第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD課件

第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/15第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurus簡(jiǎn)介SentaurusTCAD全面繼承了Tsuprem4，Medici和ISE-TCAD的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它可以用來(lái)模擬集成器件的工藝制程，器件物理特性和互連線特性等。SentaurusTCAD提供全面的產(chǎn)品套件，其中包括SentaurusWorkbench,Ligament,SentaurusProcess,SentaurusStructureEditor,MeshNoffset3D,SentaurusDevice,Tecplot

SV，Inspect,AdvancedCalibration等等。2023/7/152第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurus簡(jiǎn)介SentaurusProcess和SentaurusDevice可以支持的仿真器件類型非常廣泛，包括CMOS，功率器件，存儲(chǔ)器，圖像傳感器，太陽(yáng)能電池，和模擬/射頻器件。SentaurusTCAD還提供互連建模和參數(shù)提取工具，為優(yōu)化芯片性能提供關(guān)鍵的寄生參數(shù)信息。2023/7/153第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD

SentaurusTCAD的啟動(dòng)運(yùn)行vncviewer在xterm中輸入：source/opt/demo/sentaurus.envGENESISe&2023/7/154第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/155第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/156第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD本章內(nèi)容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結(jié)構(gòu)編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡(jiǎn)介

2023/7/157第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD本章內(nèi)容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結(jié)構(gòu)編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡(jiǎn)介

2023/7/158第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusProcess工藝仿真工具簡(jiǎn)介

SentaurusProcess是當(dāng)前最為先進(jìn)的工藝仿真工具，它將一維，二維和三維仿真集成于同一平臺(tái)中，并面向當(dāng)代納米級(jí)集成電路工藝制程，全面支持小尺寸效應(yīng)的仿真與模擬。SentaurusProcess在保留傳統(tǒng)工藝仿真軟件運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，又做了一些重要的改進(jìn)。2023/7/159第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD增加了模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)瀏覽器（PDB），為用戶提供了修改模型參數(shù)和增加模型的方便途徑。增加了一維模擬結(jié)果輸出工具Inspect和二維、三維模擬結(jié)果輸出工具（TecplotSV）。增加了小尺寸模型。這些小尺寸模型主要有：

高精度刻蝕模型，基于MonteCarlo的離子擴(kuò)散模型，注入損傷模型，離子注入校準(zhǔn)模型等等。增加了這些小尺寸模型，提高了工藝軟件的仿真精度，適應(yīng)了半導(dǎo)體工藝發(fā)展的需求。2023/7/1510第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusProcess基本命令介紹用戶可以通過(guò)輸入命令指導(dǎo)SentaurusProcess的執(zhí)行。而這些命令可以通過(guò)輸入命令文件或者用戶終端直接輸入。2023/7/1511第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(1)文件說(shuō)明及控制語(yǔ)句exit:用于終止SentaurusProcess的運(yùn)行。fbreak:使仿真進(jìn)入交互模式。fcontinue:重新執(zhí)行輸入文件。fexec:執(zhí)行系統(tǒng)命令文件。interface:返回材料的邊界位置。load:從文件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息并插入到當(dāng)前網(wǎng)格。logfile:將注釋信息輸出到屏幕以及日志文件中。mater:返回當(dāng)前結(jié)構(gòu)中的所有材料列表，或在原列表中增加新的材料。mgoals:使用MGOALS引擎設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)。2023/7/1512第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(2)器件結(jié)構(gòu)說(shuō)明語(yǔ)句init:設(shè)置初始網(wǎng)格和摻雜信息。region:指定結(jié)構(gòu)中特定區(qū)域的材料。line:指定網(wǎng)格線的位置和間距。grid:執(zhí)行網(wǎng)格設(shè)置的命令。substrate_profile:定義器件襯底的雜質(zhì)分布。polygon:描述多邊形結(jié)構(gòu)。point:描述器件結(jié)構(gòu)中的一個(gè)點(diǎn)。doping:定義線性摻雜分布曲線。profile:讀取數(shù)據(jù)文件并重建數(shù)據(jù)區(qū)域。refinebox:設(shè)置局部網(wǎng)格參數(shù)，并用MGOALS庫(kù)進(jìn)行細(xì)化。bound:提取材料邊界并返回坐標(biāo)列表。contact:設(shè)置電極信息。

