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浅谈SILVACO TCAD在VDMOS功率器件设计中的应用作者：张海磊陆建恩严古响徐成保孟欢来源：《电子技术与软件工程》2016年第09期【关键词】SILVACO 半导体工艺器件仿真 VDMOS半导体器件和集成电路的制造过程非常复杂，设备非常昂贵，开发周期长，生产成本大。
例如：一个基本热氧化过程一般需要几小时或更多的时间，而用软件模拟一次仅需要几分钟。
因此现在很多公司在产品研发之初就采用TCAD技术进行设计并仿真。
SILVACO-TCAD软件是由SILVACO公司开发的，公司于1984年成立于美国硅谷。
它是一款非常好的EDA工具，现在已经风靡全球。
1 SILVACO-TCAD的功能SILVACO-TCAD软件主要包括工艺仿真（ATHENA）和器件仿真（ATLAS）。
特别是SPICE 模型的生成，互连寄生参数的的精确描述，基于物理的可靠性建模以及传统的CAD技术，这些都为工程师进行完整地IC设计提供强大的动力和支持。
工艺仿真模块（ATHENA）包括半导体器件和集成电路制造工艺中前道工序几乎所有工艺过程的仿真，例如氧化、扩散、淀积、光刻、刻蚀、离子注入、退火等。
当然还必须进行网格结构设计、衬底初始化以及电极引出。
特别加入了对各项工艺的优化功能，可以设定目标值，可调参数，使系统自动优化分析。
器件仿真模块（ATLAS）主要是对特定半导体器件结构的电学特性以及器件工作时相关的内部物理机理进行仿真，预测工艺参数对电路特性的影响。
例如：晶体管和MOS管的转移特性、输出特性、阈值电压、击穿电压等等。
2 基于SILVACO的VDMOS工艺仿真在进行VDMOS工艺仿真之前，先要确定基本的工艺流程。
本次实验，我们确定的VDMOS工艺流程如图1所示。
确定流程之后，根据设计要求对各道工序的参数进行计算分析。
例如：本实验要求达到600V的击穿电压，通过理论计算分析得出：至少需要38μm厚度的外延层，掺杂浓度为2.5*1014cm-3。
发信人: donnie (QQ糖∈IMECAS2004), 信区: IME标题:EDA软件列表发信站: BBS 科苑星空站(Fri Oct 1 22:53:40 2004), 站内★数字电路设计工具★分类产品名制造商逻辑综合器、静态时序分析Blast RTL 美国MAGMA公司VHDL/Verilog-HDL Simulator（仿真工具) Active-HDL 美国Aldec公司混合语言仿真NC-sim 美国Cadence Design Systems公司Verilog仿真器Verilog-XL 同上System C 仿真器NC- System C 同上VHDL仿真器NC- VHDL 同上物理综合工具PKS 同上超级综合工具（带有最优化配置功能）BuildGates Extreme 同上Verilog仿真/VHDL编译器VCS/Scirocco 美国Synopsys公司RTL级逻辑综合工具DC expert 美国Synopsys公司Vhdl/Verilog混合语法和设计规范检查器LEDA 美国Synopsys公司FPGA综合器Synplify PRO 美国Synplicity公司物理综合Amplify 美国Synplicity公司测试与原型验证Certify SC 美国Synplicity公司VHDL/Verilog-HDL 仿真工具ModelSim 美国Mentor Graphics公司Verilog-HDL仿真工具TauSim 美国Tau Simulation公司Hardware Accelerator ARES 美国IKOS Systems公司Static Timming 解析工具EinsTimer 美国IBM公司逻辑Simulator(仿真) Explore 美国Aptix公司Xcite 美国Axis Systems公司VirtuaLogic 美国IKOS Systems公司VIVACE 美国Mentor Graphics公司功耗解析/最优化工具（RTL）WattSmith 美国Sente公司逻辑验证工具（测试向量生成）Specman