浅谈SILVACO TCAD在VDMOS功率器件设计中的应用
额定1.2kV碳化硅功率VDMOS的两种抗单粒子效应的加固模拟仿真
额定1.2kV碳化硅功率VDMOS的两种抗单粒子效应的加固模拟仿真摘要：为了得到具有抗单粒子效应的VDMOSFET，首先本文针对单粒子效应中的单粒子烧毁效应(SEB)和单粒子栅穿效应（SEGR）进行模拟仿真。
通过半导体工艺软件Silvaco TCAD对结构改进，得到了在两种不同的单粒子效应下，分别采用增加缓冲层和加固栅氧化层厚度的方式进而加固器件。
关键词：VDMOSFET；单粒子效应（SEE）；加固；碳化硅1 引言随着国内外航天技术的迅速发展，越来越多的国家开始关注卫星寿命，目前电子器件的稳定性和可靠性可能会直接影响到在轨卫星的性能和工作寿命。
在2012年以Zerarka为主的团队以数值仿真的方式对超结VDMOSFET的SEB效应进行细致研究，但目前对于碳化硅VDMOSFET的SEB缺少相关报道[1]。
碳化硅材料有着禁带宽度大的特点，这使得碳化硅半导体材料可以在高温或者高辐射的环境下正常工作[2]。
同时相比于硅材料，碳化硅半导体器件拥有更高的临界击穿电场，是硅半导体临界击穿电场的十倍以上，临界击穿电场关系着半导体器件的耐压能力[3]。
并且碳化硅具有良好的热导率和散热效率，使得功率器件工作时能量可以迅速以热能散去，防止器件由于温度过高而失效，从而使器件可以更好的在高温条件下工作。
VDMOS状态下，其中高能重离子入射进入半导体器件后会在其入射轨道上产生很高的能量，并在其中产生大量具有极高密度的电子空穴对，当电子空穴对在高能粒子入射轨道上发生聚集、积累后将会改变整个器件的工作状态，导致器件失效[4]。
通过在VDMOSFET的漂移区和高掺杂的衬底之间增加一个缓冲层，或增加槽栅底部的栅氧化层厚度即可以对重离子进入半导体器件起到减缓作用。
当高能粒子入射器件时，器件处于关断状态即漏压较大栅压为0[5]。
大量的电子空穴对汇聚在高能粒子的运动轨迹上，如图1所示：当沟道p型掺杂区有着高能粒子入射后此时会有大量的电子空穴对在pp+区产生，图1粒子入射示意图在双重作用下，产生瞬发电流，当pp+区的横向电压达到0.7V时，使寄生BJT的发射结处于导通正偏置状态[6]。
Silvaco TCAD仿真软件在《半导体物理与器件》科研导向型教学中的应用
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。
利用SILVACO TCAD软件改进集成电路实践教学的研究的研究报告
利用SILVACO TCAD软件改进集成电路实践教学的研究的研究报告随着科技的迅速发展和集成电路的应用日益广泛，对于集成电路的实践教学的要求也越来越高。
为了提高学生的实践能力和培养工程实践能力，本研究借助SILVACO TCAD软件，以集成电路中的MOSFET为研究对象，从理论分析、电路设计、模拟分析等方面，对集成电路实践教学进行全面改进。
一、SILVACO TCAD软件介绍SILVACO TCAD软件是一种基于EDA（Electronic Design Automation电子设计自动化）平台的半导体器件和工艺仿真软件，它可以帮助用户设计、优化和验证集成电路和半导体器件。
该软件采用有限元方法和有限差分方法等先进的数值计算技术，可以高效地模拟半导体器件和工艺过程。
二、集成电路实践教学的改进1. 理论分析在课堂上，结合SILVACO TCAD软件的使用，对于MOSFET 的结构、原理、参数等进行深入浅出的讲解，并引导学生通过软件进行参数调整和仿真实验，加深对于理论知识的理解和掌握。
2. 电路设计通过SILVACO TCAD软件，学生可以进行MOSFET元器件的参数设计和搭建，可以根据需要进行电路的调整和优化。
通过电路搭建和仿真实验，学生可以深入了解电路工作过程和特性，同时掌握电路实际应用的技能和方法。
3. 模拟分析在模拟分析方面，SILVACO TCAD软件可以对于MOSFET的电流、电压、功率等参数进行仿真分析，能够直观地呈现出各项参数的变化趋势。
