Silvaco TCAD基CMOS器件仿真毕业设计.docx

1、Silvaco TCAD基CMOS器件仿真毕业设计Silvaco TCAD基CMOS器件仿真毕业设计1 引言 11.1 MOSFET的发展 11.2 TCAD的发展 32 MOSFET的基本构造及工作原理 42.1 MOSFET的基本原理及构造 42.2 MOSFET的基本工作原理 52.3 MOSFET的特性 93 TCAD工具的构成、仿真原理、仿真流程及仿真结果 113.1 TCAD工具的结构与仿真原理 113.2 用TCAD工具仿真NMOS的步骤 113.3 TCAD工具的仿真结果 154 结论 16谢辞 17参考文献 19附录 21正文：1 引言在当今时代，集成电路发展十分迅猛，其工艺

2、的发杂度不断提高，开发新工艺面临着巨大的挑战。传统的开发新工艺的方法是工艺试验，而现在随着工艺开发的工序细化，流片周期变长，传统的方法已经不能适应现在的需要，这就需要寻找新的方法来解决这个问题。幸运的是随着计算机性能和计算机技术的发展，人们结合所学半导体理论与数值模拟技术，以计算机为平台进行工艺与器件性能的仿真。现如今仿真技术在工艺开发中已经取代了工艺试验的地位。采用TCAD仿真方式来完成新工艺新技术的开发，突破了标准工艺的限制，能够模拟寻找最合适的工艺来完成自己产品的设计。此外，TCAD仿真能够对器件各种性能之间存在的矛盾进行同时优化，能够在最短的时间以最小的代价设计出性能符合要求的半导体器

3、件。进行新工艺的开发，需要设计很多方面的容，如：进行器件性能与结构的优化、对器件进行模型化、设计进行的工艺流程、提取器件模型的参数、制定设计规则等等。为了设计出质量高且价格低廉的工艺模块，要有一个整体的设计目标，以它为出发点将工艺开发过程的各个阶段进行联系，本着简单易造的准则，系统地进行设计的优化。TCAD支持器件设计、器件模型化和工艺设计优化，使得设计思想可以实现全面的验证。TCAD设计开发模拟是在虚拟环境下进行的，缩短了开发周期，降低了开发成本，是一条高效低成本的进行新工艺研究开发的途径。TCAD软件拥有FAB虚拟系统，借助它可以完成器件的设计、器件模型的参数提取和其他各个工艺开发的步骤。

4、TCAD的应用使得开发新工艺不用受到冗长的工艺制造周期和资金投入的限制，开发条件简单快捷，使得无生产线的公司也有机会参与到工艺开发中来，根据特定特点为自己的产品进行量身定做特定的工艺。在实际生产中，TCAD还可用来进行工艺监测，可以发现工艺过程中出现的问题，提高产品的成品率。1.1 MOSFET的发展自从晶体管发明以来，电子器件与社会得到了迅猛的发展。1906年，德福雷斯特（Lee de Forest）发明了真空三极管，并把专利卖给了AT&T，使其业务有了大幅度的提升，他被誉为真空三极管之父。但是随着社会的发展，真空三极管对信号放大的可靠性差、能量消耗和热量产生多等缺点暴露了出来，真空三极管已

5、经不能满足人们的需要。1930年，默文凯利（Mervin Kelly）作为贝尔实验室的领导者清楚的知道，要支撑AT&T的业务，就必须研发一种新的器件，一种依赖于半导体材料的器件。1939年2月，拉塞尔欧勒（Russell Ohl）拿一个带有缝隙的硅晶来研究有多大的电流可以通过缝隙，他发现这个缝隙只允许电流单向导通，另外方向电流几乎为零，在导电缝隙的地方还能够发光。正是这个发现产生了对半导体器件至关重要的PN结。1942年，西摩尔本泽（Seymour Benzer）发现锗单晶具有其他半导体所不具备的非常好的整流特性。1945年，二战结束后，默文凯利任命威廉肖克利（William Shockley

