Silvaco工艺及器件仿真2

9SilvacoTCAD器件仿真模块及器件仿真流程Silvaco TCAD是一种广泛使用的集成电路（IC）设计和仿真工具，用于开发和研究半导体器件。

它提供了一套完整的器件仿真模块，可以帮助工程师设计、优化和验证各种半导体器件的性能。

本文将介绍几个常用的Silvaco TCAD器件仿真模块，并提供一个简要的器件仿真流程。

1. ATHENA模块：ATHENA是Silvaco TCAD的物理模型模拟引擎，用于模拟器件的结构和物理特性。

它可以通过解决泊松方程、电流连续性方程和能带方程等来计算电子和空穴的分布、电场和电势等物理量。

ATHENA支持多种材料模型和边界条件，可以准确地模拟各种器件结构。

2. ATLAS模块：ATLAS是Silvaco TCAD的设备模拟引擎，用于模拟半导体器件的电学和光学特性。

它可以模拟器件的电流-电压特性、载流子分布、能量带结构和光电特性等。

ATLAS支持各种器件类型，如二极管、MOSFET、BJT和太阳能电池等。

3. UTILITY模块：UTILITY是Silvaco TCAD的实用工具模块，用于处理和分析仿真结果。

它提供了各种数据可视化、数据处理和数据导出功能，帮助工程师分析和优化器件性能。

UTILITY还可以用于参数提取和模型校准，以改进模拟的准确性。

接下来是一个简要的Silvaco TCAD器件仿真流程：2. 设置模拟参数：在进行仿真之前，需要设置模拟所需的参数，如材料参数、边界条件、物理模型和仿真选项等。

可以使用Silvaco TCAD的参数设置工具来设置这些参数。

3. 运行ATHENA模拟：使用ATHENA模块进行结构模拟，通过求解泊松方程和连续性方程，计算出电子和空穴的分布、电场和电势等物理量。

可以使用Silvaco TCAD的命令行界面或图形用户界面来运行ATHENA模拟。

4. 运行ATLAS模拟：使用ATLAS模块进行设备模拟，模拟器件的电学和光学特性。

ATLAS模块可以计算器件的电流-电压特性、载流子分布、能量带结构和光电特性等。

快速热退火（RTA）： Diffuse time=1 temp=1000 nitro press=1.5
高级的扩散模型：
Method pls
Diffuse time=1 hour temp=950 nitro c.phos=1e20 \
tsave=1 tsave.mult=10 dump.predep=predep
Method pls Diffuse time=1 hour temp=950 nitro \
c.phos=1e20 tsave=1 tsave.mult=10 \ dump.prefix=predep
tonyplot predep*.str tonyplot -overlay predep*.str
淀积，网格控制：
Rate.depo machine=MOCVD cvd dep.rate=0.1 u.m \
step.cov=0.75 tungsten
Deposit machine=MOCVD time=1 minute
20:55
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淀积的例子（网格）
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
Diffuse time=30 temp=1200 weto2
变温扩散：
Diffuse time=2 temp=800 t.final=1200 nitro press=2 Diffuse time=20 temp=1200 nitro press=2 Diffuse time=2 temp=1200 t.final=800 nitro press=2

参数columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high, x.min,x.max,y.min,y.max
Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7
*
Eliminate 前
5
Eliminate 后
区域ID(region=<n>)、材料(material=<c>)、区域坐 标(points=“0,0 0,1 …”)
例句
Region reg=1 mat=silicon color=0xffb2 pattern=0x9 \ points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
Region reg=3 name=anode material=contact elec.id=1 \ work.func=0 points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
doping region=1 gauss conc=1e18 peak=0.2 junct=0.15
从文件导入杂质分布
doping x.min=0.0 x.max=1.0 y.min=0.0 y.max=1.0 n.type ascii \ infile=concdata
*
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ATLAS描述的二极管结构
region number=2 x.min=0.0 x.max=0.1 y.min=1.0 \ y.max=2.0 material=silicon
electrode name=anode top electrode name=cathode bottom
doping uniform conc=1e18 n.type region=1 doping uniform conc=1e18 p.type region=2

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
n\ atlasmod • 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\commo Page n\21SCI
Recombination Models (srh, auger, optr…)
Generation Models (impact)
Carrier Statistics (fermi-dirac)
Energy Balance
例句：
Lattice Heating (lat.temp) models conmob fldmob srh bgn temp=398
Page 8
1.2 ATLAS仿真模块（续）
Page 9
1.2 ATLAS仿真模块（续）
go atlas
后显示的可用模块
===================================
ATLAS
: enabled
S-PISCES
: enabled
BLAZE
: enabled
GIGA
: enabled

