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一个简单的CMOS结构的Athena仿真以及代码解析

仿真

期末项目要用Athena做一个CMOS制造流程，结构如图。

仿真结果：

仿真数值：

Extracted parameters（The data must be clearly given, and the screenshots are needed for prove）

The step 5, extract the nwell junction depth  05nwell = 0.742309um

The step 7, extract the thickness of SiO2 inside Nwell  07tox_in_nwell = 0.210375um

The step 7, extract the thickness of SiO2 outside Nwell  07tox_out_nwell = 0.243607um

The step 7, step height of silicon surface = 0.178331-0.114659 um = 0.063672um

The step 7, extract the junction depth of Nwell  07nwell = 4.45937um

The step 9, extract the thickness of SiO2 inside Nwell  09tox_in_nwell = 0.0430882um

The step 9, extract the thickness of SiO2 outside Nwell  09tox_out_nwell = 0.0430863um

Step 10, observe the photoresist

Step 11, curve of Boron concentration, x axis for 1D curve range 0-10

Step 13, plot curve1 and 2 in one picture x axis range 0-10

The step 15, extract thickness of SiO2 in the active region  15thickness_of_SiO2_in_active_region = 0.0421572um

The step 20, extract thickness of SiO2（X.val=8） 20SiO2 = 0.951967um

The step 22, due to the step 20, thickness of SiO2 needs to be etched is about 0.15um, extract remained thickness of SiO2  22SiO2 = 0.801967um

The step 23, extract thickness of SiO2 X=4.5  23SiO2 = 0.0335531um

The step 28, thickness of oxide on top of NMOS Poly and PMOS Poly  28NpolySiO2 = 0.0125231um  28PpolySiO2 = 0.0125231um

The step 31, extract junction depth of N+, x = 3.5  31N+1 = 0.266465um, x = 5.5  31N+2 = 0.265963um

The step 33, extract thickness of oxide on top of NMOS Poly and PMOS Poly  33Npoly = 0.0200301um  33Ppoly = 0.0322859um

The step 36, extract junction depth of P+, x = 11  36P+1 = 0.303582um, x=13  36P+2 = 0.29539um

The step 47,

1. Vt for NMOS with Vsub=2V； 47NVt = 2.48013V

2. Vt for PMOS with Vsub=0V;   47PVt = -1.6258V

3. Channel doping for NMOS and PMOS;   47NChannelDoping = 2.71413e+15 atoms/cm3, 47PChannelDoping = 1.47776e+16 atoms/cm3.

4. Gate oxide thickness for NMOS and PMOS   47Noxide = 0.0335536um, 0.0335637um.

下面是我的仿真代码：

go athena

#00
line x location=0 spacing=0.1
line x location=16.5 spacing=0.1
line y location=0 spacing=0.1
line y location=1 spacing=0.1
line y location=20 spacing=5

#01
init silicon boron resistivity=50 orientation=100 two.d

#02
deposit oxide thick=0.1 

structure outfile=02.str

#03
deposit photoresist thick=1.2 

# 
etch photoresist right p1.x=8.5 

structure outfile=03.str

#04
etch oxide 
structure outfile=04.str

#05
# 
implant phosphor dose=5.0e12 energy=130  crystal 

#
extract name="05nwell" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=12 junc.occno=1

structure outfile=05.str

#06
etch photoresist all 

#07

# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.o2=8 
# 
diffus time=60 minutes temp=800 t.final=1180  f.o2=8 
# 
diffus time=200 minutes temp=1180 f.n2=8 f.o2=4 
# 
diffus time=120 minutes temp=1180 t.final=800 f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=6 

# Extract thickness
extract name="07tox_in_nwell" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=12.0
#
extract name="07tox_out_nwell" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.0

# 
extract name="07Silicon_inside_Nwell_surface" min.bound material="SiO2" mat.occno=1 x.val=12.0

extract name="07Silicon_outside_Nwell_surface" min.bound material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.0
#
extract name="07nwell" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=12

