集成电路工艺项目实训报告任务书.docx

1、集成电路工艺项目实训报告任务书目录第一章 Silvaco TCAD软件的基本知识与使用 21.1 Silvaco TCAD软件的基本知识 21.2 Silvaco TCAD软件的使用 21.3 Silvaco TCAD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 42.1 NMOS的基本结构 42.2 NMOS的工艺流程 42.3 NMOS的工作原理 5第三章 NMOS工艺、器件仿真流程 73.1 工艺仿真流程 73.2 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 Silvaco TCAD软件的基本知识与使用1.1 Sil

2、vaco TCAD软件的基本知识TCAD就是Technology Computer Aided Design，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

3、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Analog DesignFlow给IC设计业者。产品SmartSpi

4、ce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。1.2 Silvaco TCAD软件的使用Silvaco TCAD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

5、) 快速器件仿真(Mercury)1.3 Silvaco TCAD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2.1 NMOS的基本结构NMOS（Negative channel-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

6、，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

7、。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2100K。2.2 NMOS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

8、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。2.3 NMOS的工作原理（1）vGS对iD及沟道的控制作用 vGS=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iD0。 vGS0 的情况若vGS0，则栅极和衬底之间

9、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

10、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vGSVT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=vGSvDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDSvGSVT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加

11、到使VGD=vGSvDS=VT(或vDS=vGSVT)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、8e1

12、4cm-2#p-well implantimplant boron dose=8e12 energy=100 pears2.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IV特性8e10cm-28e12cm-28e14cm-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Vth8e10cm-20.47024128.68441694.312.35675e180.3380918e12cm-20.17535828.88512161.123.96014e180.5942628e14cm-20.09102929.

13、8586106561.94421e182.85095 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#gate oxide grown here:-diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3Time分别改为6 11 12 提取参数 参数条件time结深Xj/（um）

14、N+区方块电阻1dd区方块电阻沟道表面浓度Vth 60.18140529.31662044.893.96374e160.390134 110.17535828.88512161.123.96014e160.594262 120.17425928.78792175.063.98136e160.630866 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Time6Time11Time12 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

15、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#vt adjust implant （implant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson阈值电压调整的注入剂量分别为 9.5e9 9.5e11 9.5e13 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9.5e99.5e119.5e13 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Vth9.5e9 0.09105229.854210258.31.9108e182.

16、820039.5e11 0.09102929.8586106561.94421e182.850959.5e130.08909730.35831.20e116.44417e184.69053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

17、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

18、，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 Silvaco TCAD 学习资料 附录：原程序go athena # 启动仿真器# # 定义网格line x loc=0.0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01 #line

19、y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15 #init orientation=100 c.phos=1e14 space.mul=2 # 衬低初始化#pwell formation including masking off of the nwell#diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3 #etch oxide thick=0.02#P-well Implant# implant boron

20、 dose=8e12 energy=100 pears # 定义离子注入阱浓度#diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3 # 扩散 气流变化#N-well implant not shown -# welldrive starts herediffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3 #扩散 改变温度#diffus time=220 temp=1200 nitro press=1 #扩散 改变温度#diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro

21、press=1 #扩散 改变温度#etch oxide all#sacrificial cleaning oxidediffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3 #扩散 氧化#etch oxide all#gate oxide grown here:-diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3 #扩散 氧化# Extract a design parameter extract name=gateox thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.05#vt adjust i

22、mplant implant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson # 定义离子注入阱浓度#depo poly thick=0.2 divi=10 #淀积聚乙烯0.2um 纵向10个网格#from now on the situation is 2-D#etch poly left p1.x=0.35#method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0#implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 pearson #离子注入#depo oxide thick=

23、0.120 divisions=8 #淀积二氧化硅0.120um 纵向8个网格#etch oxide dry thick=0.120 # #淀积二氧化硅0.120um #implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson #method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0# pattern s/d contact metal etch oxide left p1.x=0.2 # 刻蚀deposit alumin thick=0.03 divi=2 # 淀积铝 0.03um 2个网格e

24、tch alumin right p1.x=0.18# Extract design parameters# extract final S/D Xjextract name=nxj xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1 #抽取仿真结果 结深# extract the N+ regions sheet resistanceextract name=n+ sheet rho sheet.res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1 # 抽取仿真结果 方块电阻# extra

25、ct the sheet rho under the spacer, of the LDD regionextract name=ldd sheet rho sheet.res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1 # 抽取仿真结果 ldd区方块电阻# extract the surface conc under the channel.extract name=chan surf conc surf.conc impurity=Net Doping material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.

26、45 #抽取仿真结果 沟道表面浓度# extract a curve of conductance versus bias.extract start material=Polysilicon mat.occno=1 bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45 #抽取仿真结果 多晶硅浓度extract done name=sheet cond v bias curve(bias,1dn.conduct material=Silicon mat.occno=1 region.occno=1) outfile=extract.dat# extract

27、 the long chan Vtextract name=n1dvt 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49 #抽取仿真结果 长沟阈值电压1dvtstructure mirror right # 对结构做镜像electrode name=gate x=0.5 y=0.1 # 定义电极名称和位置 栅electrode name=source x=0.1 # 定义电极名称和位置 源electrode name=drain x=0.9 # 定义电极名称和位置 漏electrode name=substrate backside # 基板的背面structure

28、outfile=mos0.str # 保存结构到文件# plot the structuretonyplot mos0.str # 显示当前结构# Vt Test : Returns Vt, Beta and Theta #go atlas# set material modelsmodels cvt srh print # cvt 迁移模型 srh 复合模型contact name=gate n.poly # 栅电压interface qf=3e12method gummel newton # 基本的漂移-扩散计算solve init # 所有电极电压加0v# Bias the drain

29、solve vdrain=0.1 # 漏电压为0.1v# Ramp the gatelog outf=mos0ex01_1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gate #栅电压范围0-3v每步0.25save outf=mos0ex01_1.str #保存# plot resultstonyplot mos0ex01_1.log # 显示当前结构# extract device parametersExtract name=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extract name=nbeta slope(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) # 抽取仿真结果 * (1.0/abs(ave(v.drain)extract name=ntheta (max(a