2023/7/1513第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(3)工藝步驟說(shuō)明語(yǔ)句deposit:用于淀積一個(gè)新的層次。diffuse:用于高溫?cái)U(kuò)散和高溫氧化。etch:用于刻蝕。implant:實(shí)現(xiàn)離子注入。mask:用于定義掩膜版。photo:淀積光刻膠。strip:去除表面的介質(zhì)層。stress:用于計(jì)算應(yīng)力。2023/7/1514第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(4)模型和參數(shù)說(shuō)明語(yǔ)句

beam:給出用于離子束刻蝕的模型參數(shù)。

gas_flow:設(shè)置擴(kuò)散步驟中的氣體氛圍。

kmc:設(shè)定蒙特卡羅模型。

pdbNewMaterial：用于引入新的材料。

pdbGet:用于提取數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)。

pdbSet:用于完成數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)的修改。

SetFastMode:忽略擴(kuò)散和模特卡羅注入模型，加快仿真速度。

SetTemp:設(shè)置溫度。

solution:求解或設(shè)置求解參數(shù)。

strain_profile:定義因摻雜引入的張力變化。

temp_ramp:定義擴(kuò)散過(guò)程中的溫度變化。

update_substrate:設(shè)置襯底中的雜質(zhì)屬性，張力，晶格常量等信息。2023/7/1515第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(5)輸出說(shuō)明語(yǔ)句color:用于設(shè)定、填充被仿真的器件結(jié)構(gòu)中某特定區(qū)域雜質(zhì)濃度等值曲線的顏色。contour:用于設(shè)置二維濃度剖面等值分布曲線的圖形輸出。graphics:啟動(dòng)或更新SentaurusProcess已經(jīng)設(shè)置的圖形輸出。layers:用于打印器件結(jié)構(gòu)材料的邊界數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。print.1d:沿器件結(jié)構(gòu)的某一維方向打印相關(guān)數(shù)據(jù)。plot.1d:沿器件結(jié)構(gòu)的某一維方向輸出某些物理量之間的變化曲線。plot.2d:輸出器件結(jié)構(gòu)中二維濃度剖面分布曲線。plot.tec:啟動(dòng)或更新SentaurusProcess–TecplotSV所輸出的一維、二維和三維圖形。print.data:以x、y、z的坐標(biāo)格式打印數(shù)據(jù)。writePlx:設(shè)置輸出一維摻雜數(shù)據(jù)文件。struct:設(shè)置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及求解信息。2023/7/1516第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusProcess中的小尺寸模型

(1)離子注入模型解析注入模型或蒙特卡羅（MC）注入模型可以用來(lái)計(jì)算離子注入的分布情況及仿真所造成的注入損傷程度。為滿足現(xiàn)代集成工藝技術(shù)發(fā)展的需求，SentaurusProcess添加了很多小尺寸模型，如摻雜劑量控制模型（Beamdosecontrol）、雜質(zhì)剖面改造模型（Profilereshaping）、有效溝道抑制模型（Effectivechannellingsuppression）無(wú)定型靶預(yù)注入模型（Preamorphiza-tionimplants，PAI）等等。2023/7/1517第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(2)擴(kuò)散模型

SentaurusProcess仿真高溫?cái)U(kuò)散的主要模型有：雜質(zhì)選擇性擴(kuò)散模型、引入了雜質(zhì)活化效應(yīng)對(duì)雜質(zhì)遷移的影響，也間接地覆蓋了熱擴(kuò)散工藝中產(chǎn)生的缺陷對(duì)雜質(zhì)的影響，適于模擬特征尺寸小于100nm的擴(kuò)散工藝。雜質(zhì)激活模型、雜質(zhì)激活模型主要是考慮了摻雜過(guò)程中，缺陷、氧化空位及硅化物界面態(tài)所引發(fā)的雜質(zhì)激活效應(yīng)。缺陷對(duì)雜質(zhì)遷移的影響，表面介質(zhì)的移動(dòng)、摻雜對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)的影響等等。2023/7/1518第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(3)對(duì)局部微機(jī)械應(yīng)力變化計(jì)算的建模

隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小，器件內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的變化會(huì)使材料的禁帶寬度發(fā)生變化，使得雜質(zhì)擴(kuò)散速率以及氧化速率等也發(fā)生相應(yīng)變化，從而使得局部熱生長(zhǎng)氧化層產(chǎn)生形狀變異。

SentaurusProcess包含了很多引起微機(jī)械應(yīng)力變化的機(jī)制，包括熱失配，晶格失配以及由于材料淀積、刻蝕引起的應(yīng)力變化等等。2023/7/1519第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusProcess仿真實(shí)例