6、）与斯坦利摩根（Stanley Morgan）共同领导一个固体物理研究组，主要任务是研制一种新的电子器件用来取代真空三极管。当时，高纯的锗单晶引起了普遍的关注，肖克利也将注意力投向了锗单晶，同时提醒大家关注。他提出了一种新概念的器件，即利用一个强电场使半导体表面产生一种电流，通过控制电场的强度来调节半导体表面电流大小的器件，也就是现在的场效应器件。1947年圣诞节前夕，肖克利演示了一个命名为“晶体管（transistor）”的小原型器件给贝尔实验室的几个同僚，,他将一个n型锗单晶放置在金属板上，在单晶上形成一个P反型层，将一个塑料楔子放在反型层上，用金箔包住楔子并切开连接处并固定，以确保金箔间

7、的缝隙非常的小。点接触晶体管的发明在人类微电子行业具有无比重大的意义，它由肖克利发明，并获得了第一个晶体管专利。但是肖克利制造的晶体管有很多缺点，比如它的噪声很大，晶体管的电极摇摆不定，制作的时候没有重复性可言。在1948年，肖克利找到了一种全新的方法用来解决这些问题，他将P型半导体和N型半导体堆叠在一起，形成一个三层结构，这个三层结构没两个同型半导体中间会夹杂着另一种半导体，这就形成了npn型和pnp型结构。这种结构相当于两个背靠背的pn结，在两个的半导体可以提供丰富的半导体，中间的半导体则含有很稀少的载流子，成为耗尽层，只要能够控制中间层载流子的数量，就能够控制期间的开关，起到真空管的作用

8、。这种器件电流不在是只流过表面，而是流过器件本体。这对于点接触式晶体管来说是一个很大的进步。于是肖克利命令课题组的理查德海恩斯（Richard Haynes）、约瑟夫贝克尔和约翰夏夫（John Shive）根据这个理论做了一个实验，当晶体光中间的半导体层非常薄而且非常纯时实验结果与理论惊人的一致。当时在晶体方面有很深研究的戈登深信，理想的晶体管不可能是由很多晶体组成，只能是用一个单晶体来制作，否则的话晶界会产生散射电流。1950年4月，蒂尔和摩根斯帕克斯证明了这个理论，他们在单个的锗晶体上制作了一个双极型晶体管，这种晶体管具有将信号放大的功能。1951年，斯帕克斯想到减小双极晶体管的中心夹层的

9、厚度可能会提过晶体管性能，事实证明他成功了。1952年肖克利根据双极结型晶体管的理论提出了单极结型晶体管，这就是现在我们接触的结型晶体管。由于锗在高温下不能工作，蒂尔在进入仪器公司后一直想解决这个问题，只有征服这个问题才能给晶体管性能进一步提升的空间，否则的话器件工作一段时间后就必须休息，这是很影响效率和可靠性的。终于在1954年蒂尔发明了硅晶体管，硅耐温高，能够在较高的温度下稳定工作，这一发明为晶体管的研究带来了希望。肖克利在1945年就曾经提出过场效应晶体管的概念，即可以加一个强电场来起到控制半导体表面的电流的作用，由于当时普遍使用的是双极型晶体管，他这个想法从来没有付诸行动，也就是说场效

10、应晶体管的器件从来没有实现制造过。而在肖克利离开贝尔实验室之后，贝尔实验室才开始着手做出了第一个场效应晶体管。1959年，贝尔实验室的科学家马丁阿塔拉发现了一个现象，通过热氧化硅表面通过热氧化可以形成一层很好的二氧化硅氧化层。1960年，阿塔拉和实验室科学家大原研究了肖克利的的成效应管的概念。他们在硅上制造了世界上第一个场效应晶体管，而且在参加匹兹堡固体物理器件研究会时宣布了这一消息。1961年，美国无线电公司保罗魏玛通研究组过研究阿塔拉场效应管提出了他们对于开发薄膜晶体管的看法。他们发现，如果将半导体材料蒸镀到绝缘层上来制造晶体管这个想法是能行得通的。这项技术给集成电路的发展带来了生机，它可