通过对于仿真结果的分析和比对，学生可以更深入地了解MOSFET的性能、特性和应用，并能够准确地评估电路的性能和稳定性。
三、实践效果分析通过实践教学的改进，SILVACO TCAD软件的应用可以有效地提高学生的实践能力和工程实践能力。
SILVACO TCAD软件的使用可以让学生更深入地了解基本器件的结构和原理，掌握电路参数的设计和调整方法，同时也能够更好地了解工程实际应用的技能和方法。
SilvacoTCAD器件仿真优秀课件
Tang shaohua, SCU
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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
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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
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Silvaco仿真在光电子技术实验教学中的应用
Silvaco仿真在光电子技术实验教学中的应用作者：况亚伟杨希峰涂国辉徐竞王书昶张惠国来源：《教育教学论坛》2020年第18期[摘要] 光电子技术实验是光电信息科学与工程专业专业方向的一门集中实践课程。
该专业在工程认证背景下，为了实现课程对指标点有力的支撑，将Silvaco仿真平台引入实验课程建设，设计并实践了一系列验证性、设计性以及综合性等类型的实验，并与传统实践项目结合，在提升学生动手实践能力的同时，增强学生对光电子器件理论知识的理解，提升学习主动性。
[关键词] 光电子技術实验;器件仿真;实验平台一、引言光电子技术实验是光电信息科学与工程专业专业方向的一门集中实践课程。
光电子技术实验是集光电技术、信息处理技术于一体的一门综合实验，是培养光信息科学与技术人才和光电子人才必不可少的课程，涵盖光电子技术、光电检测技术、信息光学、光电传感技术原理与应用等专业基础课的实验内容。
其目的和任务是使学生掌握光电信息技术中重要光源与探测器件、光纤通信器件的基本特性和特征参数及应用技术，熟悉现代光电信息处理的基本方法，学习光电信息系统的软硬件设计，培养学生正确应用光电器件、设备，建立合适的光电系统，以解决实际问题的能力。
光电子器件作为实验的载体，其设计的理论知识量大，与前后课程的关联紧密。
尤其在工程认证背景下基于OBE理念的课程设置方案，该课程在毕业要求能力矩阵中的设计/开发解决方案进行强支撑，具体描述为能够通过建模，进行元器件参数、电路功能和性能等仿真和计算，设计满足特定需求的硬件电路和软件设计，并在设计环节中体现创新意识。
为此，课题组对光电子技术实验进行了改革与创新，在传统实验项目的基础上，将Silvaco仿真平台引入实验课程教学，利用该平台在对复杂抽象物理概念进行建模的基础上，可以提取器件参数，有助于学生对于概念和器件工作机制的理解，更好的完成对能力矩阵的支撑。
二、仿真平台结构Silvaco研发的技术计算机辅助设计TCAD仿真软件是行业中的佼佼者。
工艺及器件仿真工具SILVACO分析解析
2018/10/20
浙大微电子
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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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浙大微电子
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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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浙大微电子