(1)定義二維初始網(wǎng)格linexlocation=0.00spacing=0.01tag=SiToplinexlocation=0.50spacing=0.01linexlocation=0.90spacing=0.10linexlocation=1.30spacing=0.25linexlocation=4.00spacing=0.25linexlocation=6.00spacing=0.50linexlocation=10.0spacing=2.50linexlocation=15.0spacing=5.00linexlocation=44.0spacing=10.0tag=SiBottomlineylocation=0.00spacing=0.50tag=Leftlineylocation=7.75spacing=0.50tag=Right2023/7/1520第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(2)開啟二維輸出結(jié)果調(diào)閱工具TecplotSV界面graphicson(3)激活校準(zhǔn)模型AdvancedCalibration(4)開啟自適應(yīng)網(wǎng)格

pdbSetGridAdaptive1(5)定義仿真區(qū)域并對(duì)仿真區(qū)域進(jìn)行初始化regionsiliconxlo=SiTopxhi=SiBottomylo=Leftyhi=Rightinitfield=Asresistivity=14wafer.orient=1002023/7/1521第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1522第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(6)定義網(wǎng)格細(xì)化規(guī)則mgoalsonmin.normal.size=10<nm>max.lateral.size=2<um>\normal.growth.ratio=1.2accuracy=2e-5

mgoals命令在初始網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來(lái)重新定義網(wǎng)格。網(wǎng)格的調(diào)整只是針對(duì)新的層或新生成的表面區(qū)域。mgoals命令中的min.normal.size用來(lái)定義邊界處的網(wǎng)格最小間距，離開表面后將按照normal.growth.ratio確定的速率變化。而max.lateral.size定義了邊界處網(wǎng)格的最大橫向間距。Accuracy為誤差精度。2023/7/1523第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(7)在重要區(qū)域進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格

refineboxmin={2.50}max={31}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={2.51}max={23}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={01.7}max={0.22.9}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={03}max={2.55}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladd2023/7/1524第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(8)生長(zhǎng)薄氧層gas_flowname=O2_HCLpressure=1<atm>\flows={O2=4.0<l/min>HCl=0.03<l/min>}diffusetemperature=950<C>time=25<min>\gas_flow=O2_HCL(9)JFET注入

maskname=JFET_maskleft=0<um>right=6.75<um>implantPhosphorusmask=JFET_maskdose=1.5e12\energy=100<keV>diffusetemp=1170<C>time=180<min>maskclear2023/7/1525第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(10)保存一維摻雜文件

SetPlxList{AsTotalPTotal}WritePlxepi.plxy=7silicon在SetPlxList命令中，將砷和磷的摻雜分布做了保存。在WritePlx命令中，指定保存y=7um處的摻雜分布曲線。最終保存為一維摻雜分布曲線。2023/7/1526第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1527第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(11)生長(zhǎng)柵氧化層etchoxidetype=anisotropicthickness=0.5<um>gas_flowname=O2_1_HCL_1_H2pressure=1<atm>/Flows={O2=10.0<l/min>H2=5.0<l/min>HCl=0.03<l/min>}diffusetemperature=1000<C>time=17<min>/gas_flow=O2_1_HCL_1_H2(12)制備多晶硅柵極

depositpolytype=anisotropicthickness=0.6<um>maskname=gate_maskleft=2.75<um>right=8<um>etchpolytype=anisotropicthickness=0.7<um>/mask=gate_maskmaskclear2023/7/1528第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(13)形成P-body區(qū)域implantBorondose=2.8e13energy=80<keV>diffusetemp=1170<C>time=120<min>2023/7/1529第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(14)形成P+接觸區(qū)域maskname=P+_maskleft=0.85<um>right=8<um>implantBoronmask=P+_maskdose=1e15energy=60<keV>diffusetemp=1100<C>time=100<min>maskclear(15)形成源區(qū)域maskname=N+_maskleft=0<um>right=1.75<um>maskname=N+_maskleft=2.75<um>right=8<um>implantAsmask=N+_maskdose=5e15energy=60<keV>maskclear2023/7/1530第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(16)制備側(cè)墻區(qū)depositnitridetype=isotropicthickness=0.2<um>etchnitridetype=anisotropicthickness=0.25<um>etchoxidetype=anisotropicthickness=100<nm>diffusetemperature=950<C>time=25<min>

(17)制備鋁電極depositAluminumtype=isotropicthickness=0.7<um>maskname=contacts_maskleft=0<um>right=2.5<um>etchAluminumtype=anisotropicthickness=2.5<um>/mask=contacts_maskmaskclear2023/7/1531第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(18)定義電極

contactname=Gatex=-0.5y=5replacepointcontactname=Sourcex=-0.5y=1replacepointcontactname=Drainbottom(19)保存完整的器件結(jié)構(gòu)structtdr=vdmos_finalstructsmesh=500vdmos_final2023/7/1532第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1533第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD本章內(nèi)容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結(jié)構(gòu)編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡(jiǎn)介