11、以使工程师在手指甲盖大小的基片上构筑上千个晶体管，并互联起来形成特定功能。这项重要的发明促使美国无线电公司发明了另一样为集成电路贡献巨大的器件：金属氧化物半导体晶体管，即MOS管。1962年美国无线电公司托马斯斯坦利、弗雷德里克海鳗和史蒂芬霍夫斯坦等人发现，通过扩散和热氧化在硅基板上形成导电带，氧化层，高阻沟道区来构筑晶体管，即MOS管可以形成良好性能的管子。MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）问世于20世纪70年代，是由金属、氧化物以及半导体三种材料制成的器件，是目前应用最广泛的电子器件之一。尽管双极性晶体管在早期

12、半导体集成电子学中处于绝对统治地位，但在如今的大多数应用中，它已逐步被由Si材料制成的MOSFET所取代。与BJT相比，各种MOSFET在反偏结上、在肖特基势垒上或者绝缘层两端都施加有控制电压，因此，其输入阻抗更高。其次，MOSFET特别适合用作可控开关，以实现导通态和关断态的切换，这对数字电路非常有用。最后，MOSFET占用区域小、集成度高、功率低、制作工艺简单，非常适合于制造高密度大规模集成电路，MOSFET的发明对电子行业的发展贡献不可估量。1.2 Silvaco TCAD的发展及应用TCAD全称集成电路工艺和器件的计算机模拟技术，是IC设计工艺和器件特性快速模拟分析的中要工具， 通过T

13、CAD设计和开发半导体器件能够缩短开发周期，节约开发成本，还能够得到工艺试验无法得到的信息。而Silvaco TCAD是如今EDA业界的杰出代表。Silvaco 中文名称是矽谷科技，是有硅（Sil）谷(va)公司(co)英文单词的缩写。矽谷科技总部在美国的加州的圣克拉拉市，公司在美国特拉华州注册。该公司专门给那些模拟混合信号和RF集成电路仿真设计来提供计算机辅助设计。SILVACOTCAD软件领先于很多其他公司的设计软件，让其他供应商难以望其项背。该公司旨在能够提供最优的完整的设计工具流程，专业的服务和专家的支持。1984年最初为SILVACO 数据系统公司（SILVACO Data Syst

14、ems），由Ivan Pesic博士于1984年创立。UTMOST是由它推出的首个产品，该产品成功的迅速的成为业界用于参数提取、器件特性表征和建模的工具的标准。1985年，SILVACO公司推出的SmartSpice系列的产品经过努力成功的进入SPICE电路模拟仿真市场。1987年，公司以新的面貌进入TCAD市场。凭借其杰出的工艺仿真工具ATHENA和器件仿真工具ATLAS，公司至1992年成为市场上主要TCAD供应商。1997年，公司再次开发新的领域：模拟IC CAD市场，其开发的EDA工具被广泛的用于原理图捕捉，版图的设计和DRC、LVS和LPE等验证。2004年 SILVACO将其EDA

15、产品线分离出来，成立了独立于SILVACO的Simucad设计自动化公司（Simucad Design Automation），这使得SILVACO全身心的投入到 TCAD的研发中，为后来一直保持其世界领先地位打下基础。在2009年，SILVACO数据库公司与Simucad设计自动化公司合并，Simucad设计公司更名为矽谷科技。Silvaco公司在美国经过20多年的发展，现在已成为众多EDA公司中很有权威的一个。它涉及的领域很多，如：TCAD工艺器件模拟，高速的精确电路仿真、Spice参数提取、全定制IC设计与验证等。Silvaco公司涉及很多行业，如芯片厂、晶圆厂、IC材料业者、ASIC业

16、者、IC设计企业、大学和研究中心等，在国外拥有庞大的客户群体。Silvaco发展迅猛，至今已在全球设立有12间分公司。Silvaco公司能够提供给Foundry完整的解决方案和IC软件，这是市场上其他供应商无可比拟的。Silvaco能够提供TCAD，Modelling和EDA前端和后端的支持，还能给IC设计师们提供完整的Analog Design Flow。Silvaco的产品SmartSpice十分出色，是公认的模拟软件的标杆，它支持多集成CPU，其仿真速度比同类型软件要好很多，且其收敛性也被公认为是众多仿真器最好的，受国外模拟设计师的喜爱。Silvaco公司还开发了版图设计以及验证工具等，

