第三讲 Silvaco TCAD 器件仿真01
合集下载
第3章 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD
13/118
④ 对于Dimensionality一栏，选择2D。在二维情况下进行 仿真；
⑤ 对于Comment栏，输入“Initial Silicon Structure with <100> Orientation”，如下图所示；
⑥ 点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。
2020/5/13
2020/5/13
浙大微电子
16/118
② 出现Display（二维网格）菜单项，在缺省状态下，
Edges和Regions图象已选。把Mesh图象也选上， 并点击Apply。将出现初始的三角型网格，如图所示。
2020/5/13
浙大微电子
17/118
现在，先前的INIT语句创建了一个0.6μm×0.8μm大小 的、杂硼浓度为1.0×1014原子数/cm3、掺杂均匀的<100>晶 向的硅片。这个仿真结构已经可以进行任何工艺处理步骤了 （例如离子注入，扩散，刻蚀等）。
接下来，我们通过干氧氧化在硅表面生成栅极氧化 层，条件是1个大气压，950°C，3%HCL, 11分钟。为 了完成这个任务，可以在ATHENA的Commands菜单 中依次选择Process和Diffuse …，ATHENA Diffuse菜 单将会出现。
2020/5/13
浙大微电子
18/118
栅极氧化
③ 对于Concentration栏，通过滚动条或直接输入，选择理想浓度值为
1.0 ， 而 在 Exp 栏 中 选 择 指 数 的 值 为 14 。 这 就 确 定 了 背 景 浓 度 为
1.0×1014原子数/cm3（也可以通过以Ohm·cm为单位的电阻系数来确
定背景浓度）。
2020/5/13
9 Silvaco TCAD器件仿真模块及器件仿真流程
Page 16
impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法 • 参数包括计算步长、迭代方法、初始化策略、迭 代次数等 • 计算不收敛通常是网格引起的
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
• 参数文件
X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\ common
• C解释器的模板、数学符号等文件
X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\common\SCI
Page
21
3 总结
第一部分
器件仿真模块
第二部分
• 需要注意的情况
除了精确定义尺寸外也需特别注意网格 电极的定义（器件仿真上的短接和悬空） 金属材料的默认特性 14
Page
2.1.2 材料参数描述
• 材料的参数有工艺参数和器件参数 • 材料参数是和物理模型相关联的 • 软件自带有默认的模型和参数 • 可通过实验或查找文献来自己定义参数
器件仿真流程
第三部分
总结
Page
22
3 总结
• 本课的主要内容
器件仿真模块
器件仿真流程
• 下一课主要内容
ATLAS描述器件结构 DevEdit编辑器件结构
Page
23
欢迎提问
谢谢！
Page
24
Page 18
tonyplot Vt.log
2.2 二极管的例子
• 生成结构
impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法 • 参数包括计算步长、迭代方法、初始化策略、迭 代次数等 • 计算不收敛通常是网格引起的
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
• 参数文件
X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\ common
• C解释器的模板、数学符号等文件
X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\common\SCI
Page
21
3 总结
第一部分
器件仿真模块
第二部分
• 需要注意的情况
除了精确定义尺寸外也需特别注意网格 电极的定义（器件仿真上的短接和悬空） 金属材料的默认特性 14
Page
2.1.2 材料参数描述
• 材料的参数有工艺参数和器件参数 • 材料参数是和物理模型相关联的 • 软件自带有默认的模型和参数 • 可通过实验或查找文献来自己定义参数
器件仿真流程
第三部分
总结
Page
22
3 总结
• 本课的主要内容
器件仿真模块
器件仿真流程
• 下一课主要内容
ATLAS描述器件结构 DevEdit编辑器件结构
Page
23
欢迎提问
谢谢！
Page
24
Page 18
tonyplot Vt.log
2.2 二极管的例子
• 生成结构
9 Silvaco TCAD器件仿真模块及器件仿真流程
Page 18
tonyplot Vt.log
2.2 二极管的例子
• 生成结构
定义网格 go atlas mesh space.mult=1.0 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=10.00 spac=0.5 y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y.mesh loc=5.00 spac=0.1 region num=1 silicon electr name=anode top electr name=cathode bot doping n.type conc=5e13 uniform doping p.type conc=1e19 junc=1 rat=0.6 gauss save outf=diode_0.str tonyplot diode_0.str
• 参数文件
X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\ common
• C解释器的模板、数学符号等文件
X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\common\SCI
Page
21
3 总结
第一部分
器件仿真模块
第二部分
Page 16
impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法 • 参数包括计算步长、迭代方法、初始化策略、迭 代次数等 • 计算不收敛通常是网格引起的
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
主要内容
tonyplot Vt.log
2.2 二极管的例子
• 生成结构