2023/7/1534第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusStructureEditor(SDE)器件結(jié)構(gòu)編輯工具簡(jiǎn)介

SDE是基于二維和三維器件結(jié)構(gòu)編輯的集成環(huán)境，可生成或編輯二維和三維器件結(jié)構(gòu)，用于與Process工藝仿真系統(tǒng)的結(jié)合。在SentaurusTCAD系列仿真工具中，SDE工具是必不可少的。因?yàn)樵谑褂肧entaurusProcess執(zhí)行完工藝仿真后，必須使用SDE將Process工藝仿真階段生產(chǎn)的電極激活，并調(diào)入Process仿真過(guò)渡來(lái)的摻雜信息，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理后，才能進(jìn)行下一步的器件物理特性模擬。2023/7/1535第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD完成從SentaurusProcess到SentaurusDevice的接口轉(zhuǎn)換1在命令提示符下輸入：sde，啟動(dòng)SentaurusStructureEditor工具。2調(diào)入邊界文件：File>Import，該結(jié)構(gòu)文件可以是DF-ISE格式，也可以是TDR格式。3激活電極。（1）在選取類型列表中選擇SelectFace；（2）在電極列表中選擇需要激活的電極名；（3）在器件結(jié)構(gòu)中選擇電極區(qū)域；2023/7/1536第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1537第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD（4）在菜單中選擇：Device>Contacts>ContactSets，電極設(shè)置對(duì)話框如圖所示；（5）在DefinedContactSets中選擇電極，同時(shí)可以設(shè)置電極顏色，邊緣厚度和類型等信息；（6）單擊Activate按鈕；（7）單擊Close關(guān)閉對(duì)話框。同樣重復(fù)以上步驟，可以完成其他電極的定義和激活。2023/7/1538第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD4保存設(shè)置：File>SaveModel5載入摻雜數(shù)據(jù)信息。載入方式為：Device>ExternalProfilePlacement。外部摻雜信息設(shè)置對(duì)話框如圖所示。在Name欄中輸入Doping。在GeometryFile欄中載入工藝仿真后生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件（若保存格式為DF-ISE，應(yīng)選擇.gds文件;若保存格式為TDR，應(yīng)選擇.tdr文件）。在DataFiles欄中點(diǎn)擊Browser按鈕并選擇摻雜數(shù)據(jù)文件（若保存格式為DF-ISE，應(yīng)選擇.dat文件;若保存格式為TDR，應(yīng)選擇.tdr文件）,單擊Add按鈕，載入摻雜數(shù)據(jù)文件。最后，單擊AddPlacement按鈕。2023/7/1539第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1540第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD6定義網(wǎng)格細(xì)化窗口。用戶可以對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的重新設(shè)置，以增加仿真精度和收斂性。操作如下：Mesh>DefineRef/EvalWindow>Cuboid

2023/7/1541第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD7定義網(wǎng)格細(xì)化方案選擇菜單欄中的Mesh>RefinementPlacement。在網(wǎng)格細(xì)化設(shè)置對(duì)話框中，選擇Ref/Win選項(xiàng)，并選擇上一步定義的網(wǎng)格細(xì)化窗口。根據(jù)仿真精度要求，設(shè)置maxelementsize和minelementsize參數(shù)。單擊AddPlacement按鈕。2023/7/1542第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1543第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD8執(zhí)行設(shè)置方案。選擇菜單欄中的Mesh>BuildMesh，輸入網(wǎng)格細(xì)化執(zhí)行后保存的網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息文件名，并選擇網(wǎng)格引擎，并單擊BuildMesh按鈕，SDE會(huì)根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格細(xì)化方案執(zhí)行網(wǎng)格的細(xì)化，執(zhí)行完成后會(huì)生成3個(gè)數(shù)據(jù)文件：

_msh.grd,_msh.dat和_msh.log。2023/7/1544第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1545第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)1.SDE環(huán)境初始化：File>New；2.設(shè)置精確坐標(biāo)模式：Draw>ExactCoordinates；3.選擇器件材料SentaurusStructureEditor所使用的材料都在Material列表中進(jìn)行選擇；4.選擇默認(rèn)的Boolean表達(dá)式在菜單中選擇Draw>OverlapBehavior>NewReplacesOld；5.關(guān)閉自動(dòng)命名器件結(jié)構(gòu)區(qū)域模式Draw>AutoRegionNaming；2023/7/1546第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD6.創(chuàng)建立方體區(qū)域(1)選擇IsometricView(ISO)，改為三維繪圖模式。(2)在菜單欄中選擇Draw>Create3DRegion>Cuboid。(3)在窗口中單擊并拖動(dòng)鼠標(biāo)，將出現(xiàn)一個(gè)立方體區(qū)域的定義對(duì)話框，輸入（000）和（7.75443），然后單擊OK按鈕。2023/7/1547第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(4)在SDE對(duì)話框中輸入結(jié)構(gòu)區(qū)域的名稱Epitaxy，單擊OK按鈕。