17、与很多世界知名企业有pdk合作。Silvaco公司是能够提供建模、TCAD、模拟团建以及PDK方案等全功能的EDA公司在2006年正式进入中国市场，他在国外拥有20多年的经验，希望在中国寻求一片发展的天地，为中国市场解决Foundry的问题。2 MOSFET的构造及其基本工作原理2.1 MOSFET的基本构造金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)简称MOSFET。它的核心结构是绝缘体、导体、掺杂的半导体衬底这三种材料叠在一起组成的。 MOS的基本结构MOS晶体管包括 源极（source）、栅极（gate

18、）、漏极（drain），工作时会在栅极下面的半导体表面感应出与原掺杂相反类型的载流子，形成导电沟道，根据导电沟道载流子类型将MOS管分为NMOS和PMOS，称沟道载流子为电子的管子为N管，沟道载流子为空穴的管子为P管。根据栅压为0时的管子的状态又可以分为增强型MOS管和耗尽型MOS管。增强型在外加电压为0时没有导电沟道，管子截止;耗尽型刚好相反，无栅压状态下有导电沟道，管子导通，当给一定的电压条件管子将截止。下面以N管为例具体分析一下MOS管的结构。对于NMOS，它包括有两个n型硅区域中间夹着一个p型硅区域，P型硅区域之上覆盖了一个SiO2绝缘层和一个多晶硅形成的栅极结构。两个N型硅的扩散区通

19、过姆接触与金属导体相连，形成源极和漏极。由于MOS结构是对称的，所以源极区和漏极区没有物理上的差别。在MOS结构中，栅极为控制电极，它通过控制沟道中载流子浓度和沟道宽度来实现控制源极漏极之间沟道中的电流的大小。早期的栅极的材料采用的是铝电极，然而由于采用铝电极座位栅极存在掩膜对准困难、栅极减小受限的问题，现在多采用多晶硅作为栅极导电材料。非掺杂的多晶硅实际上是绝缘体，通过掺杂，其电阻率可在很大的围变化，这也使得自对准工艺得以实现。工艺上实现源极、栅极、漏极等电极位置的自对准，消除了栅源漏之间的套叠，使得MOS管有较好的点穴性能。部工艺完成后，开出接触孔，将栅源漏与外电路连接，实现它相应的功能。

20、2.2 MOSFET的基本工作原理以增强型NMOS为例。 场效应管是场控器件，通过电场的强弱控制电流的大小，栅极电压uGS作为整个器件的开关，起着至关重要的作用。当uGS为0时，不会产生导电沟道，源漏相当于是两个背对背的二极管。源漏电流IDS几乎为零，管子截止，电流相当于二极管的反向电流。当大栅极电压增大时，衬底接地为零电位，栅-衬底之间会形成一个电场，电场强度随uGS的增大而增加。栅极下方的少数载流子电子在电场作用下向上表面聚集。当uGS增大到一定程度，栅极下面会形成耗尽层。继续升高栅极电压，更多电子在沟道区聚集，最终形成反型层，产生以电子为载流子的导电沟道。而形成强反型的最小的电压就叫做阈

21、值电压或开启电压。这时候去过在源漏之间加一个电位差，将有电流通过，即IDS。很容易看出，栅极电压越高，沟道电子浓度也越高，导电效果就越好。2.3 MOSFET的特性当较小时，栅极下面自由电子很少，其浓度取决于工艺制造是的掺杂浓度，少量的自由电子从源区向漏区流动就形成了漏极电流。当我们继续增大，栅极下面电场强度增强，对少数载流子电子的吸引能力增强，越来越多的自由电子会被吸引到栅极下方的沟道区，沟道的宽度增大，载流子浓度增大，导电能力增强，沟道电阻减小。沟道电导与成正比，于是漏极电流与成正比，被称为有效栅-源电压。在未夹断前，与成正比。当较小时，并没有出现夹断现象， N沟道增强型MOSFET的导电