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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。
基于SILVACO_TCAD氧化仿真程序设计方法研究
实际氧化时间（分）厚度（埃）１．引言现在很多的半导体工艺及器件的开发是由计算机仿真程序来完成的。
这样的程序被称为ＴＣＡＤ。
使用ＴＣＡＤ可以有效的缩短研发成本和研发周期［１］。
此类ＴＣＡＤ软件种类较多，其中美国的Ｓｉｌｖａｃｏ所设计的ＴＣＡＤ软件是最具代表性的工艺及器件仿真软件。
Ｓｉｌｖａｃｏ提供了ＴＣＡＤＤｒｉｖｅｎＣＡＤＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，这一套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的ＩＣ设计方法提供强大的动力：制程模拟和器件工艺；ＳＰＩＣＥＭｏｄｅｌ的生成和开发；ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｐａｒａｓｉｔｉｃｓ的极其精确的描述；ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ－ｂａｓｅｄ可靠性建模以及传统的ＣＡＤ。
所有这些功能整合在统一的框架，提供了工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改导致的性能、可靠性等效果直接的反馈［２，３］。
虽然使用ＴＣＡＤ可以有效的进行各个独立工艺步骤的研究和开发。
但是，对于每个不同条件的工艺步骤，所适用的理论模型都是有所不同的，正确的使用ＴＣＡＤ软件进行工艺和器件的研究就必须要选择正确的理论模型。
本文对基于ＳＩＬＶＡＣＯ－ＴＣＡＤ的氧化程序的设计进行了研究，氧化工艺是硅工艺中非常重要的一个环节，所形成的氧化薄膜的用途较多，如保护和钝化半导体表面、作为杂质选择扩散的掩蔽层、用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘、用作ＭＯＳ电容和ＭＯＳ器件栅极的介质层在集成电路介质隔离中起电气绝缘作用，在固－固扩散中用作携带杂质源的载体。
针对氧化工艺的不同应用，需要在程序设计的时候，选择不同的氧化模型和衬底网格的划分方式。
本文中对ＳＩＬＶＡＣＯ中的两个不同的氧化模型ＣＯＭＰＲＥＳＳ和ＶＩＳＣＯＵＳ分别进行了仿真程序设计，并将仿真结果与实验结果进行了比较，总结了仿真程序中模型应用的方法。
２．ＳＩＬＶＡＣＯ氧化程序模型特点在ＳＩＬＶＡＣＯ中与氧化相关的命令有：ＯＸＩＤＥ，ＤＩＦＦＵＳＥ，ＭＥＴＨＯＤ，ＭＡＴＩＥＲＡＬ及ＳＴＲＥＳＳ等语句。
200V大功率VDMOSFET设计研究的开题报告
200V大功率VDMOSFET设计研究的开题报告
一、研究背景
由于近年来电子设备的普及和高科技产品的需求日益增长，对功率器件的性能和可靠性要求也越来越高。
而VDMOSFET作为功率MOSFET的一种，由于具有低导通电阻、噪声低、热稳定性好、容易控制开关等优点，被广泛应用于电源、马达控制、照明等领域。
在应用场合中，常常需要使用高压高功率的VDMOSFET，为了满足这一需求，需要进行高压大功率VDMOSFET的研究和设计。
二、研究目的
本研究的目的是设计一款200V大功率VDMOSFET，旨在提高器件的性能和可靠性，以适应更加复杂的电子设备应用场合。
三、研究内容
1. VDMOSFET原理分析
通过分析MOSFET原理以及VDMOSFET的结构特点，深入掌握VDMOSFET的工作原理和特性，为后续的研究和设计提供坚实的理论基础。
2. 器件设计和模拟
根据VDMOSFET的性能要求，采用Silvaco TCAD tools软件进行器件模拟，包括DC、AC和Transient模拟，并对其进行优化以提高器件的性能。
3. 器件制作和测试
在通过器件模拟得到最优设计方案的基础上，进行器件的实际制作和测试，并对测试结果进行分析和优化，以最终得到满足要求的200V大功率VDMOSFET。