2023/7/1548第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD7.改變Boolean表達(dá)式在菜單欄中選擇Draw>OverlapBehavior>OldReplacesOld。8.創(chuàng)建其他區(qū)域器件的其他區(qū)域，即柵氧層，多晶硅柵，側(cè)墻以及電極區(qū)域都可以用同樣的方法來(lái)創(chuàng)建。

2023/7/1549第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1550第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD9.定義電極在這里，柵極、源極和漏極需要定義。10.定義外延層中的均勻雜質(zhì)分布濃度(1)選擇菜單欄中的

Device>ConstantProfilePlacement；(2)在PlacementName欄中輸入PlaceCD.epi；(3)在PlacementTypegroup框中，選擇Region，并在列表中選擇Epitaxy；(4)在ConstantProfileDefinition框中，輸入Const.Epi到Name欄中；(5)在Species欄中選擇

ArsenicActiveConcentration；2023/7/1551第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(6)在Concentration欄中輸入3.3e14；(7)單擊AddPlacement按鈕；(8)重復(fù)以上步驟定義多晶硅柵的摻雜濃度為1e20；(9)單擊Close關(guān)閉窗口。2023/7/1552第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD11.定義解析雜質(zhì)濃度分布定義解析雜質(zhì)濃度分布包括兩個(gè)步驟。第一步先定義雜質(zhì)分布窗口，第二步定義解析雜質(zhì)濃度分布。定義雜質(zhì)分布窗口的步驟如下：(1)選擇菜單欄中的Draw>ExactCoordinates；(2)Mesh>DefineRef/EvalWindow>Rectangle；(3)在視窗中，拖動(dòng)一個(gè)矩形區(qū)域；(4)在ExactCoordinates對(duì)話框中，輸入(00)和(2.753.5)，以定義雜質(zhì)分布窗口坐標(biāo)；2023/7/1553第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(5)單擊OK；(6)在接著彈出的對(duì)話框中，輸入P-Body作為雜質(zhì)分布窗口的名稱；(7)利用表中的參數(shù)值，重復(fù)以上步驟定義其他雜質(zhì)分布窗口。2023/7/1554第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD定義解析雜質(zhì)濃度分布的步驟如下：(1)選擇菜單欄中的

Device>AnalyticProfilePlacement；(2)在PlacementName欄中輸入PlaceAP.body；(3)在Ref/Win列表中選擇P-Body；(4)在ProfileDefinition區(qū)域中，輸入Gauss.Body到Name欄中；(5)在Species列表中選擇BoronActiveConcentration；(6)在PeakConcentration欄中輸入4e16；2023/7/1555第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(7)在PeakPosition欄中輸入0；(8)在Junction欄和Depth欄中分別輸入3.3e14和3.5；(9)在LateralDiffusionFactor欄中輸入0.75；(10)單擊AddPlacement按鈕；(11)重復(fù)以上步驟分別定義其他區(qū)域的解析分布。2023/7/1556第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD13.定義網(wǎng)格細(xì)化方案14.保存設(shè)置15.執(zhí)行設(shè)置方案最終，器件的網(wǎng)格信息和摻雜信息將保存在兩個(gè)文件中，即_msh.grd和_msh.dat，這些文件可以導(dǎo)入到SentaurusDevice中進(jìn)行后續(xù)仿真。2023/7/1557第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1558第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD本章內(nèi)容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結(jié)構(gòu)編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡(jiǎn)介

2023/7/1559第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusDevice器件仿真工具簡(jiǎn)介SentaurusDevice是新一代的器件物理特性仿真工具，內(nèi)嵌一維、二維和三維器件物理模型，通過(guò)數(shù)值求解一維、二維和三維泊松方程、連續(xù)性方程和運(yùn)輸方程，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件的眾多電學(xué)參數(shù)和電學(xué)特性。SentaurusDevice支持很多器件類型的仿真，包括量子器件，深亞微米MOS器件，功率器件，異質(zhì)結(jié)器件，光電器件等。此外，SentaurusDevice還可以實(shí)現(xiàn)由多個(gè)器件所組成的單元級(jí)電路的物理特性分析。2023/7/1560第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusDevice主要物理模型