定义网格 go atlas mesh space.mult=1.0 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=10.00 spac=0.5 y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y.mesh loc=5.00 spac=0.1 region num=1 silicon electr name=anode top electr name=cathode bot doping n.type conc=5e13 uniform doping p.type conc=1e19 junc=1 rat=0.6 gauss save outf=diode_0.str tonyplot diode_0.str
• 参数文件
X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\ common
• C解释器的模板、数学符号等文件
X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\common\SCI
Page
21
3 总结
第一部分
器件仿真模块
第二部分
Page 16
impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法 • 参数包括计算步长、迭代方法、初始化策略、迭 代次数等 • 计算不收敛通常是网格引起的
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
主要内容
SilvacoTCAD器件仿真优秀课件
Silvaco TCAD 器件仿真（三）
Tang shaohua, SCU
*
1
Silvaco学习
这一讲主要内容
材料特性设置 物理模型设置 特性获取 结果分析 从例子hemtex01.in看整个流程
*
2
Silvaco学习
材料参数
状态Material，设置材料参数 材料参数和物理模型的选取有关，常用的
Silvaco学习
特性获取Biblioteka CE击穿特性：impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
tmun
p0
mup
Tl 300
tmup
*
状态 Mobility Mobility Mobility Mobility
低场迁移率模型中可用户定义的参数
参数
默认值
Mun
1000
Mup
500
Tmun
1.5
Tmup
1.5
11
单位 cm2/Vs cm2/Vs
Silvaco学习
物理模型
推荐的模型 MOSFETs类型：srh，cvt，bgn BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，bgn 击穿仿真：Impact，selb
Solve vgate=0.05 vstep=0.05 vfinal=1.0 name=gate
Solve ibase=1e-6
*
Tang shaohua, SCU
*
1
Silvaco学习
这一讲主要内容
材料特性设置 物理模型设置 特性获取 结果分析 从例子hemtex01.in看整个流程
*
2
Silvaco学习
材料参数
状态Material，设置材料参数 材料参数和物理模型的选取有关，常用的
Silvaco学习
特性获取Biblioteka CE击穿特性：impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
tmun
p0
mup
Tl 300
tmup
*
状态 Mobility Mobility Mobility Mobility
低场迁移率模型中可用户定义的参数
参数
默认值
Mun
1000
Mup
500
Tmun
1.5
Tmup
1.5
11
单位 cm2/Vs cm2/Vs
Silvaco学习
物理模型
推荐的模型 MOSFETs类型：srh，cvt，bgn BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，bgn 击穿仿真：Impact，selb
Solve vgate=0.05 vstep=0.05 vfinal=1.0 name=gate
Solve ibase=1e-6
*
Silvaco_TCAD_工艺仿真1解读
Silvaco学习
ATHENA工艺仿真软件
通过MaskViews 的掩模构造说明，工程师可 以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件 结构上的掩模版图变动的影响。
与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀
仿真器集成，可以在物理生产流程中进行 实际的分析。
与ATLAS 器件模拟软件无缝集成
07:38
8
Silvaco学习
可仿真的工艺 （Features and Capabilities）
Bake CMP Deposition Development Diffusion Epitaxy
• Etch • Exposure • Imaging • Implantation • Oxidation • Silicidation
采用默认参数，二维初始化仿真： Init two.d
工艺仿真从结构test.str中开始： Init infile=test.str
GaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向[100]： Init gaas c.selenium=1e15 orientation=100
硅衬底，磷掺杂，电阻率为10Ω.cm Init phosphor resistivity=10
定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivity …
初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
07:38
15
Silvaco学习
初始化的几个例子
07:38
10
Silvaco学习
工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作 6、Tonyplot显示
SilvacoTCAD工艺仿真模块及工艺仿真流程
14
2.1.1 网格定义的命令及参数
• 定义某座标附近的网格线间距来建立仿真网格
line x location=x1 spacing=s1 line x location=x2 spacing=s2
s1
0
x1
line y location=y1 spacing=s3
s3
line y location=y2 spacing=s4
SilvacoTCAD工艺仿真模块及工艺仿真流 程
23
2.3.2 Diffuse做氧化的例子
氧化时间30分钟，1200度，干氧
diffuse time=30 temp=1200 dryo2
氧化时间30分钟，1000度，氧气流速10sccm
diffuse time=30 temp=1000 f.o2=10
1.1.1 ATHENA
• 分析和优化标准的和最新的隔离流程，包括 LOCOS， SWAMI，以及深窄沟的隔离
