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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得基本使用。
书中通过例程引导学习工艺仿真模块Athenａ与器件仿真模块Atlａs,通过这两部分得学习可以使学习人员深入了解半导体物理得基本知识,半导体工艺得流程,以及晶体管原理得基本原理，设计过程，器件得特性。
对于学习集成电路得制备及后道工序有一定得帮助。
第一章ＳIＬVACO软件介绍ﻩ错误!未定义书签。
1、1程序启动............................... 错误!未定义书签。
1、2选择一个应用程序例子ﻩ错误!未定义书签。
1、3工艺模拟ﻩ错误!未定义书签。
1、3、１运行一次模拟 .................... 错误!未定义书签。
１、3、2 渐进学习模拟ﻩ错误!未定义书签。
1、3、３绘制结构 ........................ 错误!未定义书签。
1、３、4 使用Tonypｌot进行绘图ﻩ错误!未定义书签。
1、3、5 修正绘图得外观ﻩ错误!未定义书签。
1、3、6 缩放及在图上进行平移ﻩ错误!未定义书签。
1、３、7 打印图形ﻩ错误!未定义书签。
1、４使用H ISTＯRＹ功能..................... 错误!未定义书签。
１、5明确存贮状态ﻩ错误!未定义书签。
1、6创建用于比较得两个结构文件 ............ 错误!未定义书签。
1、6、1 存贮文件创建 ..................... 错误!未定义书签。
1、6、2 文件交叠 ......................... 错误!未定义书签。
1、7运行ＭOS工艺程序得第二部分 ........... 错误!未定义书签。
1、７、1 `Stop Ａt’ 功能ﻩ错误!未定义书签。
１、７、2 使用Ｔｏnｙploｔ用于2-Ｄ结构.. 错误!未定义书签。
１、7、3 使用Ｔoｎyplｏt来制备一轮廓图ﻩ错误!未定义书签。
Indium Implant and Anneal1 go athena23 #TITLE: Indium Anneal45 #the x dimension definition6 line x loc = 0.0 spacing=0.17 line x loc = 0.1 spacing=0.189 #the vertical definition10 line y loc = 0 spacing = 0.0211 line y loc = 2.0 spacing = 0.201213 #initialize the mesh14 init silicon c.phos=1.0e141516 #perform uniform boron implant17 implant indium dose=1e13 energy=70 monte18 structure outfile=andfex12_0.str1920 #perform diffusion21 diffuse time=30 temperature=1000222324 extract name="xj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=12526 #save the structure27 structure outfile=andfex12_1.str2829 tonyplot -overlay andfex12_0.str andfex12_1.str -set andfex12.set3031 quitOxidation Enhanced Diffusion of Boron1 go athena23 # OED of Boron45 #the x dimension definition6 line x loc = 0.0 spacing=0.17 line x loc = 0.1 spacing=0.189 #the vertical definition10 line y loc = 0 spacing = 0.0211 line y loc = 2.0 spacing = 0.2012 line y loc = 25.0 spacing = 2.51314 #initialize the mesh15 init silicon c.boron=1.0e141617 #perform uniform boron implant18 implant boron dose=1e13 energy=701920 #set diffusion model for OED21 method two.dim2223 #perform diffusion24 diffuse time=30 temperature=1000 dryo225 #26 extract name="xj_two.dim" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=12728 #save the structure29 structure outfile=andfex02_0.str3031 # repeat the simulation with default FERMI model32 go athena3334 #TITLE: Simple Boron Anneal3536 #the x dimension definition37 line x loc = 0.0 spacing=0.138 line x loc = 0.1 spacing=0.13940 #the vertical definition41 line y loc = 0 spacing = 0.0242 line y loc = 2.0 spacing = 0.2043 line y loc = 25.0 spacing = 2.54445 #initialize the mesh46 init silicon c.phos=1.0e144748 #perform uniform boron implant49 implant boron dose=1e13 energy=705051 #select diffusion model52 method fermi5354 #perform diffusion55 diffuse time=30 temperature=1000 dryo256 #57 extract name="xj_fermi" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=1585960 #save the structure61 structure outfile=andfex02_1.str6263 # compare diffusion models64 tonyplot -overlay andfex02_0.str andfex02_1.str -set andfex02.set Emitter Push Effect1 go athena23 #TITLE: Emitter push effect example4 #5 line x loc=0.0 spac=0.26 line x loc=2.5 spac=0.87 line x loc=3.0 spac=0.28 #9 line y loc=0.00 spac=0.0410 line y loc=0.3 spac=0.0611 line y loc=2.0 spac=0.812 line y loc=10.0 spac=2.013 #14 init