嗨大家好我是丹丹~

一樣地，本回內(nèi)容主要參考臺灣大學的積體電路工程一門課如下視頻的內(nèi)容：

【公開課】集成電路工程（基于Silvaco TCAD，臺灣大學，積體電路工程/集成電路工藝）_嗶哩嗶哩_bilibili

在跟ATLAS同學稍微打完交道之後，我們來認識一下ATHENA同學。還記得我們在第零回提到：

ATHENA是透過模擬製程的方式「做出」元件。想當然爾後者會更真實、但也更複雜，而且後者也較少方塊的結(jié)構(gòu)、有曲線型。但做出結(jié)構(gòu)後也仰賴ATLAS進行分析電性等。

於此我們就來看一個被做出來的MOSFET長怎樣吧：

在閘極PolySi的左右出現(xiàn)了圓弧形的SiO2，這是所謂的"Spacer"，這在一般討論簡單半導體元件物理的場合不會特別提及，然而這東西卻在實際元件中十分重要。
總之，看到這沒有明確稜角的形狀就可以知道他應該不是由ATLAS做出來的。

大致來說，ATHENA的模擬流程可以分成以下五塊：

接著開始介紹語法。

註：類似呼叫ATLAS，呼叫使用ATHENA時開頭必是go athena，但在用ATHENA結(jié)束元件製作後通常是接go atlas執(zhí)行電性模擬。

一、確認結(jié)構(gòu)(Structure Specification)

建立結(jié)構(gòu)的過程與主要編碼也是透過Deck Build程式執(zhí)行。

其實從2016版以後，代碼的生成很多時候都可以透過GUI界面透過按按鈕的方式自動生成程式碼。但如果在以前的版本需要透過查手冊、查sample code(範例代碼)才可以比較好的知道如何使用設定哪些命令?？傊覀冞€是做大略的介紹。

1. 定義x與y格線的位置：

如無特別說明，大小的單位都是um。定義Mesh的概念跟ATLAS一樣，語法不同。

此外是製程模擬，所以我們只要定義基板就好，其餘的加工都是程式活。同時ATHENA對於對稱性結(jié)構(gòu)如MOS(BJT不是)，可以只畫一半的結(jié)構(gòu)就好，這樣可以縮短程式計算的時間(計算量砍半)，並且在最後存檔前寫下：「structure mirror right」即可把結(jié)構(gòu)向左對稱。

看個範例：

在2016版以後的Silvaco TCAD可以在選項列中選擇Commands>Syntax Dialog，選擇後會顯示如下畫面：

或者Commands>Mesh Define則會顯示：

再勾選右下角的ViewGrid可以預覽格線樣貌：

好感動有木有!!!

2. 定義基板的材料(Initial substrate)：

例1表示基板預設是100面的Si，摻雜Phosphor，輸入網(wǎng)格線放大比率默認為2.0
例2表示基板是100面的Si，摻雜Boron 1e17，輸入網(wǎng)格線放大比率不設定所以是1.0，晶片維度為2D
例3表示基板是100面的Si，摻雜Boron 1e14，輸入網(wǎng)格線放大比率默認為3.0，晶片維度為2D
例4表示基板是111面的Ge，摻雜Phosphor使電阻率為0.001 (ohm*cm)，輸入網(wǎng)格線放大比率默認為2.0，晶片維度為2D圓柱形
當然參數(shù)不用照順序，但是為學習與維護程式碼方便而統(tǒng)一。

這時當然會有疑惑，我怎麼知道有甚麼摻雜跟基板有甚麼材料可以選呢？其實2016版以後的Silvaco TCAD在Commands>Mesh initialize會有如下頁面：

至於基材的部分參考下表中的Semiconductor：

二、Save和Load

儲存結(jié)構(gòu)的語法：STRUCTURE outfile=檔名.str
之後要再叫出來則寫：INIT infile=檔名.str

會這麼早提Save是為避免某道製程失敗導致整個元件要重弄，適時在製程間存檔再讀檔是很重要的。

三、Process Steps

半導體製程總歸來說會有六大分類：
Deposition　Etching　Photo Process　Ion Implantation　Diffusion　Epitaxial
以下逐一介紹：

1. Deposition(沉積)：

可見y方向沉積的格子點數(shù)將會由我們定義、x方向的格子點數(shù)會沿用下一層材料的參數(shù)。

材料的選擇可以是Aluminum、Photoresist、Poly、Oxide…等等(有找到完整列表會補上來)

