2.1 ATHENA 概述

从第二章开始，我们正式进入：

二维工艺仿真。

这一章的主角就是：

ATHENA

如果前面只是认识 Silvaco TCAD 的基本环境，那么从这里开始，我们真正要学习：

怎样在计算机里模拟一个半导体器件“被制造出来”的过程。

一、ATHENA 是干什么的？

原书一开始就说，ATHENA 具有很强的工艺仿真功能。

它可以模拟很多单项半导体工艺，例如：

• 离子注入；
• 扩散；
• 淀积；
• 刻蚀；
• 外延；
• 光刻；
• 氧化。

这些工艺我们以后会分别学习。

但是实际制造一个器件，当然不可能只做一次注入或者一次刻蚀。

真正的器件工艺通常是：

衬底 ↓氧化 ↓光刻 ↓刻蚀 ↓离子注入 ↓退火 / 扩散 ↓淀积 ↓……

所以原书强调：

所谓集成工艺，本质上就是把很多单项工艺按照一定顺序组合起来。

这也是 ATHENA 最重要的用途之一。

二、为什么我们平时感觉不到 ATHENA 内部有很多模块？

原书这里特别提了一点：

不同的工艺步骤，实际上可能对应 ATHENA 内部不同的仿真模块。

但是在 DeckBuild 里面，这些模块可以被灵活调用。

所以作为用户，我们通常只需要按照工艺顺序写：

implant ...diffuse ...deposit ...etch ...

并不需要每做一个工艺，就自己手动切换一次底层模块。

也就是说：

ATHENA 把很多不同的工艺仿真能力统一到了一个使用环境中。

这也是为什么初学时我们可以先把 ATHENA 整体理解成：

二维半导体工艺模拟器。

三、ATHENA 的输入是什么？

原书图 2.1 给出了 ATHENA 的输入输出框架。

先看输入端。

主要包括三类信息：

1. 工艺步骤

也就是告诉 ATHENA：

晶圆接下来经历什么工艺？

例如：

离子注入扩散氧化刻蚀淀积

2. GDS 版图

GDS 可以先简单理解成：

芯片版图中的几何图形信息。

它决定某些工艺区域在哪里。

3. 掩膜

尤其在光刻过程中，需要告诉软件：

哪些区域被遮挡，哪些区域被曝光。

所以 ATHENA 的输入，本质上是在描述：

“这个晶圆接下来应该怎么加工？”

四、ATHENA 能输出什么？

经过一系列工艺步骤以后，ATHENA 可以得到器件结构。

原书图 2.1 列出了很多输出，例如：

• 一维和二维结构；
• 材料厚度；
• 结深；
• 淀积和刻蚀外形；
• CD 外形、开口槽等；
• 电阻和 C-V 分析；
• 某些简单结构的电学信息。

其中有一个非常重要的输出：

把工艺仿真得到的结构交给 ATLAS。

所以一个非常典型的 TCAD 工作流程就是：

ATHENA↓模拟器件怎么制造↓得到器件结构↓ATLAS↓模拟这个器件怎么工作

这也把第一章讲过的 ATHENA 和 ATLAS 真正连接起来了。

五、ATHENA 自己带有大量默认参数

接下来原书介绍了一件很重要的事情：

ATHENA 并不是要求我们把所有物理参数都自己写出来。

软件本身已经带有大量默认参数。

这些参数保存在 ATHENA 的一些文件中。

1. athenamod

这个我们前面已经碰到过。

它里面保存了很多默认信息，例如：

• 物理模型参数；
• 扩散参数；
• 氧化参数；
• 数值计算参数；
• 淀积、刻蚀设备特性；
• 材料和光刻胶的光学参数等。

所以启动 ATHENA 时看到：

Loading model file ... athenamod ... done.

