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§4 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD 本章将向读者介绍如何使用SILVACO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和BJT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ATHENA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ATHENA。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： 在ATHENA Commands菜单中选择Mesh Initialize…选项。ATHENA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； 点击Boron杂质板上的Boron键，这样硼就成为了背景杂质； 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。） 对于Dimensionality一栏，选择2D。即表示在二维情况下进行仿真； 对于Comment栏，输入“Initial Silicon Structure with 100 Orientation”，如图4.8； 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： 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