• 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注入方法——超浅 结注入，高角度注入和为深阱构成的高能量注入
• 支持多层次杂质扩散，以精确预测衬底与邻近材料表面的 杂质行为
• 考虑多重扩散影响，包括瞬态增强的扩散，氧化/硅化加强 的扩散，瞬态激活作用，点缺陷和簇群构造以及材料界面 的再结合，杂质分离，和传输
第一部分 第二部分 第三部分
工艺仿真器介绍 工艺仿真流程 总结
SilvacoTCAD工艺仿真模块及工艺仿真流 程
13
2 工艺仿真流程
• 1 建立仿真网格 • 2 仿真初始化 • 3 工艺步骤 • 4 提取特性 • 5 结构操作 • 6 Tonyplot显示
SilvacoTCAD工艺仿真模块及工艺仿真流 程
Silvaco_TCAD_工艺仿真1
19
Silvaco学习
另外，通过HCL或Cl2有助于清洁氧化炉中的 金属杂质，同时也有增快氧化速率的作用 。
氧化过程通常以费克定律方程及气流平衡 方程描述。对于特定温度下，氧化层厚度 和氧化时间的关系有两个极限形式：
1）在氧化层的厚度足够薄的时候，氧化速率是 线性的； 2）在氧化层足够厚的时候，其速率为抛物线的 。
所有关键制造步骤的快速精确的模拟，包括 CMOS，bipolar，SiGe，SOI，III-V，光电子学 以及功率器件技术
精确预测器件结构中的几何结构，掺杂剂量分 配，和应力 有助于IDMs，芯片生产厂商以及设计公司优化 半导体工艺，达到速度、产量、击穿、泄漏电 流和可靠性的最佳结合
5 Silvaco学习
18:07
25
Silvaco学习
结构操作
命令structure 可以保存和导入结构， 对结构做镜像或翻转 参数： infile,outfile,flip.y,mirror [left|right|top|bottom] 在仿真到一定步骤时可 适当保存结构
26
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20 init two.d Diffuse time=30 temp=1200 dryo2 structure outfile=oxide.str extract name="Tox" thickness \ oxide mat.occno=1 tonyplot
18:07
10
Silvaco学习
Silvaco学习
另外，通过HCL或Cl2有助于清洁氧化炉中的 金属杂质，同时也有增快氧化速率的作用 。
氧化过程通常以费克定律方程及气流平衡 方程描述。对于特定温度下，氧化层厚度 和氧化时间的关系有两个极限形式：
1）在氧化层的厚度足够薄的时候，氧化速率是 线性的； 2）在氧化层足够厚的时候，其速率为抛物线的 。
所有关键制造步骤的快速精确的模拟，包括 CMOS，bipolar，SiGe，SOI，III-V，光电子学 以及功率器件技术
精确预测器件结构中的几何结构，掺杂剂量分 配，和应力 有助于IDMs，芯片生产厂商以及设计公司优化 半导体工艺，达到速度、产量、击穿、泄漏电 流和可靠性的最佳结合
5 Silvaco学习
18:07
25
Silvaco学习
结构操作
命令structure 可以保存和导入结构， 对结构做镜像或翻转 参数： infile,outfile,flip.y,mirror [left|right|top|bottom] 在仿真到一定步骤时可 适当保存结构
26
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20 init two.d Diffuse time=30 temp=1200 dryo2 structure outfile=oxide.str extract name="Tox" thickness \ oxide mat.occno=1 tonyplot
18:07
10
Silvaco学习
第三讲 Silvaco TCAD 器件仿真 PPT
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
材料特性
材料的参数有工艺参数和器件参数 材料参数是和物理模型相关联的 软件自带有默认的模型和参数 可通过实验或查找文献来自己定义参数
物理模型
物理量是按照相应的物理模型方程求得的 物理模型的选择要视实际情况而定 所以仿真不只是纯粹数学上的计算
工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如 阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮 助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或 者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重 点给出网格，不重要区域少给网格。
二、半导体器件仿真软件使用
本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。 具体包括：
1.语句的语法规则 2.语句名称 3.语句所用到的参数列表， 包括类型，默认值及参数的描述 4.正确使用语句的实例
学习重点（1） 语法规则 （2）用ATLAS程序语言编写器件结构
1. 语法规则
规则1： 语句和参数是不区分大小写的。 A=a 可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc
计算方法
在求解方程时所用的计算方法 计算方法包括计算步长、迭代方法、初始化
策略、迭代次数等
计算不收敛通常是网格引起的
特性获取和分析
不同器件所关注的特性不一样，需要对 相应器件有所了解
不同特性的获取方式跟实际测试对照来 理解
从结构或数据文件看仿真结果
了解一下ATLAS
ATLAS仿真框架及模块 仿真输入和输出 Mesh 物理模型 数值计算
例： 命令语句 DOP 等同于 doping， 可以作为其命令简写。 但建议不要过度简单，以免程序含糊不清，不利于将来调用时阅读。
SilvacoTCAD器件仿真3讲解说课材料
impact selb material=InP an2=1e7 ap2=9.36e6 bn2=3.45e6 bp2=2.78e6
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
Material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 f.conmun=hemtex01_interp.lib material align=0.6
Silvaco学习
特性获取
CE击穿特性：
impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
*
8
Silvaco学习
C解释器
可通过C解释器编辑函数来描述材料参数 C解释器模板路径
X:\sedatools\lib\Atlas\5.14.0.R\common\template 例子
