集成电路工艺项目实训报告.docx
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集成电路工艺项目实训报告
集成电路工艺项目实训报告
第一章SilvacoTCAD软件....................................................................................2
1.1SilvacoTCAD软件概述................................................................................................2
1.2Athena工艺仿真流程....................................................................................................2
1.3ATLAS器件仿真器概述..................................................................................................2
第二章NMOS管介绍..................................................................................................3
2.1NMOS管的基本结构........................................................................................................3
2.2NMOS管的工作原理........................................................................................................3
2.3NMOS器件仿真器的基本工艺流程................................................................................3
第三章NMOS实训仿真............................................................................................4
3.1器件仿真剖面图及其参数提取.....................................................................................4
3.1.1器件剖面图.........................................................................................................4
3.1.2抽取器件参数提取.............................................................................................4
3.2栅极特性曲线输出以及I/V输出曲线.........................................................................6
3.2.1栅极特性曲线.....................................................................................................6
3.2.2I/V输出曲线......................................................................................................6
3.3参数变化对器件的影响....................................................................................................7
3.3.1改变阱浓度所得器件结构及曲线........................................................................7
3.3.2改变快速热退火温度的影响................................................................................8
3.3.3改变调整阈值电压的注入浓度的影响................................................................8
3.3.4改变源/漏浓度所得的器件结构及曲线............................................................10
3.4参数对器件影响实验结论..............................................................................................11
第四章实训总结.....................................................................................................12
附录：
.........................................................................................................................13
1.剖面图程序.........................................................................................................................13
2.输出栅极特性曲线.............................................................................................................16
3.输出曲线组.........................................................................................................................17
参考文献.....................................................................................................................18
1
第一章SilvacoTCAD软件
1.1SilvacoTCAD软件概述
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）。
1.2Athena工艺仿真流程
图1-1Athena工艺仿真流程
1.3ATLAS器件仿真器概述
图1-2ATLAS器件仿真器概述
2
第二章NMOS管介绍
2.1NMOS管的基本结构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。
2.2NMOS管的工作原理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绝缘层便产生一个电场。
电场方向垂直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。
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。
vGS越大，作用半导体表面的电场就越强，吸引P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。
2.3NMOS器件仿真器的基本工艺流程
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.用高质量氧化物薄膜覆盖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，这样可以在其上面形成源区和漏区了。
e.通过扩散或离子注入方式，整个硅表层就会被高浓度的杂质所掺杂，形成源区和漏区。
用一层SiO2绝缘层覆盖整个表面对绝缘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。
3
第三章NMOS实训仿真
3.1器件仿真剖面图及其参数提取
3.1.1器件剖面图
图3-1器件剖面图
3.1.2抽取器件参数提取
a.抽取结深：
Extractname=“nxj”xj
siliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1
b.N++源/漏极薄层电阻
Extractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"
mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1
4
c.测量沟道阈值电压
Extractname="n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49
在这条extract语句中，1dvt指测量一维阈值电压；ntype指器件类型；x.val=0.49为器件沟道内一点；qss=1e10指浓度为1e10cm-3的表面态电荷；vb=0.0栅极偏置0V。
d.沟道表面掺杂浓度
Extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"\
material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45
e.Idmax
Extractmaxcurrentandsaturationslope
参数如下:
表3-1提取参数表
5
3.2栅极特性曲线输出以及I/V输出曲线
3.2.1栅极特性曲线
图3-2栅极特性曲线
3.2.2I/V输出曲线
令栅极的电压不断地增加，形成3组I/V输出曲线组如下图：
solvevgate=1.1outf=solve_tmp1
