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ATHENA

User’s Manual

2 ATHENA User’s Manual

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EVICE3D, DISCOVERY, EDA OMNI, EDIF WRITER, ELITE, EXACT, EXPERT,

XPERT200, EXPERTVIEWS, FERRO, GATEWAY, GATEWAY200, GIGA, GIGA3D, GUARDIAN,

UARDIAN DRC, GUARDIAN LVS, GUARDIAN NET, HARMONY, HIPEX, HIPEX-C, HIPEX-

NET, HIPEX-RC, H

YPERFAULT, LASER, LED, LED3D, LISA, LUMINOUS, LUMINOUS3D,

AGNETIC, MAGNETIC3D, MASKVIEWS, MC DEPO/ETCH, MC DEVICE, MC IMPLANT,

MERCURY, M

IXEDMODE, MIXEDMODE3D, MOCASIM, MODELLIB, NOISE, NOMAD, OLED,

OPTOLITH, ORGANIC DISPLAY, ORGANIC SOLAR, OTFT, PROMOST, QUANTUM,

UANTUM3D, QUEST, REALTIMEDRC, RESILIENCE, S-PISCES, S-SUPREM3, S-SUPREM4,

SCOUT, SDDL, SFLM, SIC, SILOS, SIMULATION STANDARD, SMARTLIB, SMARTSPICE,

MARTSPICERF, SMARTSPICE200, SMARTVIEW, SOLVERLIB, SPAYN, SPDB, SPIDER,

PRINT, STELLAR, TCAD DRIVEN CAD, TCAD OMNI, TFT, TFT3D, THERMAL3D,

ONYPLOT, TONYPLOT3D, TWISTER, TWISTERFP, UTMOST, UTMOST III, UTMOST IV,

UTMOST IV- FIT

, UTMOST IV- MEASURE, UTMOST IV- OPTIMIZATION, VCSEL,

ERILOG-A, VICTORY, VICTORY CELL, VICTORY DEVICE, VICTORY PROCESS, VICTORY

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VWF M

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Notice

4 ATHENA User’s Manual

Chapter 1 

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.1 ATHENA Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1.1 Using This Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1.2 Technical Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Athena Features and Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.1 Using ATHENA With Other SILVACO Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.2 The Value Of Physically-Based Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Chapter 2 

Tutorial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1 Getting Started . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1.1 Running ATHENA Under DeckBuild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1.2 Loading And Running ATHENA Standard Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Operation Modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.1 Interactive Mode With DeckBuild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2 Batch Mode With Deckbuild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.3 No Windows Batch Mode With Deckbuild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.4 Running ATHENA inside DeckBuild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.5 Running ATHENA In Standalone Mode (Without DeckBuild) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.6 Running ATHENA 1D (One-Dimensional Version of ATHENA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Creating a Device Structure Using ATHENA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1 Procedure Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.2 ATHENA Input/Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.3 Creating An Initial Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4 Choosing Models In SSUPREM4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4.1 Implantation, Oxidation, RTA, Diffusion and Epitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4.2 The Reason for Multiple Models for Each Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4.3 Choosing an Appropriate Model Using the Method Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.4.4 Changing the

Method Statement During the Process Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4.5 Modelling the Correct Substrate Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.4.6 Simulating Rapid Thermal Anneals (RTA) Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.4.7 Simulating Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.4.8 Simulating the Epitaxy Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.5 Calibrating ATHENA for a Typical MOSFET Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.5.1 Input Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.5.2 Tuning Oxidation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.5.3 Tuning Implantation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.5.4 Tuning Diffusion Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.5.5 Related Issues on using the Device Simulator ATLAS for MOS Process Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.6 Calibrating ATHENA for a Typical Bipolar Process Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.6.1 Tuning Base and Collector Currents – All Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.6.2 Tuning the Base Current – All Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.6.3 Tuning the Collector Current – All Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.6.4 The Base Current Profile – Medium Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Table of Contents

5 ATHENA User’s Manual

2.6.5 The Base Current Profile – Low Injection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.7 Using ATHENA for Simulating SiGe Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.7.1 METHOD Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.7.2 MATERIAL Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.7.3 DEPOSIT Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.7.4 DIFFUSE Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.8 Using Advanced Features of ATHENA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.8.1 Structure Manipulation Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.8.2 Deposition and Wet/Dry Etching using the Physical Models in ATHENA/ELITE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.8.3 MaskViews Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

2.9 Using ATHENA/OPTOLITH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

2.9.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

2.9.2 Creating A Mask. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

2.9.3 Illumination System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

2.9.4 The Projection System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

2.9.5 Imaging Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

2.9.6 Defining Material Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

2.9.7 Structure Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

2.9.8 CD Extraction, Smile Plots, And Looping Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

2.10 Adaptive Meshing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

2.10.1 Introduction to Mesh Adaption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

2.10.2 Interface Mesh Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Chapter 3 

SSUPREM4 Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.1 Diffusion Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.1.1 Mathematical Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.1.2 The Fermi Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.1.3 Impurity Segregation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.1.4 The Two Dimensional Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

3.1.5 The Fully Coupled Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

3.1.6 Electrical Deactivation and Clustering Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

3.1.7 Grain-based Polysilicon Diffusion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

3.2 Advanced Diffusion Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

3.2.1 Classical Model of Dopant Diffusion (CDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

3.2.2 Solid Solubility Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

3.2.3 Interstitials Clusters Model (IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

3.2.4 Vacancy Cluster Model (VC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

3.2.5 Electrical Deactivation and Clustering Models (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

3.2.6 Typical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

3.3 Oxidation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

3.3.1 Numerical Oxidation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

3.3.2 Compress Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

3.3.3 Viscous Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

3.3.4 Linear Rate Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

3.3.5 Parabolic Rate Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

3.3.6 Mixed Ambient Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

3.3.7 Analytical Oxidation Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

3.3.8 Recommendations for Successful Oxidation Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194