#08
etch oxide all 

structure outfile=08.str

#09
# 
diffus time=34 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=25 minutes temp=800 t.final=1000  f.n2=8 
# 
diffus time=5 minutes temp=1000 f.n2=8 
# 
diffus time=45 minutes temp=1000 f.o2=8 
# 
diffus time=30 seconds temp=1000 f.o2=8 
# 
diffus time=20 minutes temp=1000 t.final=900  f.n2=8 
# 
diffus time=30 minutes temp=900 f.n2=8 
# 
diffus time=1 hours temp=900 t.final=800  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=8 
#
extract name="09tox_in_nwell" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=12.0
#
extract name="09tox_out_nwell" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.0
#
structure outfile=09.str
#10
# 
deposit photoresist thick=1.2 
# 
etch photoresist left p1.x=7.5 

structure outfile=10.str
#11
# 
implant boron dose=5.0e12 energy=110 crystal 
#
structure outfile=11.str
#12
# 
etch photoresist all 
#13
# 
diffus time=20 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=60 minutes temp=800 t.final=1150  f.n2=8 
# 
diffus time=150 minutes temp=1150 f.n2=8 
# 
diffus time=120 minutes temp=1150 t.final=800  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=6 
#
structure outfile=13.str
#14
# 
etch oxide all 
#15
# 
diffus time=34 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=25 minutes temp=800 t.final=1000  f.n2=8 
# 
diffus time=5 minutes temp=1000 f.n2=8 
# 
diffus time=45 minutes temp=1000 f.o2=8 
# 
diffus time=30 seconds temp=1000 f.o2=8 
# 
diffus time=20 minutes temp=1000 t.final=900  f.n2=8 
# 
diffus time=30 minutes temp=900 f.n2=8 
# 
diffus time=1 hours temp=900 t.final=800  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=8 
#
extract name="15thickness_of_SiO2_in_active_region" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.5
#
structure outfile=15.str
#16
# 
deposit nitride thick=0.15 div=5
#
structure outfile=16.str
#17
#18
# 
etch nitride start x=1.50 y=3.00 
etch cont x=2.50 y=3.00 
etch cont x=2.50 y=-2.00 
etch done x=1.50 y=-2.00 
# 
etch nitride start x=6.50 y=3.00 
etch cont x=10.00 y=3.00 
etch cont x=10.00 y=-2.00 
etch done x=6.50 y=-2.00 
# 
etch nitride start x=14.00 y=3.00 
etch cont x=15.00 y=3.00 
etch cont x=15.00 y=-2.00 
etch done x=14.00 y=-2.00 
#
structure outfile=18.str
#19
#20
# 
diffus time=30 minutes temp=800 f.n2=20 
# 
diffus time=8 minutes temp=800 t.final=950  f.n2=8 
# 
diffus time=1 hours temp=950 f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=950 f.o2=8 
# 
diffus time=30 seconds temp=950 f.o2=8 
# 
diffus time=6 hours temp=950 f.h2=7.3 f.o2=4 
# 
diffus time=50 minutes temp=950 t.final=800  f.n2=8
# 
diffus time=10 minutes temp=800 t.final=750  f.n2=8
# 
diffus time=15 minutes temp=750 f.n2=10 
extract name="20SiO2" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=8.0
#
structure outfile=20.str
#21
# 
etch nitride all 
#
structure outfile=21.str
#22
# 
etch oxide dry thick=0.15 
#
structure outfile=22.str
extract name="22SiO2" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=8.0
#23
# 
diffus time=20 minutes temp=750 t.final=1000  f.n2=3 
# 
diffus time=33 minutes temp=1000 dryo2 
# 
diffus time=20 minutes temp=1000 t.final=750  inert
#
extract name="23SiO2" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.5
structure outfile=23.str
#24
# 
deposit polysilicon thick=0.35 c.phosphor=5e12 div=5
structure outfile=24.str
#25
#26
# 
etch polysilicon start x=0.00 y=2.00 
etch cont x=4.00 y=2.00 
etch cont x=4.00 y=-1.00 
etch done x=0.00 y=-1.00 
# 
etch polysilicon start x=5.00 y=2.00 
etch cont x=11.50 y=2.00 
etch cont x=11.50 y=-1.00 
etch done x=5.00 y=-1.00 
structure outfile=26.str
# 
etch polysilicon start x=12.50 y=2.00 
etch cont x=16.50 y=2.00 
etch cont x=16.50 y=-1.00 
etch done x=12.50 y=-1.00 
structure outfile=26.str