solvevgate=2.2outf=solve_tmp2
solvevgate=3.3outf=solve_tmp3
loadinfile=solve_tmp1
logoutf=nmos1_1.log
solvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.3从load到solve语句为止的语组会生成Vgs=1.1V时的Id-Vds曲线数据。
如果要生成Vgs=2.2V，Vgs=3.3V时的Id-Vds曲线数据，只要重复这三个语句即可。
为画出曲线族，用如下语句：
tonyplot-overlay-stmos1ex02_1.logmos1ex02_2.logmos1ex02_3.log
此语句overlay指在一张图中含盖三个plot文件。
图3-3I/V输出曲线
6
3.3参数变化对器件的影响
图3-4阱浓度对器件的影响
表3-2阱浓度改变对器件参数的变化表
7
图3-5改变快速热退火温度的影响表3-3改变快速热退火温度对器件参数的变化表
3.3.3改变调整阈值电压的注入浓度的影响
8
图3-6改变调整阈值电压的注入浓度的影响表3-4改变调整阈值电压的注入浓度对器件参数的变化表
9
3.3.4改变源/漏浓度所得的器件结构及曲线
图3-7改变源/漏浓度所得的器件结构及曲线
表3-5改变源/漏浓度对器件参数的变化表
10
3.4参数对器件影响实验结论
表3-6参数对器件影响实验结论
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第四章实训总结
这一次的实训主要是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。
刚开始的时候，主要是编写程序，利用老师给的资料我查到了许多的程序，然后进行运行，最后会出现工艺仿真的剖面图。
后来我们要做的就是利用修改工艺参数看看哪些参数影响器件，对此，我需要做两组图，一个是栅极特性曲线，还有一个是输出组特性曲线，最后由vgate分别输入三组数据，得到三条曲线图。
solvevgate=1.9outf=solve_tmp1
solvevgate=2.9outf=solve_tmp2
solvevgate=3.9outf=solve_tmp3
loadinfile=solve_tmp1
logoutf=nmos1_1.log
solvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.3从load到solve语句为止的语句组会生成Vgs=1.1V时的Id-Vds曲线数据。
如果要生成Vgs=2.2V，Vgs=3.3V时的Id-Vds曲线数据，只要重复这三个语句即可。
为画出曲线族，用如下语句：
tonyplot-overlay-stmos1ex02_1.log
os1ex02_2.logmos1ex02_3.log此语句overlay指在一张图中含盖三个plot文件。
从这次实验中，我学到了如何使用软件对工艺器件进行仿真，并且对NMOS管有了更深一步的了解，掌握基本noms工艺流程，熟练的了解了氧化、离子注入与扩散工艺，使用Silvaco软件进行模拟以及如何在TCAD环境下进行moms工艺流程模拟。
会应用Silvaco软件提取MOS晶体管的各种参数，以及不同工艺组合对moms晶体管的阈值电压、薄层电阻等电学参数的影响。
对我以后的工作打下了坚实的基础。
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附录：
1.剖面图程序
goathena
#定义网格X
linexloc=0spac=0.1
linexloc=0.2spac=0.006
linexloc=0.4spac=0.006
linexloc=0.5spac=0.01
#定义网格Y
lineyloc=0.00spac=0.002
lineyloc=0.2spac=0.005
lineyloc=0.5spac=0.05
lineyloc=0.8spac=0.15
#<100>Orientation初始硅的100晶向,P型衬底
initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2
#pwellformationincludingmaskingoffofthenwell
#GateOxidation栅氧化
diffusetime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3
etchoxidethick=0.02
#P-wellImplant
implantborondose=8e12energy=100pears
diffusetemp=950time=100weto2hcl=3
#N-wellimplantnotshown
#welldrivestartshere
diffusetime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3diffusetime=220temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1diffusetime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1
etchoxideall
#sacrificial"cleaning"oxide
diffusetime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3
etchoxideall
#gateoxidegrownhere
diffusetime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3
#Extractadesignparameter
extractname="gateox"thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.5#vtadjustimplant阈值电压调整注入
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implantborondose=9.5e11energy=10pearson
depopolythick=0.2divi=10
#fromnowonthesituationis2-D
#栅刻蚀
etchpolyleftp1.x=0.35
#多晶硅氧化
methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=1.0
#多晶掺杂
implantphosphordose=3.0e13energy=20pearson
depooxidethick=0.120divisions=8
etchoxidedrythick=0.120
implantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson
methodfermicompress
diffusetime=1temp=900nitropress=1.0
#patterns/dcontactmetal
etchoxideleftp1.x=0.2
depositaluminthick=0.03divi=2
etchaluminrightp1.x=0.18
#Extractdesignparameters
#extractfinalS/DXj
#抽取结深参数
extractname="nxj"xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1#抽取方块电阻参数
#extracttheN++regionssheetresistance
extractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"\mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1
#抽取Idd电阻参数
#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregionextractname="lddsheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"\mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1
#抽取沟道表面浓度参数
#extractthesurfaceconcunderthechannel.
extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"\material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45
#extractacurveofconductanceversusbias.
extractstartmaterial="Polysilicon"mat.occno=1\
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bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45
extractdonename="sheetcondvbias"\
curve（bias,1dn.conductmaterial="Silicon"mat.occno=1region.occno=1）\outfile="extract.dat"
#抽取沟道阈值电压
#extractthelongchanVt
extractname="n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49
structuremirrorright
electrodename=gatex=0.5y=0.1
electrodename=sourcex=0.1
electrodename=drainx=0.9
electrodename=substratebackside
structureoutfile=mos0.str
#plotthestructure
tonyplotmos0.str
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2.输出栅极特性曲线
#输出特性曲线部分
goatlas
meshinfile=mos0.str
#setmaterialmodels
mod
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