e18

2.85095

3.22表提取的参数

根据图表3.21、3.22得，当阱浓度增加时结深而越来越小，N++区方块电阻缓慢增加，LDD区方块电阻快速增加，沟道表面浓度先增加后减小，阈值电压增加。

8e10cm-2到8e12cm-2栅极特性曲线，I---V特性曲线变化不大，缓慢增加，而增加到8e14cm-2是变化很大。

3.改变栅氧化层厚度对阈值电压的影响

#gateoxidegrownhere:

-

diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3

Time分别改为61112

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

6

0.181405

29.3166

2044.89

3.96374e16

0.390134

11

0.175358

28.8851

2161.12

3.96014e16

0.594262

12

0.174259

28.7879

2175.06

3.98136e16

0.630866

3.31表提取参数

参数

条件

器件剖面图

栅极特性曲线

输出的I-V特性

Time6

Time11

Time12

3.32图改变源/漏浓度所得的器件结构及曲线

根据图表3.31、3.32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。

栅极特性曲线、I---V特性曲线随时间增加变化不大。

4、改变调整阈值电压的注入浓度的影响

#vtadjustimplant（

implantborondose=9.5e11energy=10pearson

阈值电压调整的注入剂量分别为9.5e99.5e119.5e13

3.41图改变阈值电压调整注入浓度所得的器件结构及曲线

参数

条件

器件剖面图

栅极特性曲线

输出的I-V特性

9.5e9

9.5e11

9.5e13

3.42表提取参数

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

9.5e9

0.091052

29.8542

10258.3

1.9108e18

2.82003

9.5e11

0.091029

29.8586

10656

1.94421e18

2.85095

9.5e13

0.089097

30.3583

1.20e11

6.44417e18

4.69053

根据图表3.41、3.42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。

第四章实训总结

在这次的实训中，学到了一种新的仿真软件，通过老师给我们的SilvacoTCAD软件和SilvacoTCAD_WIN版学习资料，进行了预习，对SilvacoTCAD的基本操作流程有了一定的了解，并最后自己动手完成后知道怎样画mos版图，

本次实训最大的收获是掌握了NMOS晶体管的基本工艺流程，要利用软件对其进行仿真，首先要做的是工艺仿真，然后是器件仿真，最后修改工艺参数，看看有哪些变量对实验结果影响比较大。

在实训中也遇到许多困难，特别刚拿到资料时对这个软件很陌生，完全不知道该如何下手。

实训过程中抽取的参数怎么也提不出来，同学之家然后就互相讨论互相研究，一起熟悉原程序并且掌握它的要领，最后终于改出来了，得到了数据以及图形，做出来的感觉甚是欢喜。

这次的实训不仅让我学到了知识，还懂得了做事不能马虎，特别是在做实验仿真这块，心急吃不了热豆腐，只有一丝不苟，认真了解规则并且亲手操作，才能领悟到实验的乐趣以及得到成功的喜悦。

同学之间团结合作，共同探讨，也是一种有效的学习方法。

总之，这次的实训我学会了好多。

参考文献：

1.SilvacoTCAD_WIN版学习资料

2.XX文库（

3.南通大学实验报告册

4.半导体仿真工具SilvacoTCAD学习资料

附录：

原程序

goathena#启动仿真器

##定义网格

linexloc=0.0spac=0.1

linexloc=0.2spac=0.006

linexloc=0.4spac=0.006

linexloc=0.6spac=0.01

#

lineyloc=0.0spac=0.002

lineyloc=0.2spac=0.005

lineyloc=0.5spac=0.05

lineyloc=0.8spac=0.15

#

initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2#衬低初始化

#pwellformationincludingmaskingoffofthenwell

#

diffustime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3

#

etchoxidethick=0.02

#

#P-wellImplant

#

implantborondose=8e12energy=100pears#定义离子注入阱浓度

#

diffustemp=950time=100weto2hcl=3#扩散气流变化

#

#N-wellimplantnotshown-

#

#welldrivestartshere

diffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3#扩散改变温度

#

diffustime=220temp=1200nitropress=1#扩散改变温度

#

diffustime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1#扩散改变温度

#

etchoxideall

#

#sacrificial"cleaning"oxide

diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3#扩散氧化

#

etchoxideall

#

#gateoxidegrownhere:

-

diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3#扩散氧化

#

#Extractadesignparameter

extractname="gateox"thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.05

#

#vtadjustimplant

implantborondose=9.5e11energy=10pearson#定义离子注入阱浓度

#

depopolythick=0.2divi=10#淀积聚乙烯0.2um纵向10个网格

#

#fromnowonthesituationis2-D

#

etchpolyleftp1.x=0.35

#

methodfermicompress

diffusetime=3temp=900weto2press=1.0

#

implantphosphordose=3.0e13energy=20pearson#离子注入

#

depooxidethick=0.120divisions=8#淀积二氧化硅0.120um纵向8个网格

#

etchoxidedrythick=0.120##淀积二氧化硅0.120um

#

implantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson

#

methodfermicompress

diffusetime=1temp=900nitropress=1.0

#

#patterns/dcontactmetal

etchoxideleftp1.x=0.2#刻蚀

depositaluminthick=0.03divi=2#淀积铝0.03um2个网格

etchaluminrightp1.x=0.18

#Extractdesignparameters

#extractfinalS/DXj

extractname="nxj"xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1#抽取仿真结果结深

#extracttheN++regionssheetresistance

extractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1#抽取仿真结果方块电阻

#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion

extractname="lddsheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"\

mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1#抽取仿真结果ldd区方块电阻

#extractthesurfaceconcunderthechannel.

extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"\

material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45#抽取仿真结果沟道表面浓度

#extractacurveofconductanceversusbias.

extractstartmaterial="Polysilicon"mat.occno=1\

bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45#抽取仿真结果多晶硅浓度

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#抽取仿真结果长沟阈值电压1dvt

structuremirrorright#对结构做镜像

electrodename=gatex=0.5y=0.1#定义电极名称和位置栅

electrodename=sourcex=0.1#定义电极名称和位置源

electrodename=drainx=0.9#定义电极名称和位置漏

electrodename=substratebackside#基板的背面

structureoutfile=mos0.str#保存结构到文件

#plotthestructure

tonyplotmos0.str#显示当前结构

#############VtTest:

ReturnsVt,BetaandTheta################

goatlas

#setmaterialmodels

modelscvtsrhprint#cvt迁移模型srh复合模型

contactname=gaten.poly#栅电压

interfaceqf=3e12

methodgummelnewton#基本的漂移-扩散计算

solveinit#所有电极电压加0v

#Biasthedrain

solvevdrain=0.1#漏电压为0.1v

#Rampthegate

logoutf=mos0ex01_1.logmaster

solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gate#栅电压范围0-3v每步0.25

saveoutf=mos0ex01_1.str#保存

#plotresults

tonyplotmos0ex01_1.log#显示当前结构

#extractdeviceparameters

Extractname="nvt"（xintercept（maxslope（curve（abs（v."gate"）,abs（i."drain"））））\

-abs（ave（v."drain"））/2.0）#抽取仿真结果阈值电压

extractname="nbeta"slope（maxslope（curve（abs（v."gate"）,abs（i."drain"））））\#抽取仿真结果

*（1.0/abs（ave（v."drain"）））

extractname="ntheta"（（max（a