hemtex01.in 中 “f.conmun=hemtex01_interp.lib”
*
9
Silvaco学习
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
Impact selb
*
11
Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
Material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 f.conmun=hemtex01_interp.lib material align=0.6
Silvaco学习
特性获取
CE击穿特性：
impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
*
8
Silvaco学习
C解释器
可通过C解释器编辑函数来描述材料参数 C解释器模板路径
X:\sedatools\lib\Atlas\5.14.0.R\common\template 例子
hemtex01.in 中 “f.conmun=hemtex01_interp.lib”
*
9
Silvaco学习
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
Impact selb
*
11
Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
SilvacoTCAD器件仿真专题培训课件
Silvaco学习
物理模型
推荐的模型
MOSFETs类型：srh，cvt，bgn BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，
bgn
击穿仿真：Impact，selb
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
GP 特性：
solve vcollector=2 solve vbase=0.0 vstep=0.1 vfinal=2 name=base
contact name=base common=collector solve vbase=0.0 vstep=0.1 vfinal=2 name=base
*
16
Material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 f.conmun=hemtex01_interp.lib material align=0.6
*
8
Silvaco学习
光学参数
在光电特性仿真中材料的光学参数（折射 率实部和虚部）尤为重要。
两种方法可设置材料的光学参数
1、C解释器编写参数文件 2、添加、更改材料的折射率文件内的信息
impact selb material=InGaAs an2=5.15e7 ap2=9.69e7 bn2=1.95e6 \ bp2=2.27e6
impact selb material=InP an2=1e7 ap2=9.36e6 bn2=3.45e6 bp2=2.78e6
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
物理模型
推荐的模型
MOSFETs类型：srh，cvt，bgn BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，
bgn
击穿仿真：Impact，selb
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
GP 特性：
solve vcollector=2 solve vbase=0.0 vstep=0.1 vfinal=2 name=base
contact name=base common=collector solve vbase=0.0 vstep=0.1 vfinal=2 name=base
*
16
Material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 f.conmun=hemtex01_interp.lib material align=0.6
*
8
Silvaco学习
光学参数
在光电特性仿真中材料的光学参数（折射 率实部和虚部）尤为重要。
两种方法可设置材料的光学参数
1、C解释器编写参数文件 2、添加、更改材料的折射率文件内的信息
impact selb material=InGaAs an2=5.15e7 ap2=9.69e7 bn2=1.95e6 \ bp2=2.27e6
impact selb material=InP an2=1e7 ap2=9.36e6 bn2=3.45e6 bp2=2.78e6
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
Silvaco_TCAD_工艺仿真1.
14 Silvaco学习
17:08
仿真初始化
工艺仿真中的初始化（initialize）可定义衬 底，也可以初始化仿真 定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivit y… 初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
具体描述请参见手册中 Table1.1 Features and Capabilities
17:08 9 Silvaco学习
ATHENA 的输入和输出
一维和二维结构 工艺步骤 GDS版图 掩膜层 电阻和CV分析
ATHENA
工艺模拟软件
E-test数据(Vt)分析 涂层和刻蚀外形 输出结构到ATLAS 材料厚度，结深 CD外形，开口槽
17:08
10
Silvaco学习
工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作
6、Tonyplot显示
11 Silvaco学习
17:08
定义网格
网格定义对仿真至关重要 定义方式:
line x location=x1 spacing=s1 line x location=x2 spacing=s2 line y location=y1 spacing=s3 line y location=y2 spacing=s4
17:08
ATHENA工艺仿真软件
分析和优化标准的和最新的隔离流程，包 括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注 入方法——超浅结注入，高角度注入和为 深阱构成的高能量注入
17:08
仿真初始化
工艺仿真中的初始化（initialize）可定义衬 底，也可以初始化仿真 定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivit y… 初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
具体描述请参见手册中 Table1.1 Features and Capabilities