Elite 美国Verisity Design公司CODE・COVERAGE工具，状態COVERAGE工具Verification 美国TransEDA公司Navigator/State 美国TransEDA公司Navigator 美国TransEDA公司Formal・Verifier（等价性评价）BoolesEye 美国IBM公司Tuxedo 美国V erplex Systems公司HDL调试工具Debussy 美国Novas Software公司电路合成工具，行为级合成工具（VHDL编程）BooleDozer 美国IBM 公司High Level电路合成工具eXplorations Tools 美国Explorations公司RTL设计TeraForm 美国Tera Systems公司——————————————————————————————————————★模拟/数.模混合信号电路设计工具★分类产品名制造商模拟电路Simulator（仿真工具）T-Spice Pro 美国Tanner Research公司SmartSpice 美国Silvaco International公司Eldo 美国Mentor Graphics公司电路图仿真/物理设计环境COSMOS SE/LE 美国Synopsys公司数字/模拟混合信号仿真HSPICE/NanoSim 美国Synopsys公司混合信号・Simulator（仿真工具）ICAP/4 美国intusoft 公司混合信号・Simulator（仿真工具）美国Mentor Graphics公司RF电路Simulator（仿真工具）ADVance，CommLib 美国Mentor Graphics公司Analog Macro Library 美国Mentor Graphics公司Static Noise 解析工具（混合信号）SeismIC 美国CadMOS Design Technology公司Model Generator（模拟）NeoCell 美国Neolinear公司模拟电路设计工具MyAnalog Station 美国MyCAD公司电路仿真工具Star-Hspice 美国Avanti公司Star-Sim 美国Avanti公司Star-Time 美国Avanti公司电路图编辑器Scholar 美国Silvaco International公司S-edit 美国TANNER公司模拟、射频及混合信号仿真Cadence Analog Design Environment 美国Cadence公司层次化原理图输入工具Virtuoso Composer 美国Cadence公司原理图输入Orcad Capture CIS, 美国Cadence公司Concept HDL Capture CIS, 美国Cadence公司原理图仿真Pspice NC Desktop 美国Cadence公司————————————————————————————————————————★Hard/Soft协调设计工具★分类产品名制造商Hard/Soft协调设计工具Cierto VCC Environment 美国Cadence公司ArchGen 美国CAE Plus公司eArchitect 美国Viewlogic Systems公司Hard/Soft协调验证工具SeamlessCVE 美国Mentor Graphics公司————————————————————————————————————————★LSI Layout设计工具★分类产品名制造商寄生电容/阻抗提取工具DISCOVERY 美国Silvaco International公司IC 版图设计MyChip StationTM V6.4 美国MyCAD公司寄生电容/寄生阻抗提取工具，延迟计算工具SWIM/InterCal 美国Aspec Technology公司寄生电容/阻抗提取工具，回路Simulator（仿真工具），Layout变换工具Spicelink，Ansoftlinks 美国Ansoft公司物理版图编辑器Virtuoso-XL Layout Editor 