#27
#28
# 
diffus time=18 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 t.final=900  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=900 f.hcl=0.1 f.o2=8 
# 
diffus time=30 seconds temp=900 f.hcl=0.1 f.o2=8 
# 
diffus time=3 minutes temp=900 f.o2=8 
# 
diffus time=30 minutes temp=900 t.final=800  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=15 

structure outfile=28.str
#
extract name="28NpolySiO2" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.5
#
extract name="28PpolySiO2" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=12

#
init infile=28.str

#29
deposit photoresist thick=1.2 
# 
etch photoresist start x=15.50 y=2.00 
etch cont x=15.50 y=-2.00 
etch cont x=16.50 y=-2.00 
etch done x=16.50 y=2.00 

etch photoresist start x=3.00 y=2.00 
etch cont x=3.00 y=-2.00 
etch cont x=6.00 y=-2.00 
etch done x=6.00 y=2.00 

structure outfile=29.str

#30
#31
# 
implant arsenic dose=5.0e15 energy=80 crystal 

#
extract name="31N+1" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=3.5 junc.occno=1
#
extract name="31N+2" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=5.5 junc.occno=1


structure outfile=31.str
#32
# 
etch photoresist all 

structure outfile=32.str
#33
# 
diffus time=18 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 t.final=900  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=900 f.hcl=0.1 f.o2=8 
# 
diffus time=30 seconds temp=900 f.hcl=0.1 f.o2=8 
# 
diffus time=3 minutes temp=900 f.o2=8 
# 
diffus time=30 minutes temp=900 t.final=800  f.n2=8 
# 
diffus time=15 minutes temp=800 f.n2=15 

#
extract name="33Npoly" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=4.5
#
extract name="33Ppoly" thickness material="SiO2" mat.occno=1 x.val=12

structure outfile=33.str
#34
deposit photoresist thick=1.2 
# 
etch photoresist start x=0.00 y=2.00 
etch cont x=0.00 y=-2.00 
etch cont x=1.00 y=-2.00 
etch done x=1.00 y=2.00 

etch photoresist start x=10.5 y=2.00 
etch cont x=10.5 y=-2.00 
etch cont x=13.5 y=-2.00 
etch done x=13.5 y=2.00 

structure outfile=34.str

#35
#36
# 
implant bf2 dose=4.0e15 energy=80 crystal 
#
#
extract name="36P+1" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=11 junc.occno=1
#
extract name="36P+2" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=13 junc.occno=1

structure outfile=36.str

#37
# 
etch photoresist all 

structure outfile=37.str
#38
# 
deposit oxide thick=1 

structure outfile=38.str
#39
#40
#41
# 
etch oxide start x=0.50 y=2.00 
etch cont x=0.50 y=-2.00 
etch cont x=1.00 y=-2.00 
etch done x=1.00 y=2.00 
# 
etch oxide start x=3.00 y=2.00 
etch cont x=3.00 y=-2.00 
etch cont x=3.50 y=-2.00 
etch done x=3.50 y=2.00 
# 
etch oxide start x=5.50 y=2.00 
etch cont x=5.50 y=-2.00 
etch cont x=6.00 y=-2.00 
etch done x=6.00 y=2.00 
# 
etch oxide start x=10.50 y=2.00 
etch cont x=10.50 y=-2.00 
etch cont x=11.00 y=-2.00 
etch done x=11.00 y=2.00 
# 
etch oxide start x=13.00 y=2.00 
etch cont x=13.00 y=-2.00 
etch cont x=13.50 y=-2.00 
etch done x=13.50 y=2.00 
# 
etch oxide start x=15.50 y=2.00 
etch cont x=15.50 y=-2.00 
etch cont x=16.00 y=-2.00 
etch done x=16.00 y=2.00 

structure outfile=41.str
#42
#43
#44
# 
deposit aluminum thick=1.45 
structure outfile=45.str
#45
#46
# 
etch aluminum start x=3.80 y=2.00 
etch cont x=3.80 y=-10.00 
etch cont x=5.20 y=-10.00 
etch done x=5.20 y=2.00 
# 
etch aluminum start x=6.80 y=2.00 
etch cont x=6.80 y=-10.00 
etch cont x=10.20 y=-10.00 
etch done x=10.20 y=2.00 
# 
etch aluminum start x=11.30 y=2.00 
etch cont x=11.30 y=-10.00 
etch cont x=12.70 y=-10.00 
etch done x=12.70 y=2.00 

structure outfile=46.str
#47
extract name="47NVt" 1dvt ntype vb=2.0 x.val=4.5
extract name="47PVt" 1dvt ptype vb=0 x.val=12
extract name="47NChannelDoping" surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon" mat.occno=1 x.val=4.5
extract name="47PChannelDoping" surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon" mat.occno=1 x.val=12
extract name="47Noxide" thickness material="SiO2" mat.occno=2 x.val=4.5
extract name="47Poxide" thickness material="SiO2" mat.occno=2 x.val=12