17:08 9 Silvaco学习
ATHENA 的输入和输出
一维和二维结构 工艺步骤 GDS版图 掩膜层 电阻和CV分析
ATHENA
工艺模拟软件
E-test数据(Vt)分析 涂层和刻蚀外形 输出结构到ATLAS 材料厚度，结深 CD外形，开口槽
17:08
10
Silvaco学习
工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作
6、Tonyplot显示
11 Silvaco学习
17:08
定义网格
网格定义对仿真至关重要 定义方式:
line x location=x1 spacing=s1 line x location=x2 spacing=s2 line y location=y1 spacing=s3 line y location=y2 spacing=s4
17:08
ATHENA工艺仿真软件
分析和优化标准的和最新的隔离流程，包 括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离 在器件制造的不同阶段分析先进的离子注 入方法——超浅结注入，高角度注入和为 深阱构成的高能量注入
【Silvaco TCAD实用教程】1 仿真的必要性
Quantum
Divece3D
Page 8
Thermal3D
Giga3D
MixedMode3D Quantum3D
1.6 器件电路混合仿真
• 模拟器件在特定电路中的电学特性
Page 9
GTO 关断波形
2 仿真的必要性
第一部分
TCAD介绍
第二部分 仿真的必要性
第三部分
TCAD学习
Page 10
2.1 为什么要仿真？
第一部分
TCAD介绍
第二部分
仿真的必要性
第二三部分
TCAD学习
Page 15
3.1 TCAD学习资料
• 用户手册 • 学习教程 • Silvaco官方网站 : silvaco • Silvaco中国官方网站 : silvaco
Page 16
3.2 TCAD学习方法
• 多看例子，多实际操作 • Ctrl + C 和 Ctrl + V 的灵活使用 • 注意补充理论知识
安交通大学出版社 • 《半导体的检测与分析（第二版）》， 许振嘉 主编 ，科学出版社 • 教材以及其他参考书籍…
Page 19
欢迎提问
谢谢！
Page 20
• 虚拟晶圆制造
Page 5
1.3 工艺仿真——ATHENA
• 开发和优化半导体 • 制造工艺
• 可用于模拟离子注入， • 扩散，刻蚀，淀积， • 氧化以及光刻
• 通过模拟取代了耗费 • 成本的硅片实验，可 • 缩短开发周期和提高 • 成品率
Page 6
1.4 器件仿真——ATLAS
• 模拟半导体器件的 • 电学、光学和热学 • 行为
• 仿真与实验协同 • 相互印证，合理进行实验方案设计，减少实
Silvaco-TCAD-器件仿真1只是分享
*
25
Silvaco学习
肖特基二极管的例子
*
22
Silvaco学习
器件仿真流程
*
23
Silvaco学习
ATLAS语法格式
ATLAS的语法格式：
<STATEMENT> <PARAMETER>=<VALUE>
ATLAS的statement同ATHENA中的command 参数类型及其要求如下：
Parameter Character Integer Logical Real
*
10
Silvaco学习
器件仿真模块
S-Pisces： 二维硅器件模拟器
Device3D：三维硅器件模拟器
Blaze2D/3D：高级材料的2维/3维器件模拟器
TFT 2D/3D：无定型和多晶体二维/三维模拟器
VCSELS：VCSELS模拟器
Laser: 半导体激光/二极管模拟器
Luminous 2D/3D：光电子器件模块
Silvaco 的两个工艺模拟器可分别对最新器件进行特殊性能 分析，如TFT，铁电材料，边缘发散激光，Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELS)，以及其他使用外来材料实 现产品差异的光电子的应用器件。
可用于两个模拟器的一整套的插换模块提供了更多详细的 分析功能，包括量子效应，噪声，光刻印刷，非等温线影 响，混合模式仿真能力，以及一个用户模型开发的C-注释 器。
*
15
Silvaco学习
Mobility Models
*
16
Silvaco学习
Recomnination Models
*
高频npn双极型晶体管Silvaco TCAD仿真
高频npn双极型晶体管Silvaco TCAD仿真一、npn晶体管器件物理1.npn晶体管的基本结构和制造工艺（1）npn晶体管的基本结构双极型晶体管由两个“背靠背”的pn结组成，一种基本结构如图1所示，晶体管中两种载流子都参与导电。
双极型晶体管按照导电类型和极性可划分为npn 晶体管和pnp晶体管，按照制作工艺可划分为合金管、平面管和台面管。
图 1 双极型晶体管基本结构（2）npn晶体管的制造工艺1948年，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿利用合金烧结法制作了第一个锗基双极型晶体管分立器件，奠基了现代电子技术的基础[1]。
npn晶体管制造的平面外延工艺在上世纪70年代一度成为主流，随着各种先进工艺和材料的引进，npn晶体管普遍使用多晶硅发射极的结构以提升注入效率，通过异质外延、离子注入、极紫外光刻等技术，npn晶体管尺寸更小、掺杂浓度更高更精确，性能也更出色。
2.npn晶体管的输出特性和击穿特性（1）npn晶体管的电流放大功能当处于放大工作状态时，npn晶体管的电流输运分为以下三个步骤：发射区发射载流子→基区输运载流子→集电区收集载流子，由于两种载流子都参与晶体管的电流输运，故得名“双极型晶体管”，三个过程定量描述载流子输运的系数分别是注入效率、基区输运系数和集电区雪崩倍增因子。
当npn型双极型晶体管发射结正偏、集电结反偏时，晶体管的基极电流将与集电极电流呈现近似比例关系，即I C=βI B（β>>1），呈现出“电流放大”的功能，其中β称为npn晶体管的电流放大系数。
npn晶体管的输出特性曲线如图2所示，图中虚线代表V BC=0，即V CE=V BE 的情形，是放大区和饱和区的分界线。
（2）npn晶体管的击穿特性当双极型晶体管一个电极开路，在另外两个电极外加反向偏压时，npn晶体管将发生雪崩倍增效应，产生类似于pn结的击穿现象，基极开路时，使I CEO→∞的V CE称为BV CEO，npn晶体管的BV CEO曲线表示如图3所示。
Silvaco TCAD 器件仿真演示幻灯片
低场迁移率模型中可用户定义的参数
参数
默认值
Mun
1000
Mup
500
Tmun
1.5
Tmup
1.5
单位 cm2/Vs cm2/Vs
11
物理模型
• 推荐的模型 MOSFETs类型：srh，cvt，bgn
BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，
bgn
击穿仿真：Impact，selb
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
Impact selb
