Silvaco TCAD——二维工艺仿真

工艺仿真组件ATHENA 概述

仿真组件：

• ATHENA
• SSUPREM4（二维核心工艺仿真器）
• Parallel Monte Carlo Implant（蒙托卡诺离子注入仿真 器）
• ELITE（先进物理刻蚀和淀积仿真器）
• Monte Carlo Deposit/Etch（蒙托卡诺淀积和 刻蚀仿真器）
• OPTOLITH（二维光刻仿真器）
• ATHENA multicore
• 。。。

工艺仿真组件ATHENA：

很强的工艺仿真能力，

包括单项工艺：离子注入、扩散、淀积、 刻蚀、外延、光刻，氧化等等。 

ATHENA 的输入输出框架：

输入侧重工艺条件的控制，输出侧重仿真能力。 

AHTENA 中，存储参数的文件目录：

• athenamod 文件：含有大量关于物理模型、扩散、氧化系数、数值计算方法、淀积和 刻蚀机器特性、材料和光刻胶的光学特性等的默认参数；
• implant_tabl 下的 std_table 和一些 svdp****文件：含有离子注入的参数；
• pls 和 models 目录下的***.mod 文件：内含有高级的扩散模型的参数；
• athenares 文件：含有电阻率随掺杂浓度变化的数据。 

 注意：不要去更改这些参数文件，否则容易破坏软件。

        ATHENA 生成的标准结构文件（Standard Structure File， SSF） 可以在其他的仿真器如 ATLAS 或 DevEdit 中使用。

        SSF 内含有 mesh 信息、solution 信息、model 信息和其他相关的参数。 

ATHENA的示例库

        含有很多单项工艺的例子，在器件仿真的例子里也有一些是由工艺 仿真来生成器件结构的。 

        示例是按工艺类型分组的：

athena_adaptmesh，athena_advanced_diffusion， athena_calibration，athena_complex，athena_compound，athena_diffusion，athena_elite， athena_implant，athena_misc，athena_optolith，athena_oxideation 和 doe。 

双击两下会出现已经仿真好的结果 

 工艺仿真的流程图

建立仿真网格： 在仿真工艺之前需要先建立网格，这时的网格是指衬底的网格（如果后续工艺带来了新的材料层，则有相应的网格控制的参数）。

仿真初始化：

• 对衬底进行初始化，即定义衬底的材料、掺杂或晶向等。
• 也可以是导入现成的结构。

工艺步骤：仿真的工艺，如淀积、光刻、氧化、刻蚀或扩散等等。每一个工艺都有相应的模型以及参数，对于工艺参数的设定需要参考手册或相关文献。

提取特性：经过工艺步骤之后可以提取工艺的结果如结深、材料厚度，浓度分布等。

结构操作：如导入结构、对结构旋转、做镜像和保存等。

Tonyplot 显示：显示仿真的结果

 仿真的时候上面的步骤不一定都需要，比如：

• 导入现成结构，可 以直接从工艺步骤仿真开始，
• 要仔细观察变化，在每一步工艺后保存一个结构再用 Tonyplot 显示出来【用保存历史文件的方法也可以实现在每一步工艺之后保存结构。】。
• 提取特性需要看情况。

 例子：

工艺：有离子注入和退火

# 启动工艺仿真器 ATHENA
go athena 

# 网格定义，其中“loc”是“location”的简称，“spacing”也常简写为“spac”
# dimension definition 
line x loc = 0.0 spacing=0.1 
line x loc = 0.1 spacing=0.1 
line y loc = 0   spacing = 0.02 
line y loc = 2.0 spacing = 0.20 
 
# 仿真初始化，亦即衬底定义。硅衬底，含磷浓度 1×10^14cm^(-3)。
# initialize the mesh 
init silicon c.phos=1.0e14 


# 工艺步骤，硼离子注入和退火两步工艺。一个命令占一行。
# perform uniform boron implant 
implant boron dose=1e13 energy=70 
# perform diffusion 
diffuse time=30 temperature=1000 

# 提取仿真特性，这里是提取结深。
extract name="xj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=1 

# 保存结构到文件，结构文件以“str”作为后缀名
# save the structure 
structure outfile=boron_implant.str 

# 显示当前结构。
# plot the final profile 
tonyplot boron_implant.str 

#退出仿真器。
quit

         工艺仿真的结果形式有多种，如保存的结构文件，实时输出窗口中显示的信息，提取保 存的 dat 文件。结构文件和 dat 文件可由 tonyplot 进行显示

 仿真流程

定义网格

        在工艺仿真之前需要先定义衬底，在衬底的基础上再经过一系列工艺步骤来生成结构。

         Silvaco TCAD 是基于网格计算的仿真工具，在网格点处计算其特性，

        二维仿真的网格点（node）的总数 Np 不能超过 20,000 个。

        网格点的多少决定了仿真的精确程度和快慢，所以合理的定义网格分布很重要。

网格定义的语法：

LINE X | Y LOCATION= [SPACING=] [TAG=] [TRI.LEFT | TRI.RIGHT]

 定义网格线的命令为“line”

参数主要有“x”、“y”、“location”、“spacing”和“tag” 等。

x 和 y 参数设定网格线垂直于 x 轴或 y 轴，

loc 设定网格线在轴上的坐标，

spacing 设定在该 loc 处临近网格线间的间距，loc 和 spacing 的默认单位都是 μm。

Tag 参数可在相应的位 置添加标签，这会在以后定义边界和区域的时候提供方便。

 注意网格的原点在左上角，y 的坐标越往上是越小的