工艺流程实验.docx

ISE TCAD课程设计教学大纲

ISE TCAD环境的熟悉了解
一．GENESISe——ISE TCAD模拟工具的用户主界面
1） 包括GENESISe平台下如何浏览、打开、保存、增加、删除、更改项目；增加实验；增加实验参数；改变性能；增加工具流程等；
2） 理解基本的项目所需要使用的工具，每个工具的具体功能及相互之间的关系。
二．工艺流程模拟工具LIGMENT/DIOS，器件边界及网格加密工具MDRAW
1） 掌握基本工艺流程，能在LIGMENT平台下完成一个完整工艺的模拟；
2） 在运用DIOS工具时会调用在LIGMENT中生成的*_dio.cmd文件；
3） 能直接编辑*_dio.cmd文件，并在终端下运行；
4） 掌握在MDRAW平台下进行器件的边界、掺杂、网格的编辑。
三．器件仿真工具DESSIS，曲线检测工具INSPECT和TECPLOT。
1） 理解DESSIS文件的基本结构，例如：文件模块、电路模块、物理模块、数学模块、解算模块；
2） 应用INSPECT提取器件的参数，例如：MOSFET的阈值电压（Vt）、击穿电压BV、饱和电流Isat等；
3） 应用TECPLOT观察器件的具体信息，例如：杂质浓度、电场、晶格温度、电子密度、迁移率分布等。

课程设计题目
设计一 PN结实验
1） 运用MDRAW工具设计一个PN结的边界（如图所示）及掺杂；
2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，考虑偏压分别在-2V，0V，0.5V时各自的特性；
4） 应用TECPLOT工具查看PN 结的杂质浓度，电场分布，电子电流密度，空穴电流密度分布。
提示：*_des.cmd文件的编辑可以参看软件中提供的例子并加以修改。
所需条件：，

设计二 NMOS管阈值电压Vt特性实验
1） 运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18的NMOS管的边界及掺杂；
2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序；
4） 应用INSPECT工具得出器件的Vt特性曲线；
注：要求在*_des.cmd文件的编辑时必须考虑到器件的二级效应，如：DIBL效应（drain-induced barrier lowering）,体效应（衬底偏置电压对阈值电压的影响），考虑一个即可。
提示：*_des.cmd文件编辑重点在于考虑DIBL效应时对不同Vd下栅电压的扫描，考虑体效应时对不同衬底负偏压Vsub下栅电压的扫描。并在MDRAW中改变栅长，如：0.14，0.10等，改变氧化层厚度，掺杂浓度重复上述操作，提取各自的阈值电压进行比较。

设计三 PMOS管Id-Vg特性实验
1） 运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18的PMOS管的边界及掺杂；
2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中在Vd为0V时Vg从-2V扫到0V；
4） 应用INSPECT工具得出器件的Id-Vg特性曲线,提取阈值电压值。
提示：*_des.cmd文件的编辑必须注意PMOS管与NMOS管的不同，沟道传输载流子为空穴。
注：尝试改变栅长，如：0.14，0.10，等，再次重复以上步骤。

设计四 NMOS 管I d-Vd特性实验
1） 运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18的NMOS管的边界及掺杂；
2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序；
4） 应用INSPECT工具得出器件的I d-Vd特性曲线。
提示：*_des.cmd文件的编辑必须考虑不同栅电压下的Id-Vd（如：），扫描范围： 0V~2V，最后得到一簇I d-Vd曲线。

设计五 NMOS 管衬底电流特性实验
1）运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18的NMOS管的边界及掺杂；
2）在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3）编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序；
4）应用INSPECT工具得出器件的I d-Vd特性曲线，观察在DD和HD方法下不同的结果。
提示：*_des.cmd文件的编辑中在漏电压为2V时对栅电压进行扫描（从0V到3V）
注：考虑在DESSIS中用扩散-漂移（DD：drift-diffusion：）的方法和流体力学（HD： hydrodynamics）的方法分别进行模拟，且考虑到电子要能达到衬底则设电子复合速度在衬底处为0
Electrode { ...
{ Name="substrate" Voltage=0.0 eRecVelocity=0 }
}