2020/4/22
12
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
interface y.max=0.1 qf=−1e11 interface x.min=−4 x.max=4 y.min=−0.25 y.max=0.1 qf=1e11 \
Silvaco TCAD 器件仿真（三）
2020/4/22
Tang shaohua, SCU
E-Mail: shaohuachn@ shaohuachn@
1
这一讲主要内容
• 材料特性设置 • 物理模型设置 • 特性获取 • 结果分析 • 从例子hemtex01.in看整个流程
要在结构文件中查看能带，需添加语句 Output con.band val.band band.para
2020/4/22
7
材料参数例子
material material=InGaAs align=0.36 eg300=0.75 nc300=2.1e17 \ nv300=7.7e18 copt=9.6e-11
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
#.... N+ doping doping n.type conc=1e20 x.min=0 x.max=12 y.top=2 y.bottom=5 uniform
save outf=diode.str tonyplot diode.str -set diode.set
#物理模型定义 model conmob fldmob srh auger bgn
例如，在语句：
DOPING UNIFORM CONCENTRATION=1E16 P.TYPE 中
解析： Doping 是语句名称
Uniform 和 p.tpye是两个逻辑型参数，在程序内部对应了逻辑值
CONCENTRATION=1E16 对应的是一个实数型参数。
每一个语句对应多个参数，这些参数代表了这个语句的某种属性，但都 包含在4中参数之中。
工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如 阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮 助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或 者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重 点给出网格，不重要区域少给网格。
例如：Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7
Eliminate 前
Eliminate 后
mesh
#例1 设置初始网格均匀分布，为1.0微米
mesh space.mult=1.0
#例2 设置x方向网格， 从以0.5间隔的x=0.00的位置渐变过渡 到以0.2为间隔的x=3.0的位置。 这样可以根据需要设置多个网格。
参数#1 mesh： MESH INF=<structure filename> 导入由DevEdit创建的器件结构
例如：mesh infile=nmos.str
mesh space.mult=<VALUE> , 对网格进行控制, 默认值为1。 定义网格时必须先使用这句来初始化网格。
参数#2：x.mesh和y.mesh定义网格位置及其间隔(line)
规则3: 参数有4种类型
Parameter
Description
Character Integer Logical
Any character string Any whole number A true or false condition
Real
Any real number
Value Required
策略、迭代次数等
计算不收敛通常是网格引起的
特性获取和分析
不同器件所关注的特性不一样，需要对 相应器件有所了解
不同特性的获取方式跟实际测试对照来 理解
从结构或数据文件看仿真结果
了解一下ATLAS
ATLAS仿真框架及模块 仿真输入和输出 Mesh 物理模型 数值计算
workf=<val> (val表示变量参数，用来设置功函数大小)
这个语句是用来设置肖特基电极的功函数的。
在这个例子里面，因为衬底是亲和能为4.17的n类型硅，所指定的 功函数为4.97，这样提供了一个肖特基势垒的高度为0.8V. 默认的势 垒高度是0. （一个完美的欧姆接触）这个条件是为阴极假定的。
x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=3.00 spac=0.2 x.mesh loc=5.00 spac=0.25 x.mesh loc=7.00 spac=0.25 x.mesh loc=9.00 spac=0.2 x.mesh loc=12.00 spac=0.5
和工艺仿真的区别： devedit - 考虑结果 他不考虑器件生成的实际物理过程，生成器件时不需要对时 间、温度等物理量进行考虑。
athena - 考虑过程 必需对器件生成的外在条件、物理过程进行描述。
ATLAS描述器件结构
ATLAS描述器件结构的步骤
mesh region electrode doping
材料特性
材料的参数有工艺参数和器件参数 材料参数是和物理模型相关联的 软件自带有默认的模型和参数 可通过实验或查找文献来自己定义参数
物理模型
物理量是按照相应的物理模型方程求得的 物理模型的选择要视实际情况而定 所以仿真不只是纯粹数学上的计算
计算方法
在求解方程时所用的计算方法 计算方法包括计算步长、迭代方法、初始化
实例语句
2. 通过实例学语句
实例简介： 此实例演示了肖特基二极管正向特性。大致分为三个部分 （1）用atlas 句法来形成一个二极管结构 （2）为阳极设置肖特基势垒高度 （3）对阳极正向偏压
#调用atlas器件仿真器 go atlas #网格初始化 mesh space.mult=1.0
#x方向网格定义 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=3.00 spac=0.2 x.mesh loc=5.00 spac=0.25 x.mesh loc=7.00 spac=0.25 x.mesh loc=9.00 spac=0.2 x.mesh loc=12.00 spac=0.5
devedit ：athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。
功能: （1）勾画器件。 （2）生成网格。(修改网格) 既可以对用devedit画好的器件生成网格，或对athena工艺仿真生成含有网格信息 的器件进行网格修改。
为什么要重新定义网格？ 工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度掺杂浓度分布、结的深度等以适合于
温馨提示：
（1）命令缩减 没有必要输入一个语句或参数名的全称。 ATLAS只需要用户输入足够的字 符来区分于其他命令或参数。