就是软件正在读取这些默认模型和参数。

2. 离子注入相关参数文件

原书还提到：

implant_tabl

目录下面的：

std_table

以及一些：

svdp****

文件。

这些主要保存：

离子注入模型所需要的参数。

3. 高级扩散模型参数

原书说：

pls

和：

models

目录下面的一些：

*.mod

文件，

保存了高级扩散模型使用的参数。

4. athenares

这个文件则保存了一些：

电阻率随掺杂浓度变化的数据。

六、这些默认参数文件能不能直接改？

原书这里特别提醒：

不要直接修改这些参数文件。

因为这些文件属于 ATHENA 的基础模型和参数数据库。

直接修改可能导致软件工作异常。

如果确实希望根据实验结果调整模型参数，应该使用正规的：

工艺校准（Process Calibration）

方法。

原书把这部分放到了后面的第 5.3 节。

所以现在只需要记住：

默认参数可以使用，但不要随便去修改 ATHENA 安装目录里的模型文件。

七、ATHENA 生成的结构可以继续给其他软件使用

原书接下来介绍了：

SSF——Standard Structure File，标准结构文件。

ATHENA 生成的标准结构文件，可以继续被其他仿真工具调用，例如：

ATLAS

或者：

DevEdit

这个结构文件中不只是保存了一张“器件图片”。

它还包含：

• mesh 信息；
• solution 信息；
• model 信息；
• 以及其他相关参数。

所以可以把结构文件理解成：

某一个工艺步骤结束之后，器件当前完整状态的数字化保存。

八、ATHENA 到底能模拟哪些工艺？

原书接下来用了很大篇幅列出 ATHENA 的功能。

这里不用把每一个模型名字都背下来。

我们只需要先建立“大分类”。

ATHENA 可以模拟：

1. 扩散

例如：

• 杂质扩散；
• 缺陷相关扩散；
• 快速热退火；
• 氧化增强或阻止扩散等。

2. 氧化

例如：

• 单晶硅、多晶硅氧化；
• 应力相关氧化；
• 沟槽和复杂结构氧化等。

3. 刻蚀

包括：

• 几何刻蚀；
• 各向同性和各向异性刻蚀；
• RIE；
• 蒙特卡洛等离子体刻蚀等。

4. CMP

也就是：

化学机械抛光。

ATHENA 也包含相关模型。

5. 淀积

包括：

• 普通淀积；
• CVD；
• 表面扩散和迁移；
• 弹道淀积；
• 用户自定义模型等。

6. 烘烤

例如：

• 时间、温度相关的烘烤过程；
• 光刻胶材料流动等。

7. 曝光

主要用于光刻过程中的：

光在结构和光刻胶中的传播与吸收。

8. 成像

ATHENA 可以使用：

• 解析模型；
• Monte Carlo 等方法；

模拟相关成像和注入过程。

9. 显影

用于模拟：

光刻胶曝光以后怎样被显影。

10. 外延

也就是：

Epitaxy，外延生长。

11. 硅化

包括一些常见金属硅化物的形成模型。

12. C 注释器

用于：

允许用户进一步自定义某些工艺模型。

所以从这一长串功能其实可以看出：

ATHENA 并不只是一个“离子注入软件”或者“扩散软件”，而是一套比较完整的二维半导体工艺模拟平台。

九、学习 ATHENA 时应该充分利用 Examples

原书在这里再次强调了第一章已经讲过的学习方法：

充分使用 ATHENA 自带的示例。

ATHENA 的示例按照不同工艺类型进行了分类，例如原书列出了：

athena_adaptmeshathena_advancedathena_calibrationathena_complexathena_compoundathena_diffusionathena_eliteathena_implantathena_miscathena_optolithathena_oxidationdoe

这些名称现在不需要背。

真正需要理解的是：

ATHENA 自带大量完整的工艺仿真案例。

所以学习某种新工艺时，可以先：

找到相近 Example      ↓跑通      ↓看懂每一步      ↓再查手册      ↓修改参数

这与第一章作者推荐的学习方法是一致的。

十、一个完整的工艺仿真是怎样组织的？

这一节后面给出了图 2.3。

这张图其实非常重要，因为它把整个 ATHENA 工艺仿真流程串起来了。

最基本的流程可以理解成：

启动 ATHENA      ↓建立网格      ↓初始化衬底      ↓工艺步骤 1      ↓工艺步骤 2      ↓……      ↓工艺步骤 n      ↓结构操作 / 特性提取      ↓TonyPlot 显示      ↓结束 ATHENA

以后第二章很多内容，实际上就是在逐个学习这个流程里的每一个“框”。

第一步：建立网格

首先需要定义：

计算区域怎么划分。

ATHENA 是基于网格进行数值计算的，所以必须先建立网格。

第二步：初始化衬底

接下来告诉 ATHENA：

• 衬底是什么材料；
• 掺杂是什么；
• 晶向是什么；
• 初始状态是什么。

也就是：

仿真从什么晶圆开始。

第三步：执行工艺步骤

然后按照真实工艺依次写：

implantdiffuseoxidationetchdeposit...

每一步都有：

模型 + 工艺参数。

第四步：提取参数

工艺做完以后，可以使用前面已经学过的：

extract

提取：

• 结深；
• 材料厚度；
• 掺杂浓度；
• 其他工艺参数。

第五步：保存或操作结构

还可以：

• 保存结构；
• 导入结构；
• 旋转；
• 镜像等。

第六步：TonyPlot 显示

最后：

tonyplot

把工艺仿真结果显示出来。

十一、原书用一个最简单的例子把这个流程串起来

原书例 2-1 只做两件真正的工艺：

硼离子注入 + 退火扩散。

首先：

go athena

启动 ATHENA。

然后定义网格：

line x ...line y ...

再初始化一个含磷的硅衬底：

init silicon c.phos=1.0e14

这里先不用深入语法。

它的意思就是：

建立一个初始硅衬底，并定义磷掺杂。

然后进行硼离子注入：

implant boron dose=1e13 energy=70

也就是：

向硅中注入硼。

接着退火扩散：

diffuse time=30 temperature=1000

表示：

在指定温度和时间下进行扩散/退火。

然后提取结深：

extract name="xj" ...

得到：

PN 结的位置。

再保存结构：

structure outfile=boron_implant.str

最后：

tonyplot boron_implant.str

把最终掺杂分布显示出来。

整个流程就是：

启动 ATHENA      ↓定义网格      ↓初始化含磷硅衬底      ↓注入硼      ↓退火扩散      ↓提取结深      ↓保存结构      ↓TonyPlot 显示      ↓quit

这其实就是一个完整 ATHENA 工艺仿真的最小版本。

十二、原书借这个例子强调了一个非常重要的问题：网格

例 2-1 最后的 TonyPlot 图显示：

• 横轴是深度；
• 纵轴是杂质浓度；
• 一条曲线是硼；
• 一条曲线是原有的磷。

两条浓度曲线相交的位置，就形成了 PN 结。

原书在这里特别提醒：

网格定义会对仿真结果产生很大影响。

甚至有时候：

网格带来的影响可能超过某些工艺参数或者物理模型本身的影响。

所以如果要比较：

某一个工艺参数改变以后，结果有什么变化？

一定要尽量保证：

使用相同的网格进行比较。

否则可能把“网格不同造成的差异”，误认为是“工艺参数造成的差异”。

这个概念在后面的工艺仿真中会一直出现。

十三、工艺仿真的结果保存在哪里？

2.1 最后，原书总结了几种工艺仿真结果：

1. 结构文件

例如：

*.str

保存最终或者中间结构。

2. 实时输出窗口

DeckBuild 运行过程中会显示：

• 当前步骤；
• 提取结果；
• 运行信息等。

3. dat 文件

某些提取结果也可以保存成：

*.dat

文件。

结构文件和 dat 文件都可以进一步用 TonyPlot 查看。

本节小结

2.1「ATHENA 概述」真正想做的是：

先给我们画出整个二维工艺仿真的地图。

ATHENA 的输入可以包括：

• 工艺步骤；
• 版图；
• 掩膜。

然后通过：

• 扩散；
• 氧化；
• 刻蚀；
• 淀积；
• CMP；
• 光刻；
• 外延；
• 硅化等；

模拟真实半导体制造过程。

最终得到：

一个包含材料、网格、掺杂以及其他信息的器件结构。

而一个最基本的 ATHENA 工艺仿真流程就是：

启动 ATHENA      ↓定义网格      ↓初始化衬底      ↓执行一系列工艺步骤      ↓提取工艺参数      ↓保存结构      ↓TonyPlot 查看结果

第二章后面的内容，基本就是把这个流程中的每一个步骤逐个拆开详细学习。

如果这一节只记一句话：

ATHENA 的本质，就是在计算机中按照工艺顺序一步一步“制造”半导体结构，并记录每一步之后材料、几何形状和掺杂分布怎样发生变化。

资料依据：《半导体工艺和器件仿真软件 Silvaco TCAD 实用教程》第 2.1 节“ATHENA 概述”。