在2016版以後的TCAD中Commands>Process>Deposit可見如下畫面：

會發(fā)現(xiàn)在Grid子欄目中有其他Grid的設定可以選，不過講者未深入討論，僅供參考如下：

而Impurities子欄目則代表沉積時要順便沉積多少摻雜上去。

2. Etch(蝕刻)：

由於參數(shù)的內(nèi)容可以很多，我們先看2016版以後的TCAD中Commands>Process>Etch，可見如下畫面：

一般選擇Geometrical。

蝕刻類型有：All、left、right、above、below、Dry、Any shape

注意標定某個點時要確定該點是格子點的邊界，最好的方法就是在起初就算好哪個點之後要做哪個結(jié)構(gòu)然後畫線通過該點。如果標定的點不是邊界，則程式會壞掉。

順帶一提，也是得利於乾蝕刻的效果，讓我們能夠形成圓弧形的Spacer(均勻Depo完後乾蝕刻掉)：

看一些實際的範例：

3. Photo process(曝光顯影、黃光製程)：

其實黃光製程不是一個獨立的功能，而是Deposition PR+Etch PR的應用。

這裡補充些工程上的知識點，理論上因為避免摻雜深度不易而使用斜角離子佈植時會有影子效應，也就是一部分「陰影處」沒有被摻雜到。但是當傾斜角度過大或者摻雜的動能過大時，可能因為PR過薄而讓摻雜透過PR而讓PR失去遮蔽功能、影子效應消失，此時便要考慮用回阻絕氧化層(barrier oxide)來當遮罩了。

4.?Ion Implantation (離子佈植)：

預設的傾斜角就是7度、旋轉(zhuǎn)晶圓則是30度。例如：

例1表示摻雜boron，濃度計量為2e12cm^-3，能量為80keV，注入角度為7度，元件剖面角度30度、假設摻雜是單晶摻雜(可以換成amorphous)。此外還額外要求造成晶格的損傷、損傷程度是1(數(shù)字大小代表意義不確定)，其他額外參數(shù)可參考ATHENA Manuel P.330
例2表示摻雜boron，濃度計量為8e12cm^-3，能量為100keV，注入角度不說明就是默認7度，元件剖面角度默認30度、關(guān)於摻雜分布滿足PEARSON分布。
例3不多說明，同例2道理只是摻雜換As

在2016版以後的TCAD中Commands>Process>Implant可見如下畫面：

5. Diffusion：

環(huán)境參數(shù)代表的是擴散製程中裡面有甚麼其他氣體，例如：DryO2、WetO2、Nitrogen等等

→可以自訂通入流動氣體多久，語法為：F.氣體=<流率>。例如：

對應的程式碼：F.H2O=5.3 F.HCL=0.06 F.O2=8.0 PRESS=1.00
其中sccm是流體力學中流率單位，代表standard cubic centimeter per minute。表NTP下每分鐘每立方釐米的流量
→可以設定溫度變化來人工模擬真實爐管升降溫，語法為：T.rate=<(°C/min)>，可搭配T.final=<(°C)>

範例如下：

例1為擴散30分鐘，1000度通入1大氣壓力的乾氧，HCl的比例為3%
例2為擴散100分鐘，1000度通入濕氧，HCl的比例為3%(氣體壓力默認是1 atm)
例3為擴散10分鐘，10500度通入乾氧
例4為擴散6分鐘，1000度通入氮氣，氣體環(huán)境中所含磷雜質(zhì)及其濃度為1e13cm-3.
例5為擴散15分鐘，1050度通入濕氧，考慮費米模型
例6為擴散3分鐘，900度通入1大氣壓力濕氧，考慮費米模型、氧氣視為可壓縮來解簡化的流體方程
例7為擴散50分鐘，1000度通入0.1大氣壓力乾氧、HCl比例為3%、dT/dt=4(°C/min)，考慮費米模型、氧氣視為可壓縮來解簡化的流體方程。

參數(shù)的更詳細說明可參考ATHENA Manuel P.308

而在2016版的TCAD中Commands>Process>Diffuse可見如下畫面：

6.?Epitaxy(磊晶)：

其實磊晶可以看成沉積+擴散的結(jié)合。

額外參數(shù)的語法也跟沉積與擴散的語法類似，詳見ATHENA Manuel P.313

在2016版的TCAD中Commands>Process>Epitaxy可見有四個子介面可以看、也有許多參數(shù)可以調(diào)整。

好啦，本回就先到這裡，下次我們再來看剩下的電極設定與模擬分析吧！

我是丹丹，期待我們下次再見!