第3章 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD
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第3章 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD
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④ 对于Dimensionality一栏，选择2D。在二维情况下进行 仿真；
⑤ 对于Comment栏，输入“Initial Silicon Structure with <100> Orientation”，如下图所示；
⑥ 点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。
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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）。
接下来，我们通过干氧氧化在硅表面生成栅极氧化 层，条件是1个大气压，950°C，3%HCL, 11分钟。为 了完成这个任务，可以在ATHENA的Commands菜单 中依次选择Process和Diffuse …，ATHENA Diffuse菜 单将会出现。
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栅极氧化
③ 对于Concentration栏，通过滚动条或直接输入，选择理想浓度值为
1.0 ， 而 在 Exp 栏 中 选 择 指 数 的 值 为 14 。 这 就 确 定 了 背 景 浓 度 为
1.0×1014原子数/cm3（也可以通过以Ohm·cm为单位的电阻系数来确
定背景浓度）。
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9SilvacoTCAD器件仿真模块及器件仿真流程
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。
SilvacoTCAD器件仿真优秀课件
Silvaco TCAD 器件仿真（三）
Tang shaohua, SCU
*
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
*
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
*
Tang shaohua, SCU
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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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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
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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
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单位 cm2/Vs cm2/Vs
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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
*
Silvaco_TCAD_工艺仿真1解读
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ATHENA工艺仿真软件
通过MaskViews 的掩模构造说明，工程师可 以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件 结构上的掩模版图变动的影响。
与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀
仿真器集成，可以在物理生产流程中进行 实际的分析。
与ATLAS 器件模拟软件无缝集成
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可仿真的工艺 （Features and Capabilities）
Bake CMP Deposition Development Diffusion Epitaxy
• Etch • Exposure • Imaging • Implantation • Oxidation • Silicidation
采用默认参数，二维初始化仿真： Init two.d
工艺仿真从结构test.str中开始： Init infile=test.str
GaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向[100]： Init gaas c.selenium=1e15 orientation=100
硅衬底，磷掺杂，电阻率为10Ω.cm Init phosphor resistivity=10
定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivity …
初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
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初始化的几个例子
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工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作 6、Tonyplot显示
Cadence 实验系列_器件模拟_Silvaco TCAD
定义材料特性
material ni.min=1e-10 taun0=1e-9 taup0=1e-9 mobility fmct.n GaNsat.n
选定物理模型
models
srh fermi print
定义接触类型
contact contact contact
name=gate name=source name=drain
x.min=0 x.min=3 x.min=6
x.max=1 y.min=-0.005 y.max=0 x.max=4 y.min=-0.005 y.max=0 x.max=7 y.min=-0.005 y.max=0
定义掺杂
doping n.type concentration=5e16 uniform y.min=0 y.max=0.03 doping n.type concentration=1e13 uniform y.min=0.03 y.max=1
用Atlas语法直接进行器件描述，然后进行器件性能仿真。
Atlas器件仿真步骤 器件仿真步骤
• 启动Atlas软件 • 网格的定义 • 材料区域的定义 • 电极、掺杂、材料特性和模型特性等的定义 • 器件输出特性（I-V曲线）的仿真 • 用tonyplot输出仿真结果
启动Atlas软件 软件 启动
材料区域的定义
材料区域的定义
region number=1 material=oxide y.max=0 region number=2 material=AlGaN y.min=0 y.max=0.03 polarization calc.strain region number=3 material=GaN y.min=0.03 position=0.3 polarization substrate
第三讲 Silvaco TCAD 器件仿真 PPT
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
材料特性