22、沟道可等效为一个线性电阻，其等效电阻阻值大小受控制。由于等于漏极电压减去源极电压，相当于沿源区到漏区导电沟道两端的压降，若假设源区为零电位，则漏区电位为uDS，电压由0V增大到。因此以栅极为参考点，沟道中各点的电位相当于由源端的到漏端 的，因此，沟道中载流子浓度和沟道的深度取决于电压。 当是大于开启电压的一个确定值时，在漏-源之间加正向电压，将有沟道电流IDS产生。当源漏电压较小时，源漏电流随增大而线性增大，沟道宽度从源极到漏极逐渐变小；若继续增大到使 时，沟道在漏极一侧出现夹断点，我们称为预夹断；若继续增大，夹断区将随源漏电压的增大而随之延长，增大的源漏电流全部用来克服夹断区对电子流动的阻力

23、。此后，管子进入恒流区，几乎不因的增大而变化，漏极电流几乎仅决定于。如图，可清楚的看出饱和区iD与uGS的关系：3 用TCAD工具对MOSFET进行仿真的原理、步骤及结果 3.1 TCAD工具的结构及仿真原理Silvaco TCAD 由许多组件和部模块构成其强大的功能。其中包括交互式工具deckbuild和tonyplot，工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit。在下面的容，我们将详细介绍一下各个组件的结构和原理：3.1.1 DeckBuild所有仿真组件的工作全部基于deckbuild界面，通过deckbuild调用之后启动组件才可进行各个步骤的仿真。例如

24、，我们首先由ATHENA或DECKBUILD生成器件结构模型，包括器件尺寸、结构、注入情况、淀积刻蚀等各个信息都包括在器件模型中；再由ATLAS对器件特性进行仿真，测得想要测的器件的特性，最后把结果用Tonyplot2D或3D进行显示输出。DeckBuild 有很过特性功能，如下：输入并编辑仿真文件查看和控制仿真输出自动切换仿真器件优化工艺，快速获得仿真参数抽取仿真特性提供对结构的图像输出提取器件仿真的结果中SPICE模型的参数下面是各个仿真组件通过DeckBuild 环境相互联系组织的仿真流程3.1.2 TonyplotTonyPlot功能非常强大，由TCAD仿真生成的一二维结构都可以通过T

25、onyPlot显示出来。另外，TonyPlot还具有标签，缩放，平移等可视化特性。TonyPlot除了可以显示器件的一维、二维、三维结构，还可以显示器件的几何、材料、电学、光学、热学等信息。Tonyplot除了可以将仿真结果导出为图片形式外，也可将器件结构中的信息直接导出，让用户可以更清楚的获得和处理仿真数据。此外，为了方便形象的观察个工艺效果，Tonyplot还可将工艺的图像结果制作成动画形式供用户观看。像矢量流的标记动画、日志文件 或全定制TCAD 专用色彩样式、一维数据文件的整合、二维结构中的一维切割线、以及HP4154仿真等功能也可由TCAD可视化工具Tonyplot提供。 特征:To

26、nyPlot为了TCAD的可视化功能而专门开发的图形分析工具，并且是通用的图形显示工具，它可用于工艺和器件设计的快速原型制作与开发，几乎可用于所有SILVACO TCAD 产品。它的绘图引擎支持所有一维和二维数据的检视，并可导出多种可用于报告或第三方工具的通用格式数据， 包括jpg、png、bmp、Spice Raw File 和 CSV等，并且可以输出多数型号打印机都支持的图形格式。 TonyPlot具有灵活的标签功能，可通过此功能对图形进行注释，为报告和演示建立明晰图表。TonyPlot拥有探测器、标尺及其他测量工具，可对得出的一维和二维结构进行详尽测量和分析。TonyPlot能够很容易地

27、进行多个图表之间的比较，能够显示电结果是如何由工艺条件影响的。TonyPlot拥有电影模式动态化的序列图形，这可以为用户提供静态图像所无法提供的器件信息，其带有的切割线工具可以在二维结构中切割出一维的线段。TonyPlot可定义复杂的函数和宏命令，使之可以像普通一维量一样被查看。它的一大特色是虚拟晶圆制造系统与生产模式联合起来一起使用，能够提供精确地成品率分析和有效地校准工具。3.1.3 ATHENAATHENA是由SUPREM-IV发展而来的，后者是世界著名的斯坦福大学开发的仿真器。ATHENA具有很多的新颖的功能，用于半导体器件的仿真处理，囊括了各个器件制造的工艺，如：扩散、氧化、离子注入