例： 命令语句 DOP 等同于 doping， 可以作为其命令简写。 但建议不要过度简单，以免程序含糊不清，不利于将来调用时阅读。
（2）连续行 有的语句超过256个字符，为了不出现错误，ATLAS语序定义连续行。 将反斜线符号\放在一条语句的末尾，那么程序每当遇到\me=anode workf=4.97
#偏压初始化 solve init
#数值计算方法 method newton
log outfile=diodeex01.log
#设置偏压求解 solve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=1 name=anode tonyplot diodeex01.log -set diodeex01_log.set quit
二、半导体器件仿真软件使用
本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。 具体包括：
1.语句的语法规则 2.语句名称 3.语句所用到的参数列表， 包括类型，默认值及参数的描述 4.正确使用语句的实例
学习重点（1） 语法规则 （2）用ATLAS程序语言编写器件结构
1. 语法规则
规则1： 语句和参数是不区分大小写的。 A=a 可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc
x.mesh loc=0.1 spac=0.05
mesh
• 参数#3 Eliminate 可以在ATLAS生成的mesh基础上消除掉一些网格线，消除方
式为隔一条删一条 • 可用参数有columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high,
x.min,x.max,y.min,y.max
规则2： 一个语句一般有以下的定义格式： <语句> <参数>=<值>
其中： <语句>表示语句名称 <参数>表示参数名称 <值>表示参数的取值。 间隔符号是被用来分离语句中的多个参数。
解析：
在一个语句后的参数可以是单词或者数字。
单词可由字母和数字所组成的字符串。由空格（space）或回车 (carriage return)来终止。 例： region (OK) reg ion (wrong) 数字可以是数字也可以是字符串也是由空格（space）或回车 (carriage return)来终止。 例: 3.16 (OK) 3.1 6 (wrong) 数字的取值范围可以从1e-38 到 1e38 数字可以包含符号 + 或 – 或 E（十进制） 例： -3.1415 （OK）
Yes Yes No
Yes
Example
material=silicon region=1 gaussian
x.min=0.1
任何没有逻辑值的参数必须按 PARA=VAL 的形式定义 这里PARA表示参数名称，VAL表示参数值。 包括 ： 特性型，整数型，实数型参数（Character, Integer， Real） 而逻辑型参数必须和其他参数加以区分。
解析：
（1） 第一部分语句用来描述器件，包括网格参数（mesh）, 电极设置
（electrode locations）以及掺杂分布（doping distribution） 这是 一个具有重掺杂的浮动式环状保护区域的二维n类型器件，它分布 在结构的左右两边。肖特基阳极在器件顶端，重掺杂的阴极位于器件 底端。
mesh
#例3 设置y方向网格信息 y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y.mesh loc=1.00 spac=0.1 y.mesh loc=2.00 spac=0.2 y.mesh loc=5.00 spac=0.4
#.... N-epi doping 定义初始掺杂浓度 doping n.type conc=5.e16 uniform
#.... Guardring doping 定义p环保护掺杂
doping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gauss doping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss
save outf=diode.str tonyplot diode.str -set diode.set
#物理模型定义 model conmob fldmob srh auger bgn
例如，在语句：
DOPING UNIFORM CONCENTRATION=1E16 P.TYPE 中
解析： Doping 是语句名称
Uniform 和 p.tpye是两个逻辑型参数，在程序内部对应了逻辑值
CONCENTRATION=1E16 对应的是一个实数型参数。
每一个语句对应多个参数，这些参数代表了这个语句的某种属性，但都 包含在4中参数之中。
工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如 阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮 助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或 者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重 点给出网格，不重要区域少给网格。
例如：Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7
Eliminate 前
Eliminate 后
mesh
#例1 设置初始网格均匀分布，为1.0微米
mesh space.mult=1.0
#例2 设置x方向网格， 从以0.5间隔的x=0.00的位置渐变过渡 到以0.2为间隔的x=3.0的位置。 这样可以根据需要设置多个网格。
参数#1 mesh： MESH INF=<structure filename> 导入由DevEdit创建的器件结构
例如：mesh infile=nmos.str
mesh space.mult=<VALUE> , 对网格进行控制, 默认值为1。 定义网格时必须先使用这句来初始化网格。
参数#2：x.mesh和y.mesh定义网格位置及其间隔(line)
规则3: 参数有4种类型
Parameter
Description
Character Integer Logical
Any character string Any whole number A true or false condition
Real
Any real number
Value Required
策略、迭代次数等
计算不收敛通常是网格引起的
特性获取和分析
不同器件所关注的特性不一样，需要对 相应器件有所了解
不同特性的获取方式跟实际测试对照来 理解
从结构或数据文件看仿真结果
了解一下ATLAS
ATLAS仿真框架及模块 仿真输入和输出 Mesh 物理模型 数值计算
workf=<val> (val表示变量参数，用来设置功函数大小)
