使⽤ATHENA的NMOS⼯艺仿真
§4 ⼯艺及器件仿真⼯具SILVACO-TCAD
本章将向读者介绍如何使⽤SILV ACO公司的TCAD⼯具ATHENA来进⾏⼯艺仿真以及ATLAS来进⾏器件仿真。假定读者已经熟悉了硅器件及电路的制造⼯艺以及MOSFET(⾦属氧化物半导体场效应晶体管)和BJT（双极结晶体管）的基本概念。
4.1 使⽤ATHENA的NMOS⼯艺仿真
4.1.1 概述
本节介绍⽤A THENA创建⼀个典型的MOSFET输⼊⽂件所需的基本操作。包括：
a. 创建⼀个好的仿真⽹格
b. 演⽰淀积操作
c. 演⽰⼏何刻蚀操作
d. 氧化、扩散、退⽕以及离⼦注⼊
e. 结构操作
f. 保存和加载结构信息
4.1.2 创建⼀个初始结构
1定义初始直⾓⽹格
a. 输⼊UNIX命令：deckbuild-an&，以便在deckbuild交互模式下调⽤A THENA。在短暂的延迟后，deckbuild主窗⼝将会出现。如图 4.1所⽰，点击File ⽬录下的Empty Document，清空DECKBUILD⽂本窗⼝；
图4.1 清空⽂本窗⼝
b. 在如图4.2所⽰的⽂本窗⼝中键⼊语句go Athena ；
图4.2 以“go athena”开始
接下来要明确⽹格。⽹格中的结点数对仿真的精确度和所需时间有着直接的影响。仿真结构中存在离⼦注⼊或者形成PN结的区域应该划分更加细致的⽹格。
c. 为了定义⽹格，选择Mesh Define菜单项，如图4.3所⽰。下⾯将以在0.6µm×0.8µm 的⽅形区域内创建⾮均匀⽹格为例介绍⽹格定义的⽅法。
图4.3 调⽤ATHENA⽹格定义菜单
2 在0.6µm×0.8µm的⽅形区域内创建⾮均匀⽹格
a. 在⽹格定义菜单中，Direction（⽅向）栏缺省为X；点击Location（位置）栏并输⼊值0；点击Spacing（间隔）栏并输⼊值0.1；
b. 在Comment（注释）栏，键⼊“Non-Uniform Grid(0.6um x 0.8um)”，如图4.4所⽰；
c. 点击insert键，参数将会出现在滚动条菜单中；
图4.4 定义⽹格参数图 4.5 点击Insert键后
d. 继续插⼊X⽅向的⽹格线，将第⼆和第三条X⽅向的⽹格线分别设为0.2和0.6，间距均为0.01。这样在X⽅向的右侧区域内就定义了⼀个⾮常精密的⽹
格，⽤作为NMOS晶体管的有源区；
e. 接下来，我们继续在Y轴上建⽴⽹格。在Direction栏中选择Y；点击Location栏并输⼊值0。然后，点击Spacing栏并输⼊值0.008；
f. 在⽹格定义窗⼝中点击insert键，将第⼆、第三和第四条Y⽹格线设为0.2、0.5和
0.8，间距分别为0.01，0.05和0.15，如图4.6所⽰。
图4.6 Y⽅向上的⽹格定义
g. 为了预览所定义的⽹格，在⽹格定义菜单中选择View键，则会显⽰View Grid窗⼝。
h. 最后，点击菜单上的WRITE键从⽽在⽂本窗⼝中写⼊⽹格定义的信息。如图4.7。
图4.7 对产⽣⾮均匀⽹格的⾏说明
4.1.3定义初始衬底参数
由⽹格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结构建⽴了⼀个直⾓⽹格系的基础。接下来需要对衬底区进⾏初始化。对仿真结构进⾏初始化的步骤如下：
a.在ATHENA Commands菜单中选择Mesh Initialize…选项。A THENA⽹格初始化菜单将会弹出。在缺省状态下，<100>晶向的硅被选作材料；
b.点击Boron杂质板上的Boron键，这样硼就成为了背景杂质；
c.对于Concentration栏，通过滚动条或直接输⼊选择理想浓度值为1.0，⽽在Exp栏中选择指数的值为14。这就确定了背景浓度为1.0×1014原⼦
数/cm3；（也可以通过以Ohm·cm 为单位的电阻系数来确定背景浓度。）
d.对于Dimensionality⼀栏，选择2D。即表⽰在⼆维情况下进⾏仿真；
define的基本用法e.对于Comment栏，输⼊“Initial Silicon Structure with <100> Orientation”，如图4.8；
f.点击WRITE键以写⼊⽹格初始化的有关信息。
图4.8 通过⽹格初始化菜单定义初始的衬底参数
4.1.4运⾏ATHENA并且绘图
现在，我们可以运⾏ATHENA以获得初始的结构。点击DECKBUILD控制栏⾥的run 键。输出将会出现在仿真器⼦窗⼝中。语句struct
outfile=.history01.str是DECKBUILD通过历史记录功能⾃动产⽣的，便于调试新⽂件等。
使初始结构可视化的步骤如下：
a.选中⽂件“.history01.str”。点击Tools菜单项，并依次选择Plot和Plot Structure…，如图4.9所⽰；在⼀个短暂的延迟之后，将会出现TONYPLOT。它仅有尺⼨和材料⽅⾯的信息。在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…；
b.出现Display（⼆维⽹格）菜单项，如图4.10所⽰。在缺省状态下，Edges和Regions 图象已选。把Mesh图象也选上，并点击Apply。将出现初始的三⾓型⽹格，如图4.11所⽰。
现在，之前的INIT语句创建了⼀个0.6µm×0.8µm⼤⼩的、杂质硼浓度为1.0×1014原⼦数/cm3、掺杂均匀的<100>晶向的硅⽚。这个仿真结构已经可以进⾏任何⼯艺处理步骤了（例
如离⼦注⼊，扩散，刻蚀等）。
图4.9 绘制历史⽂件结构
图4.10 Tonyplot：Display（⼆维⽹格）菜单
图4.11 初始三⾓⽹格
4.1.5栅极氧化
接下来，我们通过⼲氧氧化在硅表⾯⽣成栅极氧化层，条件是1个⼤⽓压，950°C，3%HCL,11分钟。为了完成这个任务，可以在ATHENA的Commands菜单中依次选择Process 和Diffuse…，ATHENA Diffuse菜单将会出现。
a.在Diffuse菜单中，将Time（minutes）从30改成11，Tempreture（C）从1000改
成950。Constant温度默认选中（见图4.12）；
图4.12 由扩散菜单定义的栅极氧化参数