这段代码模拟了一个典型的CMOS制造流程，从最初的硅衬底开始，经过掺杂、氧化、刻蚀、沉积等一系列步骤，最终形成具有基本功能的晶体管结构。

代码解析

让我们一步步剖析代码中的关键部分：

1. 准备阶段 (#00, #01)

  • go athena: 启动 Athena 工艺仿真器。
  • line: 定义了仿真的二维区域和网格密度。注意要表面较密。
  • init silicon boron resistivity=50 orientation=100 two.d: 初始化仿真基底。我们从一块掺硼（P型）、电阻率为50欧姆-厘米、晶向为(100)的硅衬底开始。这是最常见的CMOS起始材料。

2. N阱形成 (#02 - #08)

  • deposit oxide thick=0.1: 沉积一层薄氧化层，可能作为后续注入的缓冲层或牺牲层。
  • deposit photoresist thick=1.2: 沉积光刻胶。
  • etch photoresist right p1.x=8.5: 刻蚀掉坐标 x=8.5 右侧的光刻胶。左侧的光刻胶保留，形成掩模。
  • etch oxide: 刻蚀掉光刻胶下方（右侧）暴露的氧化层。
  • implant phosphor dose=5.0e12 energy=130 crystal: 在暴露区域注入磷（Phosphor）。磷是N型掺杂剂。这次注入将在P型衬底中形成N型区域，也就是N阱。剂量和能量决定了注入的浓度和深度。crystal 参数表示考虑了晶体效应。
  • extract name="05nwell" xj ...: 测量注入后N阱的结深（Junction Depth, xj）。
  • etch photoresist all: 移除剩余的光刻胶。
  • diffus ...: 接下来是一系列长时间、高温的扩散（Diffusion）步骤，温度从800°C升至1180°C，并在不同气氛（O2, N2）下进行。这些步骤的作用是：
    • 激活注入的磷，使其具有电活性。
    • 将磷原子向硅内部和横向扩散，形成更深、更宽的N阱。
    • 在有O2的地方可能伴随氧化层生长。
  • extract ...: 在扩散后再次测量N阱结深、氧化层厚度等参数，以检查扩散效果。
  • etch oxide all: 移除扩散后生成的或剩余的氧化层。

3. 场氧化层 (LOCOS) 形成 (#09 - #21)

  • diffus ...: 又一系列扩散步骤，可能用于生长一层薄的垫氧化层（Pad Oxide）。
  • deposit nitride thick=0.15: 沉积一层氮化硅（Nitride）。氮化硅在高温氧化时可以阻挡氧原子扩散，常被用作局部氧化（LOCOS）的掩模。
  • etch nitride start ... done ...: 通过精确的坐标定义，刻蚀掉氮化硅层，在未来需要形成晶体管“有源区”的地方露出下层结构。未刻蚀掉的氮化硅区域将对应未来的“场区”，形成厚隔离氧化层。
  • diffus ... f.h2=7.3 f.o2=4: 长时间的高温扩散（950°C），特别注意 f.h2 和 f.o2 参数，这代表了湿氧气氛，是典型的场氧化工艺条件。在没有氮化硅掩盖的区域，硅会大量氧化，形成很厚的场氧化层（Field Oxide, FOX），用于隔离不同的器件。
  • extract ...: 测量场氧化层厚度。
  • etch nitride all: 移除剩余的氮化硅掩模。

4. 栅极形成 (#22 - #26)

  • etch oxide dry thick=0.15: 刻蚀掉部分氧化层，可能是在有源区清理表面。
  • diffus ... dryo2: 短时间高温（1000°C）干氧扩散。这是生长薄栅氧化层（Gate Oxide）的关键步骤。栅氧化层是栅电极和硅衬底之间的绝缘层。
  • extract ...: 测量栅氧化层厚度。
  • deposit polysilicon thick=0.35 c.phosphor=5e12: 沉积一层掺磷（N型）的多晶硅（Polysilicon）。多晶硅是现代CMOS器件常用的栅电极材料。
  • etch polysilicon start ... done ...: 刻蚀多晶硅层，形成独立的栅极结构。