c.phos=1e1515 #16 implant boron dose=1e13 energy=4017 #18 deposit nitride thick=.2 div=419 #20 etch right nitride p1.x=2.521 relax y.min=1.522 #23 implant phosphor dose=1e16 energy=3024 #25 etch nitride all26 #27 method compress full.cpl28 diffuse time=30 temp=100029 #30 structure outfile=andfex07.str31 #32 tonyplot -st andfex07.str -set andfex07.set3334 quitDamage Enhanced Diffusion of ArsenicThis example demonstrates the damage enhanced diffusion effect in a heavy arsenic implant typical of MOS source/drain or bipolar emitter processing.1 go athena23 #the x dimension definition4 line x loc = 0.0 spacing=0.15 line x loc = 0.1 spacing=0.167 #the vertical definition8 line y loc = 0 spacing = 0.0059 line y loc = 2.0 spacing = 0.2010 line y loc = 25.0 spacing = 2.51112 #initialize the mesh13 init silicon c.boron=1.0e171415 #deposit screen oxide16 deposit oxide thickness=0.005 div=21718 #perform arsenic implant with damage19 implant arsenic dose=1.0e15 energy=40 tilt=7 unit.damage dam.factor=0.12021 #set diffusion model for TED22 method full.cpl2324 #perform diffusion25 diffuse time=15/60 temperature=100026 #27 extract name="xj_fullcpl" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=12829 #save the structure30 structure outfile=andfex03_0.str3132 # repeat the simulation with FERMI model3334 #the x dimension definition35 line x loc = 0.0 spacing=0.136 line x loc = 0.1 spacing=0.13738 #the vertical definition39 line y loc = 0 spacing = 0.00540 line y loc = 2.0 spacing = 0.2041 line y loc = 25.0 spacing = 2.54243 #initialize the mesh44 init silicon c.boron=1.0e174546 #deposit screen oxide47 deposit oxide thickness=0.005 div=24849 #perform arsenic implant with damage50 implant arsenic dose=1.0e15 energy=40 tilt=7 unit.damage dam.factor=0.15152 #set default model53 method fermi5455 #perform diffusion56 diffuse time=15/60 temperature=100057 #58 extract name="xj_fermi" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=15960 #save the structure61 structure outfile=andfex03_1.str6263 # compare diffusion models64 tonyplot -overlay andfex03_0.str andfex03_1.str -set andfex03.set。
# (c) Silvaco Inc., 2013go athena#line x loc=0.0 spac=0.1line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01#line y loc=0.0 spac=0.002line 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 two.d#开始进行单步仿真#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 dose=8e12 energy=100 pears#开始提取杂质分布diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3##N-well implant not shown -## welldrive starts herediffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3 #diffus time=220 temp=1200 nitro press=1#diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1#etch oxide all##sacrificial "cleaning" oxidediffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3etch oxide all##gate oxide grown here:-diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3## Extract a design parameterextract name="gateox" thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.05##vt adjust implantimplant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson#depo poly thick=0.2 divi=10##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#depo oxide thick=0.120 divisions=8#etch oxide dry thick=0.120#implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson#method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0## pattern