半导体器件电学性模拟silvacoatlas介绍
Silvaco操作指南
第二篇半导体工艺及器件仿真软件Silvaco操作指南主要介绍了半导体器件及工艺仿真软件Silvaco的基本使用。
书中通过例程引导学习工艺仿真模块Athena和器件仿真模块Atlas，通过这两部分的学习可以使学习人员深入了解半导体物理的基本知识，半导体工艺的流程，以及晶体管原理的基本原理，设计过程，器件的特性。
对于学习集成电路的制备及后道工序有一定的帮助。
第一章 SILVACO软件介绍 (3)1.1程序启动 (3)1.2选择一个应用程序例子 (4)1.3工艺模拟 (6)1.3.1 运行一次模拟 (6)1.3.2 渐进学习模拟 (6)1.3.3 绘制结构 (6)1.3.4 使用Tonyplot进行绘图 (7)1.3.5 修正绘图的外观 (7)1.3.6 缩放及在图上进行平移 (8)1.3.7 打印图形 (9)1.4使用H ISTORY功能 (9)1.5明确存贮状态 (10)1.6创建用于比较的两个结构文件 (10)1.6.1 存贮文件创建 (10)1.6.2 文件交叠 (11)1.7运行MOS工艺程序的第二部分 (13)1.7.1 `Stop At' 功能 (13)1.7.2 使用Tonyplot用于2-D结构 (14)1.7.3 使用Tonyplot来制备一轮廓图 (14)1.7.4 产生交互式图例 (16)1.8工艺参数的抽取 (17)1.8.1 源漏结深 (18)1.8.2 器件阈值电压 (18)1.8.3 电导及偏压曲线 (18)1.8.4 一些薄层电阻 (20)1.8.5 沟道表面掺杂浓度 (20)1.9器件模拟 (21)1.9.1 器件模拟界面工艺 (21)1.9.2 建立器件模拟 (21)1.9.3 执行器件模拟 (22)1.9.4 抽取器件参数 (22)第二章电阻仿真及阻值抽取 (23)第三章扩散二极管仿真 (33)2.1硼扩散 (33)2.2进行MESH的实验 (38)2.3绘制杂质掺杂轮廓曲线 (39)2.4查看抽取结果 (40)第四章 NMOS电学特性仿真 (42)3.1NMOS例子加载 (42)3.2T ONYPLOT操作 (43)3.3查看电学仿真结果 (47)第五章工艺流程的横断面观察 (50)4.1初始化衬底 (50)4.2氧化层屏蔽 (50)4.3NWELL注入 (51)4.4PWELL注入 (51)4.5场氧化层生长 (52)4.6 阱推进52第一章 Silvaco软件介绍本章将介绍下面两个VWF（虚拟wafer制备）交互工具的基本使用：•Deckbuild：VWF运行时控制应用程序。
工艺及器件仿真工具SILVACO分析解析
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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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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）。
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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。
Silvaco器件仿真
参数取
通过仿真结果提取器件参数，为进一步分析 提供数据支持。
可靠性分析
对器件的可靠性进行评估，预测器件在不同 环境下的性能表现。
软件应用领域
集成电路设计
用于集成电路设计中的器件级仿真，验证电路 设计的正确性和性能。
微电子工艺开发
用于微电子工艺开发中的过程控制和优化，提 高工艺水平。
光电器件仿真
用于光电器件仿真，研究光电器件的物理特性和性能表现。
案例二：晶体管仿真
总结词
晶体管是现代电子电路中的核心元件，其仿真分析对于电路设计和优化具有重要意义。
详细描述
在Silvaco仿真软件中，可以对晶体管进行建模和仿真分析，包括电流-电压特性、频率 响应、噪声性能等参数。通过仿真，可以预测晶体管在实际电路中的性能表现，为电路
设计提供优化依据。
案例三：集成电路仿真
需要加强与物理学、化学、生物学等其他学科的合作，以实现多物理 场耦合仿真的突破。
人才培养与交流
加强国内外学术交流与合作，培养具备创新能力和实践经验的器件仿 真人才是未来的重要机遇。
THANKS
感谢观看
另一款功能强大的器件仿真软件，适用于多 种应用领域。
Keysight
除了提供测试测量解决方案外，也提供器件 仿真工具。
ANSYS
一个多物理场仿真软件，可用于器件的热、 电磁、流体等多方面仿真。
02
Silvaco仿真软件介绍
软件特点
高效性
Silvaco仿真软件采用先进的算法和计算技术，能够 快速准确地模拟器件性能，大大缩短了设计周期。
仿真流程
建立模型
根据器件的物理结构和参数，建立数学模型。
设置仿真参数
根据实际需求，设置初始条件、边界条件、输入信号等仿真参数。
Silvaco工艺及器件仿真1
§4 工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD本章将向读者介绍如何使用SILVACO公司的TCAD工具ATHENA来进行工艺仿真以及ATLAS来进行器件仿真。
假定读者已经熟悉了硅器件及电路的制造工艺以及MOSFET和BJT 的基本概念。
4.1 使用ATHENA的NMOS工艺仿真4.1.1 概述本节介绍用ATHENA创建一个典型的MOSFET输入文件所需的基本操作。