5. 源/漏区形成 (#27 - #37)

  • diffus ...: 短时间的退火步骤，可能用于稳定栅极或生长一层薄钝化氧化层。
  • extract ...: 测量多晶硅上的氧化层厚度。
  • init infile=28.str: 读取上一步保存的结构文件，确保从正确状态开始下一步。
  • deposit photoresist thick=1.2: 沉积光刻胶。
  • etch photoresist start ... done ...: 刻蚀光刻胶，暴露出需要形成N+源/漏的区域。请注意，栅极多晶硅也同时起到了掩模作用（自对准工艺）。
  • implant arsenic dose=5.0e15 energy=80 crystal: 注入砷（Arsenic）。砷是N型掺杂剂，剂量很高（5e15），用于形成高浓度N+区。这将在P型衬底（左侧区域）栅极两侧形成NMOS的源/漏区。
  • extract ... xj ...: 测量N+源/漏的结深。
  • etch photoresist all: 移除光刻胶。
  • diffus ...: 退火步骤，激活N+掺杂。
  • deposit photoresist ... etch photoresist ...: 再次沉积和刻蚀光刻胶，暴露出需要形成P+源/漏的区域。
  • implant bf2 dose=4.0e15 energy=80 crystal: 注入BF2。BF2分解后注入硼（Boron），硼是P型掺杂剂。这将在N阱区域（右侧区域）栅极两侧形成PMOS的P+源/漏区。
  • extract ... xj ...: 测量P+源/漏的结深。
  • etch photoresist all: 移除光刻胶。

6. 互连层形成 (#38 - #46)

  • deposit oxide thick=1: 沉积一层厚的氧化层，作为层间介质（Interlayer Dielectric, ILD），用于隔离金属层和下层结构。
  • etch oxide start ... done ...: 刻蚀出接触孔（Contact Holes），露出源/漏区和栅极上需要连接金属的区域。
  • deposit aluminum thick=1.45: 沉积一层铝。铝是常见的金属互连材料。
  • etch aluminum start ... done ...: 刻蚀铝层，形成金属连线（Metal Interconnects），通过接触孔连接到下层器件的源/漏和栅极。

7. 参数提取与分析 (#47)

  • extract name="47NVt" 1dvt ntype vb=2.0 x.val=4.5: 提取NMOS晶体管（位于x=4.5附近）在一定衬底偏压下的阈值电压（Vt）。
  • extract name="47PVt" 1dvt ptype vb=0 x.val=12: 提取PMOS晶体管（位于x=12附近）的阈值电压。
  • extract name="47NChannelDoping" surf.conc ...: 提取NMOS沟道区域的表面净掺杂浓度。
  • extract name="47PChannelDoping" surf.conc ...: 提取PMOS沟道区域的表面净掺杂浓度。
  • extract name="47Noxide" thickness ...: 提取NMOS栅极下方的栅氧化层厚度。
  • extract name="47Poxide" thickness ...: 提取PMOS栅极下方的栅氧化层厚度。

这些提取的参数是评估仿真结果是否符合设计要求的关键指标。

总结

通过这段不到300行的Athena代码，我们模拟了CMOS制造的核心流程：N阱形成、场氧化隔离、栅极制作、源/漏注入和退火、以及最后的金属互连。每一个命令都对应着半导体工厂中的一项实际工艺步骤。

代码中的 structure outfile=XX.str 命令会在每一步之后保存当前的结构文件，这些文件可以在 Athena 的可视化工具 DeckBuild 中打开，看到器件结构随工艺进行而发生的变化，例如掺杂区域的扩散、氧化层的生长、刻蚀形成的图案等等。

工艺模拟是现代集成电路设计和制造中不可或缺的环节。它不仅可以帮助工程师理解复杂的物理化学过程，预测工艺变化对器件性能的影响，还能在投入昂贵的实际生产之前，进行大量的实验和优化，大大缩短开发周期，降低成本。

Tags: 期末复习 IC设计 课程项目
Author: Alan
Date:2026年05月23日

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