s/d contact metaletch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.03 divi=2etch 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# extract the N++ regions sheet resistanceextract name="n++ sheet rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1# extract 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# extract the surface conc under the channel.extract name="chan surf conc" surf.conc impurity="Net Doping" \material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.45# 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=0.45extract done name="sheet cond v bias" \curve(bias,1dn.conduct material="Silicon" mat.occno=1 region.occno=1)\outfile="extract.dat"# extract the long chan Vtextract name="n1dvt" 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49structure mirror rightelectrode name=gate x=0.5 y=0.1electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.1electrode name=substrate backsidestructure outfile=mos1ex01_0.str# plot the structuretonyplot mos1ex01_0.str -set mos1ex01_0.set############# Vt Test : Returns Vt, Beta and Theta ################go atlas# set material modelsmodels cvt srh printcontact name=gate n.polyinterface qf=3e10method newtonsolve init# Bias the drainsolve vdrain=0.1# Ramp the gatelog outf=mos1ex01_1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatesave outf=mos1ex01_1.str# plot resultstonyplot mos1ex01_1.log -set mos1ex01_1_log.set# extract device parametersextract name="nvt" (xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")))) \ - abs(ave(v."drain"))/2.0)extract name="nbeta" slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")))) \ * (1.0/abs(ave(v."drain")))extract name="ntheta" ((max(abs(v."drain")) * $"nbeta")/max(abs(i."drain"))) \ - (1.0 / (max(abs(v."gate")) - ($"nvt")))quit1、画出结构图，进行单步仿真，代码翻译（第7次实验）2、对比实验（第8次实验）注意：对比仿真时只能改变一个参数，其它参数要恢复到参考代码原始值。
4.1.16源/漏极注入和退火要形成NMOS 器件的重掺杂源/漏极，就需要进行砷注入。
砷的浓度为153510cm -⨯，注入能量为50KeV 。
为了演示这一注入过程，我们将再一次使用ATHENA Implant 菜单。
在调用出注入菜单以后，具体步骤如下：a. 在Impurity 栏中将注入杂质从Phosphorus 改为Arsenic ；分别在Dose 和Exp ：中输入值5和15；在Energy 、Tilt 和Rotation 中分别输入值50、7、30；将Material Type 选为Crystalline ；在Comment 栏中输入Source/Drain Implant ；点击WRITE 键，注入语句将会出现在如下所示的文本窗口中：#Source/Drain Implantimplant arsenic dose=5e15 energy=15 crytal紧接着源/漏极注入的是一个短暂的退火过程，条件是1个大气压，900C ，1分钟，氮气环境。
该退火过程可通过Diffuse 菜单实现，步骤如下：b. 在Diffuse 菜单中，将Time 和Tempreture 的值分别设为1和900；在Ambient 栏中，点击Nitrogen ；激活Gas pressure ，并将其值设为1；在Display 栏中点击Models ，然后可用的模式将会列出来；选中Diffusion 模式并选择Fermi 项。
不要选择Oxidation 模式；在Comment 栏中添加注释Source/Drain Annealing 并点击WRITE 键；下面这些扩散语句将会出现在文本窗口中：#Source/Drain Annealingmethod Fermidiffus time=1 temp=900 nitro press=1.00c. 点击DECKBUILD 控制栏上的Cont 键以继续进行ATHENA 仿真，并将结构的杂质分布图表示出来，如图4.39；图4.39 源/漏极的注入和退火过程接下来，我们将会看到退火过程前后Net Doping （净掺杂）的一些变化。
操作步骤如下： a. 在源/漏极退火后结构的TONYPLOT 中，依次点击File 和Load Structure…菜单项；b.为了加载在implant arsenic dose=5e15 energy=50 crytal一步中产生的历史文件（history12.str），在filename栏中键入.history12.str；依次点击Load、Overlay项，如图4.40；图4.40 加载注入步骤的结构文件并覆盖c.前述的注入结构（.history12.str）将会覆盖至退火结构（.history13.str）如图4.41所示。
注意到图的副标题为Data from multiple files；图4.41 覆盖结构d.在两个结构图相互覆盖以后，依次选择TONYPLOT中的Tools和Cutline…菜单项并显示图例；Cutline菜单将会出现。
点击keyboard图象并如图4.42所示输入X和Y的值；图4.42 使用Cutline菜单的Keyboard选项e.完成后，点击keyboard的return键，TONYPLOT将会提示确认。
点击Confirm键；图4.43右手边的一维图便是最终的结果。
从图中可以看出短暂的退火过程将杂质粒子从MOS结构的表面转移走了。