美国Cadence公司交互式物理版图验证工具Diva 美国Cadence公司信号完整性时序分析工具SignalStorm 美国Cadence公司Model Generator CLASSIC-SC 美国Cadabra Design Automation公司Layout设计工具（带有电路合成功能）Blast Fusion 美国Magma公司Layout设计工具DOLPHIN 美国Monterey Design Systems公司L-Edit Pro 美国Tanner Research公司MyChip Station 美国MyCAD公司CELEBRITY,Expert 美国Silvaco International公司相位Shift Mask设计工具，OPC设计工具，Mask 测试工具iN-Phase/TROPiC/CheckIt 美国Numerical Tecnologies公司版图寄生参数提取工具Star-RC 美国Avanti公司逻辑仿真与版图设计熊猫系统2000 中国华大————————————————————————————————————————★测试工具★分类产品名制造商Test - Pattern 变换工具TDS iBlidge/SimValidator 美国Fluence Technology公司Test 设计工具TestBench 美国IBM公司TDX 美国Fluence Technology公司————————————————————————————————————————★印刷电路版设计工具★分类产品名制造商高速PCB设计与验证SPECCTRAQuest 美国Cadence Design Systems 公司PCB设计用自动配置,配线工具AllegroSPECCTRA 美国Cadence Design Systems 公司PCB设计Orcad Layout 美国Cadence Design Systems公司PCB用温度解析工具PCB Thermal 美国Ansoft公司面向焊接的PCB用温度解析工具PCB SolderSim 美国Ansoft公司PCB用振动・疲劳解析工具PCB Vibration Plus/PCB Fatigue 美国Ansoft公司PCB/MCM用寄生电容/阻抗提取工具，回路Simulator（仿真工具）PCB/MCM Signal Integrity 美国Ansoft公司封装(Package)设计工具Advanced Packaging Designer/Ensemble 美国Cadence公司封装(Package)用温度解析工具Hybrid Thermal 美国Ansoft公司封装(Package)用寄生电容/寄生阻抗提取工具Turbo Package Analyzer 美国Ansoft公司PCB设计工具ePlanner 美国Viewlogic Systems公司PCB设计Protel DXP ALTIUM公司————————————————————————————————————————★其他的工具★分类产品名制造商AC/DC设计・解析工具MotorExpert 韓国jasontech公司工艺・Simulator（仿真工具）ATHENA 美国Silvaco International公司器件・Simulator（仿真工具）ATLAS 美国Silvaco International公司器件模拟工具工艺模拟工具Medici,Davinci,TSUPREM 美国Avanti公司射频与微波设计ADS 美国Agilent公司信号处理系统级设计工具SPW4.8 美国Cadence Design Systems公司数字信号处理和通信产品的系统级设计工具Matlab/Simulink 美国Mathworks公司————————————————————————————————————————★PLD开发系统★分类产品名制造商可编程逻辑电路开发工具MAXPLUS Ⅱ美国ALTERA公司可编程逻辑电路（含SOPC）开发工具QUARTUS 美国ALTERA公司可编程逻辑电路开发工具ISP expert/ispLEVER v3.0 美国Lattice公司可编程逻辑电路开发工具ISE 6.2i Foundation 美国Xinlinx公司可编程逻辑电路开发工具Actel Designer R1-2003 美国ACTEL公司。