四、研究意义
本研究将从理论和实践两方面探究200V大功率VDMOSFET的性能和可靠性，为该领域的发展提供参考和支持。
此外，本研究还可为更多相关领域的研究提供借鉴和启示。
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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。
为保证设计的VDMOS击穿电压能达到要求，我们设计时采用55μm厚度的外延层，掺杂浓度为2*1014cm-3。
栅氧厚度设计为750Å，采用干氧氧化，掺杂HCl。
初始设计氧化温度1050℃，时间为55分钟，经过仿真提取栅氧厚度约为740Å。
这时可以采用优化方案，将750Å作为目标值，可以调节氧化时间、氧化温度或者氧化剂压力来达到预期效果。
离子注入时必须选择合适的注入杂质、注入的杂质浓度、注入能量以及注入角度。
本实验中沟道注入采用的杂质是硼，掺杂浓度为5*1013cm-3，注入能量为80keV，注入角度为0°。
SILVACO软件进行仿真时，可随时输出文件保存，系统会生成临时文件。
选中文件，输入TONYPLOT命令显示，这样了解每一步工艺的结构。
选择某个区域或者位置可显示杂质浓度的分布情况，如图2、3、4、5。
3 基于SILVACO的VDMOS器件仿真
设计的结构是否符合要求，还需要通过器件参数的仿真进行验证。
如果仿真结果达不到预期的效果，就需要重新设计工艺流程、工艺参数或者调整器件仿真参数。
本次实验的主要仿真参数是VDMOS的阈值电压和输出特性曲线，如图7、8。
由图7可以看出，我们设计的VDMOS单个元胞的阈值电压大约2.8V，电流值非常小，这是因为VDMOS器件是由若干个元胞并联构成的，少则几百，多则几万个。
若干个元胞一起形成较大的输出电流。
而图8则是一个不太准确的输出伏安特性曲线，显示出来的只有非饱和区部分，如果要将全部区域显示出来，则需要调整仿真的参数或者工艺结构。
4 注意事项
在VDMOS工艺和器件参数的仿真过程我们遇到了很多问题，需要注意。
例如：
（1）工艺结构仿真之前，必须先研究每道工序的工艺参数，并了解这些工艺参数与器件性能之间的关系，工艺参数尽可能详细，对预期结果有做到心中有数，否则仿真结果容易出现偏差，再来修改就比较麻烦。
（2）仿真过程注意光标所在的位置，工艺次序不能出现错乱。
有时候不经意，鼠标点错位置，工艺顺序错误，运行出现故障。
（3）器件参数仿真时，需要确定X方向和Y方向的参数及其范围。
例如VDMOS的转移特性曲线是VGS-ID之间的关系，输出特性曲线是VDS-ID之间的关系；前者需要确定VDS的数值，后者需要选择不同的VGS数值，最后叠加出现曲线，反应出电压控制器件的特性。
VDS或者VGS数值选择不合适，会直接影响到最后曲线的正确与否。
（4）器件仿真时注意选择合适的数值计算模型。
例如普通的MOS器件，一般选择CVT 和SRH模型，前者是Lombardia的反型层模型，后者是一个复合模型。
数值计算时也要选择
合适的迭代方法，MOS器件一般选择Newton和Gummel迭代法。
前者将每一次迭代将非线性的问题线性化处理，后者则每一步都迭代都需要解一系列的子问题，收敛比较慢。
（5）仿真过程中重要文件要在命令中输出并保存，方便回来查错，重要的图片也要技术保存。
5 结束语
本次实验主要是利用SILVACO TCAD软件对VDMOS 功率器件进行工艺设计仿真。
通过仿真，不仅学会了软件的使用，掌握了仿真技巧，更学会利用SILVACO TCAD软件对半导体器件进行设计仿真，也对半导体的工艺参数和性能参数有了更深的理解。
参考文献
[1]崔丰.基于SILVACO-TCAD的热氧化工艺实验教学探讨[J].科技视界，2013（36）：268.
[2]朱筠.利用SILVACO TCAD软件改进集成电路实践教学的研究[J].数字技术与应用，2012（07）：115.
[3]唐龙谷.半导体工艺与器件仿真软件Silvaco TCAD实用教程[M].北京：清华大学出版社，2014（7：）128.。