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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。
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。
1 引言近几年，由于中美两国技术对抗和贸易摩擦，国内对微电子技术发展及人才需求都与日俱增，微电子、物理电子、集成电路等相关专业的本科、研究生毕业生都供不应求。
当下，从半导体材料制备生长到半导体器件加工各个环节都急需优秀人才。
作为微电子等专业的核心专业课程，《半导体物理与器件》相关课程主要介绍半导体器件的特性、工作原理及其局限性的基础知识。
要想更好地理解这些基础知识，就必须对半导体材料物理知识进行全面了解，同时半导体相关课程又以量子力学、固体物理、半导体材料物理以及半导体器件物理等知识相互支撑、交错在一起的。
不难看出，《半导体物理与器件》相关课程虽然具有相当的学习难度，但是其在过去以及未来全球信息产业中的重要性处于无法取代的地位[1]。
半导体相关仿真主要包括工艺仿真、器件仿真和电路仿真：工艺仿真包括离子注入、刻蚀、光刻等工艺的模拟，推动设计新工艺流程，改进旧工艺流程；器件仿真可以实现特性仿真、性能参数的提取，可用于设计新型器件，改良传统器件结构；电路仿真可以对电路的时序、工作性能等进行仿真，用于验证电路设计[2]。
2 Silvaco TCAD软件介绍Silvaco TCAD计算机辅助设计仿真软件现在已在半导体工业界处于领导地位，其软件包被遍布全球的半导体厂家用于半导体器件和集成电路的研究开发和测试生产中。
Silvaco还是Spice参数提取软件和模拟电路仿真软件SmartSpice的主要提供商。
Silvaco与国际上先进的高科技厂商合作，为半导体市场提供最新的技术和工艺。
此外，Silvaco公司还积极与全球各个大学达成多个合作计划，其大学计划的目的在于使教育和研究机构通过简便的渠道，使用Silvaco提供的TCAD、ICCAD和模拟/混合信号仿真软件，为大学提供全套EDA和TCAD软件，用于半导体相关课程研究和教学。
Silvaco TCAD软件是由Silvaco公司出品的一款辅助设计工具，它主要包含了工艺仿真模块Athena和器件仿真模块Atlas。
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。