设计六 SOI 的阈值电压Vt特性实验
1） MDRAW工具设计一个SOI的边界及掺杂（绝缘层厚度为50纳米，有效沟道长度为0.48）；
2） 在DIOS下对器件的工艺参数值进行规定，在MDRAW中对网格进行再加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中Vg从0V扫到3V；
4） 应用INSPECT工具得出器件的I d-Vg特性曲线，并提取Vt和gm（跨导）。

设计七 SOI 的I d-Vd特性实验
1） MDRAW工具设计一个SOI的边界及掺杂（绝缘层厚度为50纳米，有效沟道长度为0.48）；
2） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中在Vg为3V时漏电压Vd从0V扫到3.5V；
3） 应用INSPECT工具得出器件的I d-Vd特性曲线。
注：考虑在DESSIS中用扩散-漂移（DD）的方法和流体力学（HD）的方法分别进行模拟，得到的结果有什么不同。

设计八 双极型晶体管实验（即基极开路，集电极-发射极击穿电压）
1） MDRAW工具设计一个双极型晶体管（平面工艺）；
2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中集电极偏压从0V扫到90V；
4） 应用INSPECT工具得出器件基极开路时的Ic-Vc特性曲线。
提示：*_des.cmd文件的编辑要注意求解时同时考虑两种载流子，且在发射极和集电极偏压为零时对基极电压进行扫描，然后再对发射极电压进行扫描。
注：观察得到的Ic-Vc特性曲线，出现了负阻特性！

设计九 生长结工艺的双极型晶体管试验
1）参看设计八的要求，主要根据图示在MDRAW中画出边界，并进行均匀掺杂，其中E、B、C三个区域都是在Si上掺杂；
2）画出V（X），E（X），估计耗尽层宽度；
3）设，，画出V（X），E（X），p（x），n（x），及电流密度，并计算，，，推倒和；
4）Ne=5,Nb=,Nc= 单位：/
注：其它条件不变，在E为：S i，B、C都为Ge时重复上述过程

设计十NMOS管等比例缩小定律的应用
1） 根据0.18MODFET的结构（如图所示），在MDRAW下设计一个0.10MOSFET，其中考虑栅长、氧化层厚度、掺杂浓度、结深的等比例缩小；
2） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中在Vd为0.1V时Vg从0V扫到2V；
3） 在INSPECT中得到Id-Vg曲线图，验证其特性参数（如：阈值电压Vt）的变化是否遵循等比例缩小定律。
提示：

等比例缩小定律：
1、CE律（恒定电场等比例缩小）
在MOS器件内部电场不变的条件下，通过等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，由此提高集成电路的性能。
为保证器件内部的电场不变，电源电压也要与器件尺寸缩小同样的倍数。
2、CV律（恒定电压等比例缩小）
即保持电源电压VDD和阈值电压VT不变，对其他参数进行等比例缩小。CV律一般只适用于沟道长度大于1um的器件。
3、QCE律
是对CE律和CV律的折中，通常器件的尺寸缩小κ倍，但电源电压只是变为原来的λ/κ倍。

详见下表：

参数
CE（恒场）律
CV（恒压）律
QCE（准恒场）律
器件尺寸L、W、tox等
1/κ
1/κ
1/κ
电源电压
1/κ
1
λ/κ
掺杂浓度
κ
κ2
λκ
阈值电压
1/κ
1
λ/κ
电流
1/κ
κ
λ2/κ
负载电容
1/κ
1/κ
1/κ
电场强度
1
κ
λ
门延迟时间
1/κ
1/κ2
1/λκ
功耗
1/κ2
κ
λ3/κ2
功耗密度
1
κ3
λ3
功耗延迟积
1/κ3
1/κ
λ2/κ3
栅电容
κ
κ
κ
面积
1/κ2
1/κ2
1/κ2
集成密度
κ2
κ2
κ2