实验2 PN结二极管特性仿真1、实验内容（1）PN结穿通二极管正向I—V特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。

（2)结构和参数：PN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂，n-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度16μm，p+区厚度2μm,n+区厚度2μm.掺杂浓度：p+区浓度为1×1019cm-3，n+区浓度为1×1019cm-3，耐压层参考浓度为5×1015 cm—3.图1 普通耐压层功率二极管结构2、实验要求（1）掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（2)掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。

3、实验过程#启动Athenago athena#器件结构网格划分;line x loc=0.0 spac= 0。

4line x loc=4.0 spac= 0.4line y loc=0.0 spac=0。

5line y loc=2.0 spac=0。

1line y loc=10 spac=0.5line y loc=18 spac=0。

1line y loc=20 spac=0。

5#初始化Si衬底;init silicon c。

phos=5e15 orientation=100 two。

d#沉积铝；deposit alum thick=1.1 div=10＃电极设置electrode name=anode x=1electrode name=cathode backside＃输出结构图structure outf=cb0.strtonyplot cb0。

str#启动Atlasgo atlas#结构描述doping p.type conc=1e20 x。

min=0。

0 x.max=4.0 y.min=0 y。

max=2.0 uniformdoping n.type conc=1e20 x。

min=0。

0 x。

max=4.0 y.min=18 y。

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⑧
在Optimizer中，依次点击Edit和Add项。这就将“栅极氧 化” 这个目标添加到了Optimizer的目标列表中去。在目 标列表里定义目标值。在Target value中输入值100 Å（见 下图）；
通过在栅极氧化工艺过程中改变温度和气压，Optimizer 对栅极氧化厚度进行了优化。
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为了完成最优化，温度和气压的最优化值需要被复制 回输入文档中。 11 为了复制这些值，需要返回Parameters模式并依次点击 Edit和Copy to Deck菜单项以更新输入文档中的最优化
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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。
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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）。
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③
④
有关栅极氧化的数据信息将会被写入Deckbuild文本窗口， 其中Diffuse语句被用来实现栅极氧化； 点击Deckbuild控制栏上的Cont键继续ATHENA仿真。一 旦栅极氧化完成，另一个历史文件“.history02.str”将会 生成；选中该文件，然后点击Tools菜单项，并依次选择 Plot和Plot Structure…，将结构绘制出来；最终的栅极 氧化结构将出现在TONYPLOT中，如图所示。从图中可 以看出，一个氧化层淀积在了硅表面。

参数取
通过仿真结果提取器件参数，为进一步分析 提供数据支持。
可靠性分析
对器件的可靠性进行评估，预测器件在不同 环境下的性能表现。
软件应用领域
集成电路设计
用于集成电路设计中的器件级仿真，验证电路 设计的正确性和性能。
微电子工艺开发
用于微电子工艺开发中的过程控制和优化，提 高工艺水平。
光电器件仿真
用于光电器件仿真，研究光电器件的物理特性和性能表现。
案例二：晶体管仿真
总结词
晶体管是现代电子电路中的核心元件，其仿真分析对于电路设计和优化具有重要意义。
详细描述
在Silvaco仿真软件中，可以对晶体管进行建模和仿真分析，包括电流-电压特性、频率 响应、噪声性能等参数。通过仿真，可以预测晶体管在实际电路中的性能表现，为电路
设计提供优化依据。
案例三：集成电路仿真
需要加强与物理学、化学、生物学等其他学科的合作，以实现多物理 场耦合仿真的突破。
人才培养与交流
加强国内外学术交流与合作，培养具备创新能力和实践经验的器件仿 真人才是未来的重要机遇。
THANKS
感谢观看
另一款功能强大的器件仿真软件，适用于多 种应用领域。
Keysight
除了提供测试测量解决方案外，也提供器件 仿真工具。
ANSYS
一个多物理场仿真软件，可用于器件的热、 电磁、流体等多方面仿真。
02
Silvaco仿真软件介绍
软件特点
高效性
Silvaco仿真软件采用先进的算法和计算技术，能够 快速准确地模拟器件性能，大大缩短了设计周期。
仿真流程
建立模型
根据器件的物理结构和参数，建立数学模型。
设置仿真参数
根据实际需求，设置初始条件、边界条件、输入信号等仿真参数。

tcadtonyplot2d3d?卓越的图形分析工具是快速成型和开发工艺及器件设计之关键所在?共用的可视工具贯穿silvacotcad所有产品?提供完整的性能用于查看和分析tcadgoathenatcadloc000spac010lineloc02spac001lineloc06spac001loc000spac0008lineloc02spac0001lineloc05spac005lineloc08tcadinitialsiliconstructure100orientationinitsiliconcboron10e14orientationtcadstructoutfilehistotcadgateoxidationdiffustime11temp950dryo2press1tcadextractnamegateoxidethicknessmaterialsio2matoccnotcadthresholdvoltageadjustimplantimplantborondose95e11energy10tcadconformalpolysilicondepositiondepositpolysiliconthick02divtcadpolydefinationetchpolysiliconleftcad10poly
TFT2D/3D高级器件技术仿真器： TFT2D/3D是一个高级器件技术仿真器，其 物理模型和专用数字技术是模拟非晶体或包括薄膜 晶体管在内的多晶硅器件所必需的。它的特殊应用 包括大面积电子显示和太阳能电池。TFT2D/3D建 模非晶体材料带隙里的缺陷态分布的电学效应。用 户可规定活化能，以及捕捉电子和空穴的截面或寿 命。用户也可修改迁移率模型、碰撞电离和带间隧 道效应等，从而精确地预测器件性能。
命令讲解： 1、调用命令： go athena go atlas

Work area
Defining region
Mesh creation
Save the file
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12
Silvaco学习
Defining region

添加、替换或删除区域 主要参数：
区域ID(region=<n>)、材料(material=<c>)、 区域坐标(points=“0,0 0,1 …”)
5
Silvaco学习
mesh

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
参数columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high, x.min,x.max,y.min,y.max
Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7

这一讲安排 器件结构生成（2D/3D）
ATLAS语法描述结构 DevEdit编辑结构
03:32
2
Silvaco学习
器件仿真流程
03:32
3
Siபைடு நூலகம்vaco学习
ATLAS描述器件结构

ATLAS描述器件结构的步骤
mesh
region
electrode
doping
03:32 4 Silvaco学习
mesh
region number=1 x.min=0.0 x.max=0.1 y.min=0.0 \ y.max=1.0 material=silicon region number=2 x.min=0.0 x.max=0.1 y.min=1.0 \ y.max=2.0 material=silicon electrode name=anode top electrode name=cathode bottom

最新Silvaco器件仿真
2. 在整个学科中所处的位置是什么？ 从纵向来讲，和其他CAD类或仿真类课程一样，它是基础理论知 识和实际生产的链接点。 从横向来讲， 电路模拟、工艺模拟、器件模拟之间的关系可以用下 面的结构图来表示
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本门课程 重点学习部分
工艺描述
工艺仿真
(Process Simulation)
Sentaurus Device 整合了 (1)Avanti 的Medici和
Taurus Device (2)ISE 的DESSIS 器件 物理特性仿真工具, 充实并 修正了诸多器件物理模型, 推出新的器件物理特性分析 工具Sentaurus Device。
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Silvaco TCAD
可迅速和精确地模拟应用在CMOS、双极、SiGe / SiGeC 、 SiC、SOI 、III-V、光电子和功率器件技术的所有关键加工步骤
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如图所示为一个半导体工艺仿真的结果示意图。
掺杂浓度
几何结构
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deckbuild 的使用
（1）deckbuild的调用
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。
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双击文件名来选择实例如 Mos1ex01.in
被选中的输入文件的描述将会出现在示例 窗口中，如图所示
这些描述包括
a. 运行本例所需要的软件模块 b. 提供本例演示概貌 c. 描述本例所使用的仿真命令 d. 描述本例运行结束后显示出来的结果

工艺描述
几何结构及掺杂
电学特性
器件模拟参数提取
(Device parameter extraction tools)
IC电路特性 IC电路仿真
(IC Circuit Simulation)
电路模拟用器件模型参数
3. 有什么用？ 一方面，充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象 难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用。加强理论教学 的效果。 仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩 短了开发周期和提高成品率。也就是说，仿真可以虚拟生产并指 导实际生产。
（2）什么是半导体器件仿真？ 那么像电子IT行业里面的仿真软件按用途分是多种多样的。仅仅是 集成电路这个行业来讲，就分电路仿真、器件仿真、工艺仿真等。 再深入下去研究，研究固体物理学，半导体物理学也都有相关的仿 真软件可以进行原子、分子级别的仿真。
包括工艺仿真和器件电学特性仿真两个部分。
研究单个元器件从生产工艺到性能特性的。
材料定义、 结构定义指令
athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。
与devedit类似，用atlas器件仿真器语言编写器件信息。
与devedit不同的是需要编程操作，没有图形操作界面。
结构材料定义：
• Mesh(网格)
• Region(区域) • Electrode(电极) • Doping(掺杂) • Material(材料)
一、概论：半导体仿真概述 Introduction of Semiconductor Simulation
1. 这门课是研究什么的？
（1）什么是仿真？ 仿真和另外一个词汇建模（modeling）是密不可分的。 所谓建模就是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律。 仿真是在这个一般规律的基础上，对某事物在特定条件下的行动 进行推演和预测。 因此可以说建模是仿真的基础，仿真是随着建模的发展而发展的。 建模和仿真的关系可以比作程序设计中算法和语言的关系。