包括：a. 创建一个好的仿真网格b. 演示淀积操作c. 演示几何刻蚀操作d. 氧化、扩散、退火以及离子注入e. 结构操作f. 保存和加载结构信息4.1.2 创建一个初始结构1 定义初始直角网格a. 输入UNIX命令：deckbuild-an&，以便在deckbuild交互模式下调用ATHENA。
在短暂的延迟后，deckbuild主窗口将会出现。
如图4.1所示，点击File目录下的Empty Document，清空DECKBUILD文本窗口；图4.1 清空文本窗口b. 在如图4.2所示的文本窗口中键入语句go Athena ；图4.2 以“go athena”开始接下来要明确网格。
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。
c. 为了定义网格，选择Mesh Define菜单项，如图4.3所示。
下面将以在0.6μm×0.8μm 的方形区域内创建非均匀网格为例介绍网格定义的方法。
图4.3 调用ATHENA网格定义菜单2 在0.6μm×0.8μm的方形区域内创建非均匀网格a. 在网格定义菜单中，Direction（方向）栏缺省为X；点击Location（位置）栏并输入值0；点击Spacing（间隔）栏并输入值0.1；b. 在Comment（注释）栏，键入“Non-Uniform Grid(0.6um x 0.8um)”,如图4.4所示；c. 点击insert键，参数将会出现在滚动条菜单中；图4.4 定义网格参数图 4.5 点击Insert键后d. 继续插入X方向的网格线，将第二和第三条X方向的网格线分别设为0.2和0.6，间距均为0.01。
基于Silvaco Atlas的SOI器件性能仿真研究
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操作指南
第二篇半导体工艺及器件仿真软件Silvaco操作指南主要介绍了半导体器件及工艺仿真软件Silvaco的基本使用。
书中通过例程引导学习工艺仿真模块Athena和器件仿真模块Atlas，通过这两部分的学习可以使学习人员深入了解半导体物理的基本知识，半导体工艺的流程，以及晶体管原理的基本原理，设计过程，器件的特性。
对于学习集成电路的制备及后道工序有一定的帮助。
第一章 SILVACO软件介绍 .............. 错误!未定义书签。
程序启动................................... 错误!未定义书签。
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工艺模拟 .................................. 错误!未定义书签。
运行一次模拟............................. 错误!未定义书签。
渐进学习模拟............................. 错误!未定义书签。
绘制结构................................. 错误!未定义书签。
使用Tonyplot进行绘图 ................... 错误!未定义书签。
修正绘图的外观 .......................... 错误!未定义书签。
缩放及在图上进行平移 .................... 错误!未定义书签。
打印图形................................. 错误!未定义书签。
使用H ISTORY功能 ........................... 错误!未定义书签。
明确存贮状态 .............................. 错误!未定义书签。
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SilvacoTCAD器件仿真01
material=silicon region=1 gaussian
x.min=0.1
任何没有逻辑值的参数必须按 PARA=VAL 的形式定义 这里PARA表示参数名称，VAL表示参数值。 包括 ： 特性型，整数型，实数型参数（Character, Integer， Real） 而逻辑型参数必须和其他参数加以区分。
x.mesh loc=0.1 spac=0.05
mesh
• 参数#3 Eliminate 可以在ATLAS生成的mesh基础上消除掉一些网格线，消除方
式为隔一条删一条 • 可用参数有columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high,
x.min,x.max,y.min,y.max
规则3: 参数有4种类型
Parameter
Description
Character Integer Logical
Any character string Any whole number A true or false condition
Real
Any real number
Value Required
#.... N-epi doping 定义初始掺杂浓度 doping n.type conc=5.e16 uniform
#.... Guardring doping 定义p环保护掺杂
doping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gauss doping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss
半导体工艺学silvaco仿真实例——扩散