参考：甘学温，黄如，刘晓彦，张兴 编著《纳米CMOS器件》，科学出版社，2004

设计十一 NMOS亚阈值转移特性试验
1） 运用MDRAW工具设计一个NMOS管的边界及掺杂；
2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；
3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中在Vg = 0 V时Vd从0V扫到2V ).
4） 应用INSPECT工具得出器件的亚阈值电压特性曲线，其中Y轴坐标用对数坐标（方便观察亚阈值斜率），提取亚阈值斜率很亚阈值泄漏电流。
提示：改变沟道长度（0.18，0.14，0.10，0.06）或改变氧化层厚度（10-100），在INSPECT中观察亚阈值电压特性曲线，并提取不同的亚阈值电压值进行比较。

设计十二 二极管工艺流程实验
1） 编写*_dio.cmd文件（或在LEGMENT操作平台下）对二极管的整个工艺流程进行模拟：
下面给出工艺参数：
衬底掺杂：N-type wafer=Phos/5e14,Orientation=100；
氧化淀积：200A；
粒子注入：B/30K/5e12/T7；
热退火：temperature=(1100),time=30mine,Atmosphere=Mixture.
2） 运行*_dio.cmd文件，观察其工艺执行过程。
3） 在MDRAW工具中调入DIOS中生成的mdr_*.bnd和mdr_*.cmd文件，再对器件的网格进行更进一步的加密。
4） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中考虑二极管偏压分别在-2V，0V，0.5V时的输出特性，及其击穿特性；

设计十三 NMOS工艺流程实验
1） 编辑*_dio.cmd文件（或在LEGMENT操作平台下）对NMOS进行工艺流程模拟，工艺参数见注释；
2） 运行*_dio.cmd文件，观察其工艺执行过程。
3） 在MDRAW工具中调入DIOS中生成的mdr_*.bnd和mdr_*.cmd文件，再对器件的网格进行更进一步的加密。
4） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中对其简单的Id-Vg特性进行模拟；
5） 在INSPECT中观察不同的工艺参数值对器件的特性有何影响，特别的对阈值电压的影响。
注： simple nmos example：
substrate (orientation=100, elem=B, conc=5.0E14, ysubs=0.0)
comment('p-well, anti-punchthrough & Vt adjustment implants')
implant(element=B, dose=2.0E13, energy=300keV, tilt=0)
implant(element=B, dose=1.0E13, energy=80keV, tilt=7)
implant(element=BF2, dose=2.0E12, energy=25keV, tilt=7)

comment('p-well: RTA of channel implants')
diff(time=10s, temper=1050)

comment('gate oxidation')
diff(time=8, temper=900, atmo=O2 )
comment('poly gate deposition')
deposit(material=po, thickness=180nm)

comment('poly gate pattern')
mask(material=re, thickness=800nm, xleft=0, xright=0.09)

comment('poly gate etch')
etching(material=po, stop=oxgas, rate(aniso=100))
etching(material=ox, stop=sigas, rate(aniso=10))
etch(material=re)

comment('poly reoxidation')
diffusion(time=20, temper=900, atmo=O2, po2=0.5)

comment('nldd implantation')
implant(element=As, dose=4.0E14, energy=10keV, tilt=0)

comment('halo implantation')
impl(element=B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=0, tilt=30)
impl(element=B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=90, tilt=30)
impl(element=B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=180, tilt=30)
impl(element=B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=270, tilt=30)

comment('RTA of LDD/HALO implants')
DIFFusion(Time=5sec,TEmperature=1050degC)

comment('nitride spacer')
depo(material=ni, thickness=60nm)
etch(material=ni, remove=60nm, rate(a1=100), over=40)
etch(material=ox, stop=(pogas), rate(aniso=100))

comment('N+ implantation & final RTA')
impl(element=As, dose=5E15, energy=40keV, tilt=0)
diff(time=10s, temper=1050, atmo=N2)

comment('full device structure')
comment('metal S/D contacts')
mask(material=al, thick=0.03, x(-0.5, -0.2, 0.2, 0.5) )

退火要考虑pair diffusion，离子注入考虑晶格的损伤，并考虑不同的栅长。