實(shí)現(xiàn)SentaurusDevice器件物理特性仿真的器件物理模型仍然是泊松方程、連續(xù)性方程和運(yùn)輸方程?；谝陨衔锢砟Ｐ停缮隽撕芏喽?jí)效應(yīng)和小尺寸模型，均被添加SentaurusDevice中。2023/7/1561第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(1)產(chǎn)生-復(fù)合模型產(chǎn)生-復(fù)合模型描述的是雜質(zhì)在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間交換載流子的過(guò)程。產(chǎn)生-復(fù)合模型主要包括：SRH復(fù)合模型（肖克萊復(fù)合模型），CDL復(fù)合模型，俄歇復(fù)合模型，輻射復(fù)合模型，雪崩產(chǎn)生模型，帶間隧道擊穿模型等。2023/7/1562第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(2)遷移率退化模型描述遷移率與摻雜行為有關(guān)的模型Masetti模型、Arora模型和UniversityofBologna模型描述界面位置處載流子遷移率的退化模型Lombardi模型、UniversityofBologna模型描述載流子-載流子散射的模型Conwell–Weisskopf模型、Brooks–Herring模型描述高內(nèi)電場(chǎng)條件下的載流子遷移率的退化模型Canali模型，轉(zhuǎn)移電子模型，基本模型，Meinerzhagen–Engl模型，Lucent模型，速率飽和模型和驅(qū)動(dòng)力模型等2023/7/1563第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(3)基于活化能變化的電離模型常溫條件下，淺能級(jí)雜質(zhì)被認(rèn)為是完全電離的。然而，對(duì)于深能級(jí)雜質(zhì)而言（能級(jí)深度超過(guò)0.026eV），則會(huì)出現(xiàn)不完全電離的情況。因此，銦（受主雜質(zhì)）在硅中，氮（施主）和鋁（受主）在碳化硅中，都呈現(xiàn)深能級(jí)狀態(tài)。另外，若要研究低溫條件下的摻雜行為，則會(huì)有更多的摻雜劑出于不完全電離狀態(tài)。針對(duì)這種研究需求，SentaurusDevice嵌入了基于活化能變化的電離模型。2023/7/1564第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(4)熱載流子注入模型熱載流子注入模型是用于描述柵漏電流機(jī)制的。該模型對(duì)于描述EEPROMs器件執(zhí)行寫操作時(shí)可能發(fā)生的載流子注入行為來(lái)說(shuō)尤為重要。SentaurusDevice提供了兩種熱載流子注入模型和一個(gè)用戶自定義模型PMI(PhysicalModelInterface).經(jīng)典的lucky電子注入模型Fiegna熱載流子注入模型

2023/7/1565第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(5)隧道擊穿模型

在一些器件中，隧道擊穿的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致漏電流的形成，對(duì)器件的電學(xué)性能造成影響。SentaurusDevice提供三種隧道擊穿模型：非局域隧道擊穿模型（最常用，該模型考慮了載流子的自加熱因素，能夠進(jìn)行任意形狀勢(shì)壘下的數(shù)值求解）直接隧道擊穿模型Fowler–Nordheim隧道擊穿模型2023/7/1566第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(6)應(yīng)力模型

器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的變化，可以影響材料的功函數(shù)、界面態(tài)密度、載流子遷移率能帶分布和漏電流等。局部區(qū)域應(yīng)力的變化往往是由于高溫?zé)狎?qū)動(dòng)加工的溫變作用或材料屬性的不同產(chǎn)生的。應(yīng)力變化引起的能帶結(jié)構(gòu)變化，可以由以下模型進(jìn)行分析：

應(yīng)力變化引起的載流子遷移率的變化，由以下公式描述：

2023/7/1567第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(7)量子化模型SentaurusDevice提供了四種量子化模型。VanDot模型VanDot模型僅適用于硅基MOSFET器件的仿真。使用該模型可以較好地描述器件內(nèi)部的量子化效應(yīng)及其在最終特性中的反映。一維薛定諤方程一維薛定諤方程可以用來(lái)進(jìn)行MOSFET、量子阱和超薄SOI結(jié)特性的仿真。

2023/7/1568第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD密度梯度模型密度梯度模型用于MOSFET器件、量子阱和SOI結(jié)構(gòu)的仿真，可以描述器件的最終特性以及器件內(nèi)的電荷分布。該模型可以描述二維和三維的量子效應(yīng)。修正后的局部密度近似模型該模型數(shù)值計(jì)算效率較高，比較適用于三維器件的物理特性仿真。

2023/7/1569第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSentaurusDevice仿真實(shí)例