这个语句是用来设置肖特基电极的功函数的。
在这个例子里面，因为衬底是亲和能为4.17的n类型硅，所指定的 功函数为4.97，这样提供了一个肖特基势垒的高度为0.8V. 默认的势 垒高度是0. （一个完美的欧姆接触）这个条件是为阴极假定的。
x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=3.00 spac=0.2 x.mesh loc=5.00 spac=0.25 x.mesh loc=7.00 spac=0.25 x.mesh loc=9.00 spac=0.2 x.mesh loc=12.00 spac=0.5
和工艺仿真的区别： devedit - 考虑结果 他不考虑器件生成的实际物理过程，生成器件时不需要对时 间、温度等物理量进行考虑。
athena - 考虑过程 必需对器件生成的外在条件、物理过程进行描述。
ATLAS描述器件结构
ATLAS描述器件结构的步骤
mesh region electrode doping
材料特性
材料的参数有工艺参数和器件参数 材料参数是和物理模型相关联的 软件自带有默认的模型和参数 可通过实验或查找文献来自己定义参数
物理模型
物理量是按照相应的物理模型方程求得的 物理模型的选择要视实际情况而定 所以仿真不只是纯粹数学上的计算
计算方法
在求解方程时所用的计算方法 计算方法包括计算步长、迭代方法、初始化
实例语句
2. 通过实例学语句
实例简介： 此实例演示了肖特基二极管正向特性。大致分为三个部分 （1）用atlas 句法来形成一个二极管结构 （2）为阳极设置肖特基势垒高度 （3）对阳极正向偏压
#调用atlas器件仿真器 go atlas #网格初始化 mesh space.mult=1.0
#x方向网格定义 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=3.00 spac=0.2 x.mesh loc=5.00 spac=0.25 x.mesh loc=7.00 spac=0.25 x.mesh loc=9.00 spac=0.2 x.mesh loc=12.00 spac=0.5
devedit ：athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。
功能: （1）勾画器件。 （2）生成网格。(修改网格) 既可以对用devedit画好的器件生成网格，或对athena工艺仿真生成含有网格信息 的器件进行网格修改。
为什么要重新定义网格？ 工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度掺杂浓度分布、结的深度等以适合于
温馨提示：
（1）命令缩减 没有必要输入一个语句或参数名的全称。 ATLAS只需要用户输入足够的字 符来区分于其他命令或参数。
例： 命令语句 DOP 等同于 doping， 可以作为其命令简写。 但建议不要过度简单，以免程序含糊不清，不利于将来调用时阅读。
（2）连续行 有的语句超过256个字符，为了不出现错误，ATLAS语序定义连续行。 将反斜线符号\放在一条语句的末尾，那么程序每当遇到\me=anode workf=4.97
#偏压初始化 solve init
#数值计算方法 method newton
log outfile=diodeex01.log
#设置偏压求解 solve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=1 name=anode tonyplot diodeex01.log -set diodeex01_log.set quit
二、半导体器件仿真软件使用
本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。 具体包括：
1.语句的语法规则 2.语句名称 3.语句所用到的参数列表， 包括类型，默认值及参数的描述 4.正确使用语句的实例
学习重点（1） 语法规则 （2）用ATLAS程序语言编写器件结构
1. 语法规则
规则1： 语句和参数是不区分大小写的。 A=a 可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc
x.mesh loc=0.1 spac=0.05
mesh
• 参数#3 Eliminate 可以在ATLAS生成的mesh基础上消除掉一些网格线，消除方
式为隔一条删一条 • 可用参数有columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high,
x.min,x.max,y.min,y.max
规则2： 一个语句一般有以下的定义格式： <语句> <参数>=<值>
其中： <语句>表示语句名称 <参数>表示参数名称 <值>表示参数的取值。 间隔符号是被用来分离语句中的多个参数。
解析：
在一个语句后的参数可以是单词或者数字。
单词可由字母和数字所组成的字符串。由空格（space）或回车 (carriage return)来终止。 例： region (OK) reg ion (wrong) 数字可以是数字也可以是字符串也是由空格（space）或回车 (carriage return)来终止。 例: 3.16 (OK) 3.1 6 (wrong) 数字的取值范围可以从1e-38 到 1e38 数字可以包含符号 + 或 – 或 E（十进制） 例： -3.1415 （OK）
Yes Yes No
Yes
Example
material=silicon region=1 gaussian
x.min=0.1
任何没有逻辑值的参数必须按 PARA=VAL 的形式定义 这里PARA表示参数名称，VAL表示参数值。 包括 ： 特性型，整数型，实数型参数（Character, Integer， Real） 而逻辑型参数必须和其他参数加以区分。
解析：
（1） 第一部分语句用来描述器件，包括网格参数（mesh）, 电极设置
（electrode locations）以及掺杂分布（doping distribution） 这是 一个具有重掺杂的浮动式环状保护区域的二维n类型器件，它分布 在结构的左右两边。肖特基阳极在器件顶端，重掺杂的阴极位于器件 底端。
mesh
#例3 设置y方向网格信息 y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y.mesh loc=1.00 spac=0.1 y.mesh loc=2.00 spac=0.2 y.mesh loc=5.00 spac=0.4
#.... N-epi doping 定义初始掺杂浓度 doping n.type conc=5.e16 uniform
#.... Guardring doping 定义p环保护掺杂
doping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gauss doping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss