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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。
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。
4.1.7栅氧厚度的最优化
下面介绍如何使用DECKBUILD中的最优化函数来对栅极氧化厚度进行最优化。
假定所测量的栅氧厚度为100Å，栅极氧化过程中的扩散温度和偏压均需要进行调整。
为了对参数进行最优化，DECKBUILD最优化函数应按如下方法使用：
a.依次点击Main control和Optimizer…选项；调用出如图4.15所示的最优化工具。
第一个最优化视窗显示了Setup模式下控制参数的表格。
我们只改变最大误差参数以便能精确地调整栅极氧化厚度为100Å；
b.将Maximum Error在criteria一栏中的值从5改为1；
c.接下来，我们通过Mode键将Setup模式改为Parameter模式,并定义需要优化参数（图4.16）。
图4.15 DECKBUILD最优化的Setup模式
图4.16 Parameter模式
需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和偏压。
为了在最优化工具中对其进行最优化，如图4.17所示，在DECKBUILD窗口中选中栅极氧化这一步骤；
图4.17 选择栅极氧化步骤
d.然后，在Optimizer中，依次点击Edit和Add菜单项。
一个名为Deckbuild：Parameter Define的窗口将会弹出，如图4.18所示，列出了所有可能作为参数的项；
图4.18 定义需要优化的参数
e.选中temp=<variable>和press=<variable>这两项。
然后，点击Apply。
添加的最优化参数将如图4.19所示一样列出；
图4.19 增加的最优化参数
f.接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模式,并定义优化目标；
g.Optimizer利用DECKBUILD中Extract语句的值来定义优化目标。
因此，返回DECKBUILD的文本窗口并选中Extract栅极氧化厚度语句，如图4.20所示；
图4.20 选中优化目标
h.然后，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（见图4.21）；
通过在栅极氧化工艺过程中改变温度和偏压，Optimizer对栅极氧化厚度进行了优化。
i.为了观察优化过程，我们可以将Targets模式改为Graphics模式，如图4.22所示；
图4.21 在Target value中输入值100 Å
图4.22 Optimizer中的Graphics模式
j.最后，点击Optimize键以演示最优化过程。
仿真将会重新运行，并且在一小段时间之后，重新开始栅极氧化这一步骤。
优化后的结果为，温度925.727C，偏压0.982979，
以及抽样氧化厚度100.209 Å，如图4.23所示；
为了完成最优化，温度和偏压的最优化值需要被复制回输入文档中。
k.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值，输入文档将会在正确的地方自动更新。
如图4.24所示；
图4.23 最优化完成
图4.24 优化后的参数在正确的地方自动更新
4.1.8完成离子注入
离子注入是向半导体器件结构中掺杂的主要方法。
在ATHENA中，离子注入是通过可在ATHENA Implant菜单中设定的Implant语句来完成的。
这里要演示阈值电压校正注入，条件是杂质硼的浓度为9.5×1011cm-2，注入能量为10keV，tilt为7度，rotation为30度，步骤如下：
a.在Commands菜单中，依次选择Process和Implant…，出现ATHENA Implant菜单；
b.在Impurity一栏中选择Boron；通过滚动条或者直接输入的方法，分别在Dose和Exp:这两栏中输入值9.5和11；在Energy、Tilt以及Rotation这三栏中分别输入值10、7和30；默认为Dual Pearson模式；将Material Type选为Crystalline；在Comment栏中，输入
Threshold Voltage Adjust implant；
c.点击WRITE键，注入语句将会出现在文本窗口中，如图4.25所示；
图4.25 阈值电压调整注入语句
参数CRYSTAL说明了对于任何解析模型来说，均使用一片硅单晶上的值域抽样统计值。
d.点击DECKBUILD控制栏上的Cont键，ATHENA继续进行仿真，如图4.26所示；
图4.26 阈值电压调整注入步骤的仿真
4.1.9在TONYPLOT中分析硼掺杂特性
硼杂质的剖面形状可以通过2D Mesh菜单或TONYPLOT的Cutline工具进行成像。
在2D Mesh菜单中，可以显现硼杂质的剖面轮廓线。
另一方面，在二维结构中运行Cutline工具可以创建一维的硼杂质的横截面图。
首先，我们用图示的方法说明如何利用2D Mesh菜单去获得硼杂质剖面的轮廓线。
a.绘制历史文件“.history05.str”（阈值电压校正注入这一步骤后得到的历史文件），具体方法是，首先选中它，然后从DECKBUILD的Tools菜单依次选择Plot和Plot Structure；
b.在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…项，窗口Display(2D Mesh)将会弹出；
c.选择Contours图象画出结构的等浓度线；点击Define菜单并选择Contours…，如图4.27所示；
图4.27 调用TONYPLOT：Contour菜单
d.TONYPLOT：Contour弹出窗口将会出现。
在缺省状态下，窗口中Quantity选项为Net doping，现在将Net doping改为Boron；点击Apply键，运行结束以后再点击Dismiss；
e.硼杂质的剖面浓度轮廓图如图4.28所示；
图4.28 离子注入后硼杂质的剖面轮廓图
接下来，我们要从硼杂质剖面二维的结构中得到一维的横截面图。
具体步骤如下：
a.在TONYPLOT中，依次选择Tools和Cutline…项，弹出Cutline窗口；
b.在缺省状态下，Vertical图标已被选中，这将把图例限制在垂直方向；
c.在结构图中，从氧化层开始按下鼠标左键并一直拖动到结构底部。
这样，一个一维的硼杂质剖面横截面图，如图4.29所示。
图4.29 演示结构的垂直方向截面图。