材料的参数有工艺参数和器件参数 材料参数是和物理模型相关联的 软件自带有默认的模型和参数 可通过实验或查找文献来自己定义参数
物理模型
物理量是按照相应的物理模型方程求得的 物理模型的选择要视实际情况而定 所以仿真不只是纯粹数学上的计算
工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如 阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮 助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或 者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重 点给出网格，不重要区域少给网格。
二、半导体器件仿真软件使用
本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。 具体包括：
1.语句的语法规则 2.语句名称 3.语句所用到的参数列表， 包括类型，默认值及参数的描述 4.正确使用语句的实例
学习重点（1） 语法规则 （2）用ATLAS程序语言编写器件结构
1. 语法规则
规则1： 语句和参数是不区分大小写的。 A=a 可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc
计算方法
在求解方程时所用的计算方法 计算方法包括计算步长、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
特性获取和分析
不同器件所关注的特性不一样，需要对 相应器件有所了解
不同特性的获取方式跟实际测试对照来 理解
从结构或数据文件看仿真结果
了解一下ATLAS
ATLAS仿真框架及模块 仿真输入和输出 Mesh 物理模型 数值计算
例： 命令语句 DOP 等同于 doping， 可以作为其命令简写。 但建议不要过度简单，以免程序含糊不清，不利于将来调用时阅读。
第三讲 Silvaco TCAD 器件仿真01
材料特性
?材料的参数有工艺参数和器件参数 ?材料参数是和物理模型相关联的 ?软件自带有默认的模型和参数 ?可通过实验或查找文献来自己定义参数
物理模型
? 物理量是按照相应的物理模型方程求得的 ? 物理模型的选择要视实际情况而定 ? 所以仿真不只是纯粹数学上的计算
计算方法
?在求解方程时所用的计算方法
mesh
? 语句#2 mesh 语句功能 ：
mesh定义网格信息。类似于 athena仿真器中的 Line. 语法规则 ：<n>.MESHLOCATION=<n> [SPACING=<n>] 语句解析：
此语句定义了网格线的位置和间隔。状态有 mesh，x.mesh，y.mesh，eliminate 等 参数解析：
#.... N+ doping doping n.type conc=1e20 x.min=0 x.max=12 y.top=2 y.bottom=5 uniform
save outf=diode.str tonyplot diode.str -set diode.set
#物理模型定义 model conmob fldmob srh auger bgn
实例语句
2. 通过实例学语句
实例简介： 此实例演示了肖特基二极管正向特性。大致分为三个部分 （1）用atlas 句法来形成一个二极管结构 （2）为阳极设置肖特基势垒高度 （3）对阳极正向偏压
#调用atlas器件仿真器 go atlas #网格初始化 mesh space.mult=1.0
#x方向网格定义 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=3.00 spac=0.2 x.mesh loc=5.00 spac=0.25 x.mesh loc=7.00 spac=0.25 x.mesh loc=9.00 spac=0.2 x.mesh loc=12.00 spac=0.5
SilvacoTCAD器件仿真
Solve vgate=0.05 vstep=0.05 vfinal=1.0 name=gate
Solve ibase=1e-6
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特性获取
I-V 特性：
solve vdrain=0.1 solve vdrain=0.2
… solve vdrain=2.0
转移特性：
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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
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
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特性获取
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电流控制性器件的输出特性：
solve init solve vbase=0.05 vstep=0.05 vfinal=0.8 name=base contact name=base current
#
solve ibase=2.e - 6 save outf=bjt_ib_1.str master solve ibase=4.e - 6 save outf=bjt_ib_2.str master
报错信息：
“trap times more than 4 times” 指计算不收敛。
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特性获取
加偏执是用solve状态 先需要设置数据保存在日志文件，之后才
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将Maximum Error在criteria一栏中的值从5改为1； 接下来，我们通过Mode键将Setup模式改为Parameter 模式,并定义最优化参数。
− 需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和气压。为了对其进行最 优化，在Deckbuild窗口中选中栅极氧化这一步骤，如下图所示。
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定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结 构建立了一个直角网格系基础。接下来就是衬底区的初始化。 对仿真结构进行初始化的步骤如下：
① 在 ATHENA Commands 菜 单 中 选 择 Mesh Initialize… 选 项 。 ATHENA网格初始化菜单将会弹出。在缺省状态下，硅材料为 <100> 晶向； 点击Boron杂质板上的Boron键，这样硼就成为了背景杂质；
第3章
工艺及器件仿真工具 SILVACO-TCAD
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SILVACO简介
SILVACO-TCAD是由SILVACO公司研发的 计算机辅助设计仿真软件，用于半导体器件和集 成电路的研究和开发、测试和生产中。这套完整 的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的 IC 设计提供强大的动力：工艺仿真（ATHENA）和 器件仿真（ATLAS）；SPICE 模型的生成和开 发；互连寄生参数的极其精确的描述；基于物理 的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，为工程师在完整的设计中任何 阶段中所做更改而导致的性能、可靠性等效果， 提供直接的反馈。
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④
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，如下左图所示，列出了所有可能作为参数的项；