28、、刻蚀、淀积、光刻、应力成型和硅化等。ATHENA是一个方便的平台，它易于使用，模块化可扩展，能够帮助开发和优化半导体制造工艺。它能够对所有的器件生产工艺流程进行精确地模拟，仿真能够得到各种半导体器件的结构，并能预测器件结构中的几乎参数，应力和掺杂剂量分布。我们可以通过ATHENA设计优化参数，使得速度、击穿、产量、泄露电流和可靠性之间达到最佳结合。ATHENA能够迅速的模拟各种器件加工工艺中的各个步骤，精确预测多层拓扑， 搀杂分布、以及多种器件结构的应力高级仿真环境允许：3.1.4 ATLASATLAS是一种器件仿真系统，它可以模拟半导体器件的光电热等的行为特性，它提供一个简洁方便可扩展的模

29、块化平台，该平台基于物理原理，可分析二维三维半导体直流交流的时域相应。高效稳定的多线程算法在并行机器上运行，不仅保持了运算精度，还大大减少了仿真的时间。主要特征：ATLAS不需要高昂的试验费用投入，只需要一台电脑就可以精确地进行物理器件的电光热特性的仿真。当工艺变动时，能够迅速的改变模拟数据以适应新的工艺，提高了成品率，优化了速度功率，漏电可靠性等。ATLAS与ATHENA工艺仿真完美衔接，以其完善的可视化工具，数量巨大的例子库和简单的器件语法而成名。能够通过ATLAS直接将仿真结果导入到UTMOST，以便提取各种器件参数，方便将TCAD连接到流片系统。此外，它还支持多核多处理器SMP机器的并

30、行处理。ATLAS的主要模块：二维硅器件模拟器、三维硅器件模拟器、高级材料的二维三维模拟器、VCSELS模拟器、半导体激光二极管模拟器、光电子器件默契、铁电场相关的节点常数模拟器、半导体噪声模拟模块、二维三维量子显示响应模拟模块、MixerMode、二维三维飞等温器件模拟模块、和ATLAS C解释器模块等。3.1.2 TCAD工具的仿真原理Silvaco TCAD软件是用来模拟半导体器件的电学性能，进行半导体工艺流程仿真，还可以与其它EDA工具(比如spice)组合起来进行系统级电学模拟(Sentaurus和ISE也具备这些功能)。SivacoTCAD为图形用户界面，用户可以直接从界面输入程序

31、语句，操作简单，其例子库十分丰富，可以直接调用装载并运行，SilvacoTCAD是例子库最丰富的TCAD软件之一，几乎使得用户做的任何设计都能找到相似的例子程序以供调用。Silvaco TCAD平台包括工艺仿真(ATHENA)，器件仿真(ATLAS)和快速器件仿真系统(Mercury)，它们都是全图形操作界面，类似于windows的操作界面受到了喜欢在全图形界面操作软件用户的青睐。总所周知，计算机仿真是基于一些物理模型及方程的数值计算，Silvaco中的物理模型及方程十分复杂，信息量十分巨大，而这些方程中的某些量又需要用其他的方程来描述，这就使得信息处理量成倍增长，只有将它离散化，所以Silv

32、aco半导体仿真是基于网格计算的。而网格计算就是要将器件的仿真区域划分开来，规划成相应密度的网格，在计算器件某一部分的电学、光学等特性时，只需计算相应的网格点处的特性即可。而数值计算需要考虑很多问题，如精确性，计算速度，收敛性等。计算精度和网格点的密度有关，网格点的密度越大，计算精度越高，但是Silvaco中的网格点总数是受到限制的，不能超过一定的值，而网格点如果太多的话，会导致信息量特别大，当信息量超过所能处理的极值时，在仿真的时候就会报错。选择的物理模型对仿真的精度和正确性有很大影响。仿真是基于物理的计算，仿真计算时所采用的模型和方程都具有自己的物理意义，不能凭空捏造，在不同的应用场合是要使用不同的物理模型的，否则仿真就会出错。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，这些成果是得到公认的或者是发表到IEEE上的结果，用来仿真的可信度很高。3.2 用TCAD工具仿真MOSFET