图4.43 一维净掺杂图4.1.17 金属的淀积ATHENA可以在任何金属、硅化物或多晶硅区域上增加电极。
一种特殊的情况就是可以放在底部而没有金属的底部电极。
这里，对半个NMOS结构的金属的淀积是通过这种方法完成的，首先在源/漏极区域形成接触孔，然后将铝淀积并覆盖上去。
为了形成源/漏极区域的接触孔，氧化层应从X=0.2μm开始向左进行刻蚀。
使用ATHENA Etch菜单的具体步骤如下：a.在Etch菜单的Geometrical type一栏中，点击Left；在Material栏中，选择Oxide；在Etch location栏中输入值0.2；在Comment栏中添加注释Open Contact Window；点击WRITE将会出现如下语句：#Open Contact Windowetch oxide left p1.x=0.2b.继续ATHENA仿真，并将刻蚀后的结构图绘制出来，如图4.44所示；接下来，利用ATHENA Deposit菜单，一个厚度为0.03μm的铝层将被淀积到这半个NMOS器件表面，具体步骤如下：a.在Material菜单中选择Aluminum，并将其厚度值设为0.03；对于Grid specification 参数，将Total number of grid layers设为2；b.在Comment栏中添加注释Aluminum Deposition，并点击WRITE键；下面的淀积语句将会出现在文本窗口中：图4.44 在金属淀积之前形成接触孔#Aluminum Depositiondeposit aluminum thick=0.03 divisions=2；c.点击DECKBUILD控制栏上的Cont键以继续进行ATHENA仿真，并将结构绘制出来，如图4.45所示；图4.45 半个NMOS结构上的铝淀积最后，利用Etch菜单，铝层将从X=0.18μm开始刻蚀，具体步骤如下：a.在Etch菜单的Geometrical type一栏中，点击Right；在Material栏中，选择Aluminum；在Etch location栏中输入值0.18；在Comment栏中添加注释Etch Aluminum；点击WRITE将会出现如下语句：#Etch Aluminumetch aluminum right p1.x=0.18b.继续ATHENA仿真，并将刻蚀后的结构图绘制出来，如图4.46所示；图4.46 在半个NMOS结构上进行铝刻蚀4.1.18获取器件参数在这一节中，我们将从半个NMOS结构中获取一些器件参数。
这些参数包括结深，N++源/漏极方块电阻，氧化隔离层下的LDD方块电阻以及长沟道阈值电压。
这可以通过DECKBUILD里的Extract菜单来完成。
1 计算结深计算结深的步骤为：在Commands菜单里点击Extract…。
ATHENA Extract菜单将会出现；在Extract栏中选择Junction depth；在Name栏中输入nxj；在Material栏中选择Material…并选择Silicon；在Extract location栏中点击X方向并输入值0.2；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中：ext ract name=“nxj”xj material=“Silicon”mat.occno=1 x.val=0.2junc.occno=1在这个extract语句中，name=“nxj”是n型的源/漏极结深；xj说明了该结深需要计算；material=“Silicon”是指结中所含的材料。
在这里，材料是硅；mat.occno=1是说计算结深要从第一硅层开始；x.val=0.2是指在X=0.2μm的地方得到源/漏极结深；junc.occno=1是指计算结深要从第一个结开始。
2 获得N++源/漏极方块电阻为了测定该方块电阻，按如下步骤再一次调用A THENA Extract菜单：将Extract栏从Junction depth改为sheet resistance；在Name栏中输入n++ sheet res；在Extract location栏中，选中X网格并输入值0.05；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中，如下所示：extract name=“n++ sheet res” sheet.res Material=“Silicon” mat.occno=1x.val=0.05 region.occno=1在这个语句中，sheet.res说明被测对象是方块电阻；mat.occno=1和region.occno=1说明材料和区域出现的数目均为1；x.val=0.05说明了n++区域的测量路径。
这是通过给出区域内X=0.05μm这点的网格来实现的。
3 测量LDD方块电阻为了在氧化空间下测量LDD方块电阻，我们只需要简单地把兴趣转移到隔离层就可以了。
参考图4.69所示的仿真结构可知，0.3这个值是合理的。
我们将把被测电阻命名为…ldd sheet res‟。
简单得按如下步骤调用ATHENA Extract菜单：将Name栏改为ldd sheet res；选中X网格，并将Extract location栏中的值改为0.3；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中，如下所示：extract name=“ldd sheet res” sheet.res material=“Silicon” mat.occno=1x.val=0.3 region.occno=14 测量长沟道阈值电压在NMOS器件X=0.5μm处测量长沟道阈值电压的步骤如下：将A THENA Extract菜单的Extract栏从Sheet resistance改为QUICKMOS 1D Vt；在Name 栏输入1dvt；在Device type栏点击NMOS；激活Qss栏并输入值1e10；在Extract location 栏输入值0.5，如图4.72所示；点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中，如下所示：extract name=“1dvt” 1dvt ntype qss=1e10 x.val=0.5在这个语句中，1dvt说明了测量一维阈值电压的Extract程序；ntype是器件类型。
在这里为一个n 型的晶体管；x.val=0.5是在器件沟道内的一点；qss=1e10是指浓度为103110cm -⨯的陷阱电荷。
在缺省状态下，栅极偏置0-5V ，衬底为0 V ，0.25V 为单位，器件温度为300K 。
继续ATHENA 仿真，所有测量值将会出现在DECKBUILD 输出窗口中。
这些信息也会被存入现存文档文件‟results.final‟中。
4.1.19半个NMOS 结构的镜像前面构造的是半个类似MOSFET 的结构。
在某些仿真的地方，需要得到完整的结构。
这必须在向器件仿真器输出结构或给电极命名前完成。
在适当的边界将半个MOSFET 进行镜像的步骤如下：a. 在Commands 菜单中，依次选择Structure 和Mirror 项。
出现A THENA Mirror 菜单；在Mirror 栏中选择Right ，如图4.47所示；图4.47 ATHENA Mirror 菜单b. 点击WRITE 键将下列语句写入输入文件：struct mirror rightc. 点击DECKBUILD 控制栏上的Cont 键以继续A THENA 仿真，并将完整的NMOS 结构绘制出来，如图4.48所示；图4.48 完整的NMOS 结构从图4.48中可以看出，结构的右半边完全是左半边的镜像，包括结点网格、掺杂等。