⑤ 检查temp=<variable>和press=<variable>这两项。 然后，点击Apply。添加的最优化参数将如下右图所示 被列出 ；
① 选中文件“.history01.str” （目前仅有尺寸和材料方面 的信息），点击Tools菜单项，并依次选择Plot和Plot
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Structure…，如图所示，将会出现TONYPLOT（绘图工 具软件）。在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…；
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• 在0.6μm×0.8μm的方形区域内创建非均匀网格 − 在网格定义菜单中，Direction栏缺省为X方向；点击 Location栏，输入值0，表示要插入的网格线定义点在位臵0； 点击Spacing栏，输入值0.1，表示相邻网格线定义点间的网格 线间距为0.1。当两个定义点所设定的网格线间距不同时，系统 会自动将网格间距从较小值渐变到较大值。 − 在Comment栏，键入注释行内容“Non-Uniform Grid （0.6um x 0.8um)”，如图所示；
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运行ATHENA并且绘图
现在，运行ATHENA以获得初始结构。点击Deckbuild
控制栏里的run键，输出将会出现在仿真器子窗口中。语句 Struct outfile=.history01.str是Deckbuild通过历史记录功 能自动产生的，便于调试新文件等。
使初始结构可视化的步骤如下：
接下来，我们通过干氧氧化在硅表面生成栅极氧化
层，条件是1个大气压，950°C，3%HCL, 11分钟。为 了完成这个任务，可以在ATHENA的Commands菜单
中依次选择Process和Diffuse …，ATHENA Diffuse菜
单将会出现。
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栅极氧化
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① 依次点击Main control 和Optimizer…选项； 调用出如图中所示的最 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。 我们只要改变最大误差 参数以便能精确地调整 栅极氧化厚度为100Å；
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② ③
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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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提取栅极氧化层的厚度
下面通过Deckbuild中的Extract程序来确定氧化处理过 程中生成的氧化层厚度。 ① 在Commands菜单中点击Extract…，出现ATHENA
Extract菜单；Extract栏默认为Material thickness；在 Name一栏输入“Gateoxide”；对于Material一栏，点击 Material…，并选择SiO~2；在Extract location这一栏， 点击X，并输入值0.3，表示提取X=0.3处的氧化层厚度。
② 点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中。在 这个Extract语句中，mat.occno（=1）为说明层数的
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参数。由于这里只有一个二氧化硅层，所以这个参数 是可选的。然而当存在有多个二氧化硅层时，则必须 指定出所定义的层。 ③ 点击Deckbuild控制栏上的Cont键，继续进行ATHENA 仿真。Extract语句运行时的输出如图所示；从运行输 出可以看到，我们测量的栅极氧化层厚度为131.347Å。
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⑥ ⑦
接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模 式,并定义优化的目标； Optimizer利用Deckbuild中Extract语句的值来定义最优
化的目标。因此，返回Deckbuild的文本窗口并选中 Extract栅极氧化厚度语句，如图所示；
②
③
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④
⑤
对于Dimensionality一栏，选择2D。在二维情况下进行 仿真； 对于Comment栏，输入“Initial Silicon Structure with <100> Orientation”，如下图所示；
⑥
点击WRITE键以写入网格初始化的有关信息。
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− 在网格定义窗口中点击insert键，并继续插入第二、第三和 第四个Y方向的网格定义点，位臵分别设为0.2、0.5和0.8， 网格间距分别设 0.01，0.05和0.15，如图所示。
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– 为了预览所定义的网格，在网格定义菜单中选择View键， 则会显示View Grid窗口。 – 最后，点击菜单上的WRITE键从而在文本窗口中写入网 格定义信息。
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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。
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− 在如图所示的文本窗口中键入语句go Athena ；
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。
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− 为了定义网格，选择Mesh Define菜单项，如下图所示。 下面将以在0.6μm×0.8μm的区域内创建非均匀网格为例 介绍网格定义的方法。
对于 Concentration 栏，通过滚动条或直接输入，选择理想浓度值为 1.0 ， 而 在 Exp 栏 中 选 择 指 数 的 值 为 14 。 这 就 确 定 了 背 景 浓 度 为 1.0×1014原子数/cm3（也可以通过以Ohm· cm为单位的电阻系数来确 定背景浓度）。
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⑨ 为了观察优化过程，我们可以将Targets模式改为Graphics 模式，如下左图所示； ⑩ 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。最优 化的结果为，温度925.727°C，偏压0.982979，以及抽样氧化 厚度100.209 Å，如右图所示；
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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，应照如下方法使用Deckbuild最优化函数 ：
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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。