协议调试手册(阿特拉斯空调Altas)深圳安圣电气有限公司版权所有，保留一切权利。
版权所有，侵权必究。
Copyright (C) 1998 by Shenzhen Avansys Co. Ltd..All rights reserved.一、引言1.协议适用的设备名称、型号、监控模块型号、系列号、协议版本号：阿特拉斯（ATLAS）空调，CEMS系列，如CEMS 90、100等。
2.产品描述i.代理商或厂家名称、联系人、电话：（请尽量说明清楚）此空调是澳大利亚生产，无厂商、代理信息。
本协议首先在西安局完成，后应芜湖局、天津局要求增加了温湿度设置功能。
ii.同类设备有哪些型号、监控模块有哪些型号：（此信息请尽量详细说明，最好写明如何区分等。
）此空调目前发现有Australia、CEMS90、CEMS100三种型号，前两者均可在空调外部见到相应的标志，CEMS100型空调外部没有明显标志，但其是用液晶显示，全两者是数码管显示的。
三者使用相同的协议。
二、程序名说明1.动态库名：Altas.DLL2.TSR名：Altas.EXE3.模板库名：（对于电源应区分24V和48V等不同信号。
）阿特拉斯(Atlas)空调.MDB4.供应商测试程序：主文件有两个：055001.EXE、Title.SCN。
三、接口信息1.设备勘察信息：i.设备描述：（包括：监控模块照片、接口板照片、照片说明、接口位置、形状等信息。
）对于CEMS 90系列，打开阿特拉斯空调的位于操作显示屏处的门，可发现一双排共10针的长方形通信接口，见上图，即为阿特拉斯空调的RS－232串口，可购买一计算机中的通用十针插头，将其连接出来。
为了便于说明，现将阿特拉斯空调的十针串口各针编号如下：上排从右向左顺序编排为1－5，其中1、2、5用于RS－232的串行通信，功能定义如下：接口编号功能1Rx2Tx5Gndii.特别说明：（请用文字说明）a.判断有无接口板方法：请直接观察空调。
4.2 使用ATLAS的NMOS器件仿真4.2.1 ATLAS概述ATLAS是一个基于物理规律的二维器件仿真工具，用于模拟特定半导体结构的电学特性，并模拟器件工作时相关的内部物理机理。
ATLAS可以单独使用，也可以在SILVACO’s VIRTUAL WAFER FAB仿真平台中作为核心工具使用。
通过预测工艺参数对电路特性的影响，器件仿真的结果可以与工艺仿真和SPICE 模型提取相符。
1 ATLAS输入与输出大多数ATLAS仿真使用两种输入文件：一个包含ATLAS执行指令的文本文件和一个定义了待仿真结构的结构文件。
ATLAS会产生三种输出文件：运行输出文件(r un-t i m e ou t pu t)记录了仿真的实时运行过程，包括错误信息和警告信息；记录文件(log files)存储了所有通过器件分析得到的端电压和电流；结果文件(s o l u t i on f il e s)存储了器件在某单一偏置点下有关变量解的二维或三维数据。
2 ATLAS命令的顺序在ATLAS中，每个输入文件必须包含按正确顺序排列的五组语句。
这些组的顺序如图4.52所示。
如果不按照此顺序，往往会出现错误信息并使程序终止，造成程序非正常运行。
图4.52 ATLAS命令组以及各组的主要语句3 开始运行ATLAS要在DECKBUILD下开始运行ATLAS，需要在UNIX系统命令提示出现时输入：deckbuild -as&命令行选项-as指示DECKBUILD将ATLAS作为默认仿真工具开始运行。
在短暂延时之后，DECKBUILD将会出现，如图4.53所示。
从DECKBUILD输出窗口可以看出，命令提示已经从A THENA变为了ATLAS。
图4.53 ATLAS的DECKBUILD窗口4 在ATLAS中定义结构在ATLAS中，一个器件结构可以用三种不同的方式进行定义：1.从文件中读入一个已经存在的结构。
这个结构可能是由其他程序创建的，比如ATHENA或DEVEDIT；2.输入结构可以通过DECKBUILD自动表面特性从ATHENA或DEVEDIT转化而来；3.一个结构可以使用ATLAS命令语言进行构建。
学生实验报告院别课程名称器件仿真与工艺综合设计实验班级实验三MOSFET工艺器件仿真姓名实验时间学号指导教师成绩批改时间报告内容一、实验目的和任务1.理解半导体器件仿真的原理，掌握Silvaco TCAD 工具器件结构描述流程及特性仿真流程；2.理解器件结构参数和工艺参数变化对主要电学特性的影响。
二、实验原理1. MOSEET基本工作原理（以增强型NMOSFET为例）：以N沟道MOSEET为例，如图1所示，是MOSFET基木结构图。
在P型半导体衬底上制作两个N+区，其中一个作为源区，另一个作为漏区。
源、漏区之间存在着沟道区，该横向距离就是沟道长度。
在沟道区的表面上作为介质的绝缘栅是由热氧化匸艺生长的二氧化硅层。
在源区、漏区和绝缘栅上的电极是由一层铝淀积，用于引出电极,引出的三个电极分别为源极S、漏极D和栅极G。
并且从MOSEET衬底上引出一个电极B极。
加在四个电极上的电压分别为源极电压Vs、漏极电压V D、栅极电压V G和衬底偏压V B。
图1 MOSFET结构示意图MOSFET在工作时的状态如图2所示。
Vs V D和V B的极性和大小应确保源区与衬底之间的PN结及漏区与衬底之间的PN结处与反偏位置。
可以把源极与衬底连接在一起，并且接地,即Vs=0,电位参考点为源极，则V G、V D可以分别写为（栅源电压）V GS、（漏源电压）V DS。
从MOSFET的漏极流入的电流称为漏极电流ID。
（1）在N沟道MOSFET中，当栅极电压为零时，N+源区和N+漏区被两个背靠背的二极管所隔离。
这时如果在漏极与源极之间加上电压V DS,只会产生PN 结反向电流且电流极其微弱，其余电流均为零。
（2）当栅极电压V GS不为零时，栅极下面会产生一个指向半导体体内的电场。
（3）当V GS增大到等于阈值电压V T的值时，在半导体内的电场作用下，栅极下的P型半导体表面开始发生强反型，因此形成连通N+源区和N+漏区的N型沟道，如图2所示。
实验研究基于Silvaco Atlas的SOI器件性能仿真研究作者/黄玮、杨月霞、林慧敏，江苏信息职业技术学院项目：江苏高校品牌专业建设工程资助项目，项目编号ppzyB190。
摘要：本文主要针对SOI器件结构展开研究，对于SOI MOS器件的结果和特性进行分析，讨论，并利用SILVACO TCAD软件来对SOI的器件结构与性能进行仿真，与研究分析结果进行比对，可以看出SOI器件能够有效改善MOS器件的阈值和亚阈值特性。
关键词：Silvaco Atlas;SOI结构；SOI MOS器件引言集成电路发展迅速，特征尺寸不断减小，目前，大型半 导体制造商三星，台积电等的主流工艺节点是14纳米，16 纳米，但是目前三星已经预告开发7纳米制造工艺，并预 计在未来几年问世。
随着特征尺寸的不断减小，对集电电路 的结构，制造工艺，原材料的要求也越来越高，传统的器件 结构已经无法满足电路性能的要求了。
FinFET,SOI结构 等能有效改善特征尺寸不断缩小过程中所遇到的问题。
其中SOI结构可以有效抑制CMOS电路中常见的闩锁 效应，具有抗辐照性能好，工作速度快，功耗低，成本低等 优点。
为Global Foundries,Samsung等制造商所采用。
采用器件仿真软件Silvaco TCAD,可以有效研究SOI MOS器件的特性。
Silvcao TCAD软件可以进行一维，二维 和三维工艺仿真，还可以进行二维和三维器件仿真。
主要包 括ATHENA工艺仿真工具和ATLAS器件仿真工具。
本论文 中主要使用ATLAS工具对器件结构及特性进行研究。
1. SOI结构SOI(Silicon On Insulator)技术，全称为绝缘体上的 硅。
顶层硅跟衬底之间加入了_层埋氧层。
根据顶层硅膜厚度，将SOI分成了厚膜和薄膜两类。
通过栅下半导体表面的最大耗尽层宽度为标准来进行划分，若硅膜厚度4>2>^，则属于厚膜SOI器件，在正背界 面耗尽区之间存在中性区域，硅膜并没有完全耗尽，所以又 称为部分耗尽SOI器件（PD SOI)。
Silvaco TCAD基CMOS器件仿真毕业设计目录1 引言 (1)1.1 MOSFET的发展 (1)1.2 TCAD的发展 (3)2 MOSFET的基本构造及工作原理 (4)2.1 MOSFET的基本原理及构造 (4)2.2 MOSFET的基本工作原理 (5)2.3 MOSFET的~I V特性 (9)3 TCAD工具的构成、仿真原理、仿真流程及仿真结果 (11)3.1 TCAD工具的结构与仿真原理 (11)3.2 用TCAD工具仿真NMOS的步骤 (11)3.3 TCAD工具的仿真结果 (15)4 结论 (16)谢辞 (17)参考文献 (19)附录 (21)正文：1 引言在当今时代，集成电路发展十分迅猛，其工艺的发杂度不断提高，开发新工艺面临着巨大的挑战。
传统的开发新工艺的方法是工艺试验，而现在随着工艺开发的工序细化，流片周期变长，传统的方法已经不能适应现在的需要，这就需要寻找新的方法来解决这个问题。
幸运的是随着计算机性能和计算机技术的发展，人们结合所学半导体理论与数值模拟技术，以计算机为平台进行工艺与器件性能的仿真。
现如今仿真技术在工艺开发中已经取代了工艺试验的地位。
采用TCAD 仿真方式来完成新工艺新技术的开发，突破了标准工艺的限制，能够模拟寻找最合适的工艺来完成自己产品的设计。
此外，TCAD仿真能够对器件各种性能之间存在的矛盾进行同时优化，能够在最短的时间以最小的代价设计出性能符合要求的半导体器件。
进行新工艺的开发，需要设计很多方面的容，如：进行器件性能与结构的优化、对器件进行模型化、设计进行的工艺流程、提取器件模型的参数、制定设计规则等等。
为了设计出质量高且价格低廉的工艺模块，要有一个整体的设计目标，以它为出发点将工艺开发过程的各个阶段进行联系，本着简单易造的准则，系统地进行设计的优化。
TCAD支持器件设计、器件模型化和工艺设计优化，使得设计思想可以实现全面的验证。
TCAD设计开发模拟是在虚拟环境下进行的，缩短了开发周期，降低了开发成本，是一条高效低成本的进行新工艺研究开发的途径。
有机浮栅存储器的特性仿真有机浮栅存储器，在传统的有机薄膜场效应晶体管的二氧化硅层引入一层多晶硅的浮栅结构用来储存电荷。
通过控制浮置栅上的电荷来控制有机薄膜晶体管(FG一0TFT)器件的阈值电压的大小，而器件不同的阈值电压便可用来存储“0”和“1”两个状态，故这种器件可以被用作非易失性存储器。
通过Silvaco-TCAD 模拟表明该存储器件表现出很好的存储特性。
通过对结构参数的调节，得到对存储窗口的优化。
第一章绪论1.1 引言有机浮栅存储器是属于有机非易失性存储器的一种结构[1]，它是基于传统的浮栅场效应晶体管制作而成。
浮栅场效应晶体管是一种场效应晶体管，它的结构和传统的场效应晶体管不同。
最大的不同点在于，浮栅场效应晶体管有两个栅极，分别为控制栅和浮栅，其中两者之间电绝缘隔离，浮栅(floating-gate)更加靠近有源区。
简单来说如果把传统的无机非易失性存储器的有源区材料换成有机材料，就是有机浮栅存储器。
由于floating-gate(FG)被绝缘层所隔离，因此储存在里面的电荷可以保存很长时间。
F-N隧穿[2]和热电子发射是改变floating-gate中电荷数量的主要机制。
1.2 非易失性存储器的简介1.2.1非易失性存储器的诞生和发展从第一个有机非易失性存储器研制成功到现在已经接近十年，随着对有机材料进一步研究和存储器件理论的完善，有机非易失性存储器件的性能得到提高，但迄今为止仍然不能实用化，研究人员通过从不同方向来提高有机非易失性存储器件的性能，比有源区材料、栅绝缘介质层、氧化层厚度等。
非易失性存储器是一种在断电后可以将信息不丢失的存储器件，这与DRAM和SRAM[3]的工作机制不同，它们属于易失性存储器。
非易失性存储器的种类繁多，包括ROM，PROM，EEPROM，FLASH MEMORY [4]。
其中ROM属于只读存储器，无法编程；PROM属于一次可编程器件，只能进行一次可编程；EEPROM 和FLASH MEMORY结构类似，都可以进行重复擦写，区别在于两者的信息擦除方式不同。
