EDA课程设计报告

天津工业大学毕业实践实习报告N沟道MOS管工艺模拟与器件模拟班级：电科1103学号：1110940316姓名：汪兆明成绩：2015年4月1日一、实践目的熟练氧化、离子注入与扩散工艺，使用Silvaco软件进行模拟，掌握CMOS工艺流程。学会用Silvaco软件提取MOS晶体管的各种参数，掌握用SILVACO工具对MOS晶体管进行器件模拟二、实践要求1、用Anthena构建一个NMOS管，要求沟道长度不小于0.8微米，阈值电压在-0.5v至1V之间。2、工艺模拟过程要求提取S/D结结深、阈值电压、沟道表面掺杂浓度、S/D区薄层电阻等参数。3、进行器件模拟，要求得到NMOS输出特性曲线族以及特定漏极电压下的转移特性曲线，并从中提取MOS管的阈值电压和值。4、分析各关键工艺步骤对器件性能的影响。三、操作步骤1、启动silvaco软件。2、创建一个网格并定义衬底的参数。3、由于本实验运用了cmos工艺，所以先在衬底上做一个p阱，严格定义p阱的浓度，注入能量，以及阱区的推进。4、生长栅氧化层，严格控制各参数。diffustime=10temp=950dryo2press=1.00hcl.pc=35、淀积多晶硅，其厚度为0.2um。6、刻蚀掉x=0.35左面的多晶硅，然后低剂量注入磷离子，形成轻掺杂层，剂量为3e13，能量为20kev。7、淀积氧化层，然后再进行刻蚀，以进行下一步的源漏区注入。8、进行源漏砷离子的注入，剂量为4e15，能量为40kev。9、淀积铝，形成S/D金属接触。10、进行向右镜像操作，形成完整的nmos结构并定义电极。11、抽取源漏结深，阈值电压，n+区薄层电阻，沟道表面掺杂浓度，轻掺杂源漏区的薄层电阻等参数。12、描述输出特性曲线并绘出。13、描述转移特性曲线并绘出，同时从中提取MOS管的阈值电压和值。四．测试结果4.1测试结果分析4.1.1.工艺图4.1.2.获取器件参数在这一部分，我们将提取这半个NMOS结构的一些器件参数,这些参数包括：a.结深b.N++源漏方块电阻c.边墙下LDD区的方块电阻d.长沟阈值电压计算结深计算结深的语句如下：extractname=nxjxjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1获取N++源/漏极薄层电阻extractname=n++sheetrhosheet.resmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0.05region.occno=1测量沟道阈值电压extractname=n1dvt1dvtntypevb=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。沟道表面掺杂浓度extractname=chansurfconcsurf.concimpurity=NetDoping\material=Siliconmat.occno=1x.val=0.45抽取参数nxj=0.34326umn++sheetrho=73.3932ohm/squaren1dvt=0.607028Vchansurfconc=6.14477e+016atoms/cm34.1.3.NMOS输出特性曲线族ATLAS#extractmaxcurrentandsaturationslopeATLASEXTRACTinitinfile=nmos4.logEXTRACTextractname=nidsmaxmax(i.drain)nidsmax=0.000442929EXTRACTextractname=sat_slopeslope(minslope(curve(v.drain,i.drain)))sat_slope=1.47523e-005EXTRACTquit抽取参数nidsmax=0.000442929sat_slope=1.47523e-0054.1.4.转移特性曲线4.1.5.提取MOS管的阈值电压和值抽取参数nvt=0.583053nbeta=0.000113053nsubvt=0.08681594.2Silvaco模拟仿真NMOS流程4.2.1.ATHENA的NMOS工艺仿真1.衬底初始化默认情况下，材料为Silicon并且其晶向为100硅材料掺杂质Boron，这样就选择了硼为衬底的掺杂杂质，设置背景掺杂浓度为：1.0x1014atom/cm3。选择space.mul=2。这将强制使得仿真在两维中进行初始化信息如下所示。#InitialSiliconStructurewith100Orientationinitsiliconc.boron=1.0e14orientation=100two.d2栅氧化将要在硅片的表面生长一层栅氧化层，这个工艺条件为950度下干氧氧化11分钟，环境为3%的HCL，一个大气压语句如下：#GateOxidationDiffustime=11temp=950dryo2press=1.00hcl.pc=33阈值电压调整我们将实现一个阈值电压调节注入的工艺，它是通过能量为10KeV，剂量为2x1011cm-2实现的。硼杂质的掺杂分布将会如图所示显现出来。4.淀积多晶硅栅在NMOS工艺中，多晶硅的厚度约为0.22um。语句如下：depopolythick=0.22divi=10这里需要10个网络层来仿真杂质在多晶硅层中的传输。5多晶硅栅定义在NMOS工艺中，多晶硅的厚度约为0.22um。语句如下：depopolythick=0.22divi=10这里需要10个网络层来仿真杂质在多晶硅层中的传输。6多晶氧化接下来定义多晶硅的栅极，将多晶硅栅极网格边缘定义为x=0.35um，中心网格定义为0.8um。对多晶硅从左边x=0.35um开始刻蚀。etchpolyleftp1.x=0.35刻蚀后的图形如下图：7多晶掺杂在定义好多晶栅后，接下来的步骤是多晶注入前的多晶氧化多晶氧化。