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。

§4 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD本章将向读者介绍如何使用SILVACO公司的TCAD工具ATHENA来进行工艺仿真以及ATLAS来进行器件仿真。

假定读者已经熟悉了硅器件及电路的制造工艺以及MOSFET和BJT 的基本概念。

使用ATHENA的NMOS工艺仿真4.1.1 概述本节介绍用ATHENA创建一个典型的MOSFET输入文件所需的基本操作。

包括：a. 创建一个好的仿真网格b. 演示淀积操作c. 演示几何刻蚀操作d. 氧化、扩散、退火以及离子注入e. 结构操作f. 保存和加载结构信息4.1.2 创建一个初始结构1 定义初始直角网格a. 输入UNIX命令：deckbuild-an&，以便在deckbuild交互模式下调用ATHENA。

在短暂的延迟后，deckbuild主窗口将会出现。

如图所示，点击File目录下的Empty Document，清空DECKBUILD文本窗口；图清空文本窗口b. 在如图所示的文本窗口中键入语句go Athena ；图以“go athena”开始接下来要明确网格。

网格中的结点数对仿真的精确度和所需时间有着直接的影响。

仿真结构中存在离子注入或者形成PN结的区域应该划分更加细致的网格。

c. 为了定义网格，选择Mesh Define菜单项，如图所示。

下面将以在μm×μm的方形区域内创建非均匀网格为例介绍网格定义的方法。

图调用ATHENA网格定义菜单2 在μm×μm的方形区域内创建非均匀网格a. 在网格定义菜单中，Direction（方向）栏缺省为X；点击Location（位置）栏并输入值0；点击Spacing（间隔）栏并输入值；b. 在Comment（注释）栏，键入“Non-Uniform Grid x ”,如图所示；c. 点击insert键，参数将会出现在滚动条菜单中；图定义网格参数图点击Insert键后d. 继续插入X方向的网格线，将第二和第三条X方向的网格线分别设为和，间距均为。

半导体专业实验补充sｉlvａc ｏ器件仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:实验2 PN结二极管特性仿真1、实验内容（1)ＰN结穿通二极管正向I-Ｖ特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。

（2）结构和参数：ＰN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂,ｎ-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度1６μｍ，p+区厚度2μm，n+区厚度２μｍ。

掺杂浓度:p+区浓度为１×１０１9cｍ-3，n+区浓度为１×１０1９cm-3,耐压层参考浓度为５×１01５cm-3。

0 Wp n n图1普通耐压层功率二极管结构２、实验要求（1)掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（2）掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。

3、实验过程#启动Aｔhenａgo athenａ＃器件结构网格划分;liｎe x loc=０.0 spac＝0.４line x loc=４．0 spac= 0.4ｌiｎｅｙloc=0.0ｓpａc＝0.5ｌine y loc=2．0 spaｃ=0.1line y loc=1０spac=0.５ｌｉne y ｌoc＝18ｓpaｃ＝0.1line y loc＝20 ｓpaｃ=0.5＃初始化Si衬底;iｎｉｔsilicｏn c.phｏs=5e15 orientａｔｉon=100 two.d#沉积铝;deposit alｕm tｈick=１．1div＝10#电极设置elecｔｒｏde nａme＝ａｎode x=1eｌectrｏdｅnａme=ｃaｔhoｄe bacｋsiｄe#输出结构图structurｅoutｆ=ｃb0.strtonyplotｃｂ0.stｒ＃启动Ａtlasgo aｔlaｓ#结构描述dｏping p．ｔypｅconc=1ｅ２0 ｘ.miｎ=0.0 x.mａｘ＝4.0 y．min=０y.max＝２．0 ｕｎiｆormdopinｇｎ.tyｐe cｏnc=1e20x．min=0．0 x.ｍaｘ=4.０ｙ.min=1８y.maｘ=20.0 ｕniforｍ#选择模型和参数models cｖt srh printｍethｏd carｒｉｅrs=2ｉmpａct selb＃选择求解数值方法methoｄnewton#求解solve initｌog ｏutｆ=cb02.logsｏｌve vanoｄｅ=0.03sｏｌｖe vanodｅ=0.1vsteｐ=0．1 vfｉnal=5 ｎame=aｎode#画出IＶ特性曲线ｔｏnyplot cb02.ｌoｇ#退出ｑuit图2为普通耐压层功率二极管的仿真结构。