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SentaurusDevice輸入文件由以下幾部分組成，包括File、Electrode、Physics、Plot、Math和Solve，每一部分都執(zhí)行一定的功能。輸入文件缺省的擴(kuò)展名為_des.cmd。2023/7/1570第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD1.VDMOS器件雪崩擊穿電壓的仿真

器件的雪崩擊穿電壓相比與其他電學(xué)參數(shù)，比較難模擬。因?yàn)樵谄骷磳舸r(shí)，即使是很小的電壓變化都可能導(dǎo)致漏電流的急劇增加，有些時(shí)候甚至?xí)a(chǎn)生回滯現(xiàn)象。因此，在這種情況下，進(jìn)行雪崩擊穿電壓模擬計(jì)算時(shí)很難獲得一個(gè)收斂解。而在漏電極上串聯(lián)一個(gè)大電阻可以有效的解決這個(gè)不收斂問(wèn)題。在本例中，SentaurusDevice調(diào)用了之前SentaurusProcess產(chǎn)生的輸出文件，該文件中包含了摻雜信息，網(wǎng)格信息和電極定義信息。2023/7/1571第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(1)File該文件定義部分指定了完成器件模擬所需要的輸入文件和輸出文件。File{*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“BV_des.dat”Current=“BV_des.plt”O(jiān)utput=“BV_des.log”}2023/7/1572第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(2)Electrode該電極定義部分用來(lái)定義SentaurusDevice模擬中器件所有電極的偏置電壓起始值以及邊界條件等。

Electrode{{Name=“Source”Voltage=0.0}{Name=“Drain”Voltage=0.0Resistor=1e7}{Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55}}2023/7/1573第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(3)Physics該命令段定義了SentaurusDevice模擬中選定的器件物理模型。Physics{EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowingOldSlotboom)Mobility(DopingDepeHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)hHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)Enormal)Recombination(SRH(DopingDep)eAvalanche(Eparallel)hAvalanche(Eparallel))}2023/7/1574第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(4)PlotPlot命令段用于完成設(shè)置所需的SentaurusDevice模擬輸出繪圖結(jié)果。這些輸出結(jié)果可以通過(guò)調(diào)用Tecplot

SV查閱。Plot{eDensityhDensityTotalCurrent/VectoreCurrent/VectorhCurrent/VectoreMobilityhMobilityeVelocityhVelocityeQuasiFermihQuasiFermieTemperatureTemperature*hTemperatureElectricField/VectorPotentialSpaceChargeDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration2023/7/1575第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD*--Generation/RecombinationSRHBand2Band*AugerAvalancheGenerationeAvalancheGenerationhAvalancheGeneration*--DrivingforceseGradQuasiFermi/VectorhGradQuasiFermi/VectoreEparallelhEparalleleENormalhENormal*--Bandstructure/CompositionBandGapBandGapNarrowingAffinityConductionBandValenceBandeQuantumPotential}2023/7/1576第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(5)Math該命令段用來(lái)設(shè)置數(shù)值求解算法。Math{ExtrapolateAvalderivativesIterations=20Notdamped=100RelErrControlBreakCriteria{Current(Contact=“Drain”AbsVal=0.8e-7)}CNormPrint}2023/7/1577第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADAvalderivatives參數(shù)表示開啟計(jì)算由于雪崩擊穿產(chǎn)生的解析導(dǎo)數(shù)；Iterations定義了諾頓計(jì)算中最大的迭代次數(shù)；Notdamped=100表示在前100次諾頓迭代計(jì)算中采用無(wú)阻尼計(jì)算模式。2023/7/1578第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(6)Solve該命令段用于設(shè)置完成數(shù)值計(jì)算所需要經(jīng)過(guò)的計(jì)算過(guò)程。

Solve{*-Build-upofinitialsolution:Coupled(Iterations=100){Poisson}Coupled{PoissonElectronHole}Quasistationary(InitialStep=1e-4Increment=1.35MinStep=1e-5MaxStep=0.0252023/7/1579第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADGoal{Name=“Drain”Voltage=600}){Coupled{PoissonElectronHole}}}Coupled{PoissonElectronHole}調(diào)用了泊松方程、電子連續(xù)方程和空穴連續(xù)方程。Quasistationary定義用戶要求得到準(zhǔn)靜態(tài)解。

2023/7/1580第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1581第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2.VDMOS器件漏極電學(xué)特性仿真本例子模擬了VDMOS器件的Vd-Id特性。其中柵極偏置電壓定義為10V，而漏極偏置電壓從0V掃描到10V。2023/7/1582第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(1)FileFile{*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“IV_des.tdr”Current=“IV_des.plt”O(jiān)utput=“IV_des.log”}2023/7/1583第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(2)ElectrodeElectrode{{Name=“Source”Voltage=0.0}{Name=“Drain”Voltage=0.1}{Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55}}2023/7/1584第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(3)PhysicsPhysics{AreaFactor=3258200IncompleteIonizationEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom))Mobility(DopingDependenceHighFieldSaturationEnormalCarriercarrierscattering)Recombination(SRH(DopingDependenceTempdep)AugerAvalanche(Eparallel))}2023/7/1585第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(4)PlotPlot{ eDensityhDensity eCurrent/vectorhCurrent/vector PotentialSpaceChargeElectricField eMobilityhMobilityeVelocityhVelocity DopingDonorConcentrationAcceptorConcentration}2023/7/1586第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(5)MathMath{ Extrapolate RelErrcontrol directcurrentcomput}其中directcurrentcomput參數(shù)定義直接計(jì)算電極電流。2023/7/1587第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD(6)SolveSolve{PoissonCoupled{PoissonElectronhole}#-rampGate:Quasistationary( MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3Goal{Name="Gate"Voltage=10})

2023/7/1588第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD{Coupled{PoissonElectronhole}}#-rampDrain:Quasistationary( MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3Goal{Name="Drain"Voltage=10}){Coupled{PoissonElectronhole}}}2023/7/1589第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD2023/7/1590第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD3、收斂性問(wèn)題迭代次數(shù)不夠電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂初始解的不收斂工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好2023/7/1591第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD迭代次數(shù)不夠設(shè)置的判別不收斂的條件太過(guò)苛刻這種假性的不收斂在迭代過(guò)程中有著以下特征之一：①誤差項(xiàng)有逐漸減小的趨勢(shì)或呈阻尼振蕩狀，但是在小于1之前，卻因?yàn)榈螖?shù)上限達(dá)到而結(jié)束。②迭代失敗的次數(shù)很少，但是仿真步長(zhǎng)很快就達(dá)到了最小值，仿真結(jié)束。2023/7/1592第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD解決方法(1).

Iterations盡量設(shè)置的大一點(diǎn)(2).設(shè)定minstep和interations，minstep的數(shù)值至少比initialstep少3個(gè)數(shù)量級(jí)Math{Iterations=50NotDamped=50ExtrapolateRelErrControl}2023/7/1593第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADSolve{PoissonCoupled{PoissonElectronHole}Quasistationary(Initialstep=1e-6MaxStep=0.1Minstep=1e-12increment=2.0Goal{name="anode"voltage=4e7}){Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}}2023/7/1594第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂這種情況一般發(fā)生在雪崩擊穿電壓的附近，無(wú)法完成成低壓區(qū)到雪崩擊穿區(qū)的轉(zhuǎn)變。2023/7/1595第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD產(chǎn)生原因：擊穿點(diǎn)附近，電流變化太迅速，基于原來(lái)的初始解A，通過(guò)一個(gè)仿真步長(zhǎng)，電壓變化△V，此時(shí)假定下一點(diǎn)處于B點(diǎn)，而假定點(diǎn)B和真實(shí)點(diǎn)C之間的電流變化量△I太大，程序無(wú)法通過(guò)迭代獲得正確點(diǎn)，因此始終無(wú)法收斂。2023/7/1596第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD解決方法Electrode{ {Name="anode"Voltage=0.0resistor=3e9} {Name="cathode"Voltage=0.0} {Name="sub"Voltage=0.0}}2023/7/1597第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD初始解的不收斂初始解的不收斂就是仿真的第一個(gè)點(diǎn)就無(wú)法收斂：①由于初始解具有較大的隨機(jī)性，因此當(dāng)它進(jìn)行迭代的時(shí)候，如果要同時(shí)滿足多個(gè)方程的收斂相對(duì)較為困難；②由于某個(gè)電極上的初始電壓值給得過(guò)高，難以建立初始解。2023/7/1598第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD①的解決方法Solve{Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}Quasistationary{……}Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}Solve{PoissonCoupled{PoissonElectron}Coupled{PoissonElectronHole}Quasistationary{……}Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}2023/7/1599第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCADElectrode{Name=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=5.0Name=“sub”,Voltage=0.0}……Solve{……}Electrode{Name=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=0.0Name=“sub”,Voltage=0.0}……Solve{……Goal{name=“Gate”,Voltage=5.0}}2023/7/15100第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好解決方法:調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)格2023/7/15101第1章半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具SentaurusTCAD本章內(nèi)容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結(jié)構(gòu)編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