氧化条件是3分钟，900度，1个大气压下的湿法氧化。fermi模型通常用于没有损伤的衬底，并且掺杂浓度小于1x1020cm-3。由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使用的模型将会是fermi以及compress，而compress模型用于模拟非等平面结构和2维的氧化工艺。语句为：diffusetime=3temp=900weto2press=1.08侧离氧化层淀积在源极和漏极植入之前，需要进行侧墙隔离氧化层的淀积。淀积的厚度为0.12um。depooxidethick=0.120divisions=89侧墙氧化隔离的形成为了形成氧化隔离，必须进行干刻蚀。刻蚀厚度为0.12um。语句如下：etchoxidedrythick=0.12010源/漏极注入和退火现在，我们来通过注入砷进行源漏的注入，这会形成晶体管的n+源漏。源漏注入砷注入的剂量使用：3x1015cm-3，注入能量为：50KeV.implantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson源漏注入后接下来将是快速退火工艺，条件是：氮气气氛，1分钟，900度，1个大气压methodfermicompressdiffusetime=1temp=900nitropress=1.011金属化在形成源漏区域以后，下个工艺步骤是金属化这个区域金属化。金属化工艺步骤是首先在源漏区域形成接触孔窗口。为了在源漏区域形成接触孔窗口，将氧化层在x=0.2μm的位置刻蚀到左边etchoxideleftp1.x=0.212获取器件参数在这一部分，我们将提取这半个NMOS结构的一些器件参数,这些参数包括：a.结深b.N++源漏方块电阻c.边墙下LDD区的方块电阻d.长沟阈值电压计算结深计算结深的语句如下：extractname=nxjxjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1获取N++源/漏极薄层电阻extractname=n++sheetrhosheet.resmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0.05region.occno=1测量沟道阈值电压extractname=n1dvt1dvtntypevb=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。沟道表面掺杂浓度extractname=chansurfconcsurf.concimpurity=NetDoping\material=Siliconmat.occno=1x.val=0.45抽取参数nxj=0.34326umn++sheetrho=73.3932ohm/squaren1dvt=0.607028Vchansurfconc=6.14477e+016atoms/cm313半个NMOS结构的镜像前面构建了半个NMOS结构，要得到完整的结构，就需要在向器件仿真器输出结构或电极命名之前完成。语句如下：structuremirrorright14保存ATHENA结构文件完成设计之后有必要对结构进行保存及初始化。点击Save建立新的文件名nmos.str。在文本编辑区里输入如下语句：structureoutfile=nmos.str4.2.2.使用ATLAS的NMOS器件仿真1概述在这一部分，我们将对一个NMOS器件结构进行器件仿真1.产生简单的Vds=0.1V偏压下的曲线：Idvs.Vgs2.提取器件参数，例如Vt,Beta和Theta.d13.产生不同Vgs偏置情况下的Idvs.Vds曲线簇2模型命令集(1)设置模型对于简单的MOS仿真，推荐使用参数SRH和CVTSRH是ShockleyReadHall复合模型，而CVT模型是来自于Lombardi的反型层模型，这个CVT模型设置了通用的迁移率模型，包括了浓度、温度、平行电场和横向电场的影响。modelscvtsrhprint(2)设置接触特性与半导体材料接触在一起的电极默认情况下假设为欧姆接触，如果电极上定义了功函数，那么这个电极就认为是肖特基接触。命令“Contact”用来设置电极的金属功函数。使用“Contact”命令来设置n型多晶硅栅的功函数：contactname=gaten.poly(3)设置界面特性为了设置NMOS结构的界面特性，需要使用“Interface”命令，这个命令用于定义在半导体和绝缘体之间的界面上的界面电荷密度和表面复合速率。为了定义硅和二氧化硅之间的界面上存在的固定电荷密度3x1010cm2：interfaceqf=3e10。3求解命令集接下来，我们将要为仿真选择数值计算的方法，对于半导体器件的问题，有几种不同的方法可以使用。对于MOS结构来说，可以使用非耦合的GUMMEL法和耦合的NEWTON法。简单来说，Gummel法将对每个未知量轮流求解，同时保持其他变量不变，不断重复这个过程，直到能够得到稳定的解，而Newton法将会对整个系统的所有未知量一起求解。methodgummelnewton4解决方法命令组（1）Vds=0.1V时，获得Id-Vgs转移特性曲线语句如下：solveinitsolvevdrain=0.1logoutf=nmos1.logmastersolvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gatea.上面所显示的命令集开始于“solveinit”命令b.第二个“Solve”命令，也就是“solvevdrain=0.1”将在漏电极上设置0.1V的直流偏压。这个命令将提供零偏压（或热平衡）情况下势能和载流子浓度的初始猜想值（2）获取器件参数。c.“Log”命令用来将ATLAS所仿真出来的结果存入到文件nmos1_0.log