Silvaco TCAD 공정 시뮬레이션 Athena 가이드

반도체 공정, 소자에 있어서 당연히 실제 과정을 수행해서 관찰하는 것이 좋을 것이다.

하지만 시간, 비용 측면에서 시뮬레이션을 하는 과정이 수반될 수 밖에 없다.

 

Silvaco사에서는 공정 시뮬레이션을 위한 Athena, 소자 시뮬레이션을 위한 Atlas가 있으며,

이는 Deckbuild라는 프로그램하에서 인풋 파일을 생성해 진행할 수 있다.

 

 

Input File과 초기 설정

Input file에서 가장 중요한 것은 초기 구조이다.

grid, 즉 mesh를 설정하는 것이 정말 중요한데, 시뮬레이션 환경에서 좋은 grid를 만드는 것이 결과에 치명적이다.

 

우선 mesh 간격이 너무 느슨하다면, 계산 과정에 있어서 적절히 측정되지 않으며, 이후 소자의 전기적 특성 측정에서도 값이 수렴하지 않는 문제가 생길 수 있다.

 

그렇다고 무조건 촘촘한 것이 좋은 것도 아니다.

촘촘하다는 것은 그만큼 계산에 사용되는 포인트가 많다는 것이고, 이는 시뮬레이션 속도가 매우 느려지는 문제를 낳는다.

 

따라서 변화가 급격하고, 관찰하고자 하는 부분에만 촘촘한 mesh를 짜는 것이 매우 중요하다.

예를 들어 Channel이라던지, Channel내에서도 gate주변을 좀 더 치밀하게 구조를 분석한다던지

상황에 따라 설정을 해줘야 한다.

 

Commands - mesh define 에서 설정해도 되고, 그냥 명령어를 삽입해도 되는데,

x, y축에 대해서 loc=00 으로는 위치에 대한 정보를, spac = 00으로는 그 주변에서의 간격에 대한 정보를 제공할 수 있다.

 

또한 Mesh Initialize 쪽에서 기본이되는 기판에 대한 정보를 설정할 수 있다.

보통 Si 소자를 사용하겠지만, 이외에도 여러 기판 물질을 지원하며, 사용자가 커스터마이징한 정보를 넣을 수도 있다.

기판에서는 물질외에도 격자구조의 Orientation, 불순물, 그리고 농도(농도 자체를 설정하거나 Resistivity로 설정가능) 등을 설정한다.

 

 

공정 (Process) 시뮬레이션

각 Process들에 대해 시뮬레이션을 진행할 수 있다.

 

Deposit (증착)

Deposit은 Thin film을 쌓는 과정으로, 물질과 두께를 선택할 수 있다.

또한 grid를 설정할 수 있는데, division, 즉 새로 쌓아올린 물질에 mesh를 어떻게 설정할 것인지를 말한다.

 

ETCH (식각)

Etch는 깎는 과정이고, type을 통해 어떤 방식으로 깎을 지를 결정한다.

시뮬레이션 환경에서 type은 기준으로 부터 left, right 등 특정 영역을 전부 삭제할 수도 있고,

any shape을 활용해서 원하는 좌표 4개를 통해 해당 영역의 해당 물질을 삭제할 수도 있다.

 

또한 깎을 물질을 선택할 수 있다.

 

 

Ion Implantation (이온 주입)

Implantation은 이온을 주입하는 공정이다.

Well을 형성하거나 Vth를 조절하는데 많이 사용한다.

 

어떤 불순물을 사용할지, Dose는 어느정도일지, Energy를 어떻게 할지를 선택할 수 있다.

또한 모델을 설정하는데,  Implantation에 따라 Doping Concentration의 분포 profile이 있다,

그 분포가 형성되는 것을 특정 수학적 모델로 다룬다. 이를 선택해줘야 한다.

 

그 외에 tilt는 channeling을 막기 위해 웨이퍼의 각도를 틀어서 주입하는데, 이때 그 각도를 선택하는 변수이고

웨이퍼 자체의 회전인 rotation도 있다.

추가로 격자의 구조에 대한 정보도 제공한다.

 

Diffusion(확산)

Diffusion은 확산을 통해 도핑 프로필을 조절한다.

시간, 온도를 제공하고, 관련해서 어떤 기체를 사용할지 dry, wet, gas flow등을 제공해서 반응을 유도한다.

 

Electrodes(전극)

소자를 만들었다면, Electrodes가 중요하다.

결국 소자를 만든 뒤에 전기적 특성을 관찰하게 될 텐데, 이와 관련해서 외부와 전기적 연결을 할 곳을 정의하는 작업이다.