Indium Implant and Anneal1 go athena23 #TITLE: Indium Anneal45 #the x dimension definition6 line x loc = 0.0 spacing=0.17 line x loc = 0.1 spacing=0.189 #the vertical definition10 line y loc = 0 spacing = 0.0211 line y loc = 2.0 spacing = 0.201213 #initialize the mesh14 init silicon c.phos=1.0e141516 #perform uniform boron implant17 implant indium dose=1e13 energy=70 monte18 structure outfile=andfex12_0.str1920 #perform diffusion21 diffuse time=30 temperature=1000222324 extract name="xj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=12526 #save the structure27 structure outfile=andfex12_1.str2829 tonyplot -overlay andfex12_0.str andfex12_1.str -set andfex12.set3031 quitOxidation Enhanced Diffusion of Boron1 go athena23 # OED of Boron45 #the x dimension definition6 line x loc = 0.0 spacing=0.17 line x loc = 0.1 spacing=0.189 #the vertical definition10 line y loc = 0 spacing = 0.0211 line y loc = 2.0 spacing = 0.2012 line y loc = 25.0 spacing = 2.51314 #initialize the mesh15 init silicon c.boron=1.0e141617 #perform uniform boron implant18 implant boron dose=1e13 energy=701920 #set diffusion model for OED21 method two.dim2223 #perform diffusion24 diffuse time=30 temperature=1000 dryo225 #26 extract name="xj_two.dim" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=12728 #save the structure29 structure outfile=andfex02_0.str3031 # repeat the simulation with default FERMI model32 go athena3334 #TITLE: Simple Boron Anneal3536 #the x dimension definition37 line x loc = 0.0 spacing=0.138 line x loc = 0.1 spacing=0.13940 #the vertical definition41 line y loc = 0 spacing = 0.0242 line y loc = 2.0 spacing = 0.2043 line y loc = 25.0 spacing = 2.54445 #initialize the mesh46 init silicon c.phos=1.0e144748 #perform uniform boron implant49 implant boron dose=1e13 energy=705051 #select diffusion model52 method fermi5354 #perform diffusion55 diffuse time=30 temperature=1000 dryo256 #57 extract name="xj_fermi" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=1585960 #save the structure61 structure outfile=andfex02_1.str6263 # compare diffusion models64 tonyplot -overlay andfex02_0.str andfex02_1.str -set andfex02.set Emitter Push Effect1 go athena23 #TITLE: Emitter push effect example4 #5 line x loc=0.0 spac=0.26 line x loc=2.5 spac=0.87 line x loc=3.0 spac=0.28 #9 line y loc=0.00 spac=0.0410 line y loc=0.3 spac=0.0611 line y loc=2.0 spac=0.812 line y loc=10.0 spac=2.013 #14 init c.phos=1e1515 #16 implant boron dose=1e13 energy=4017 #18 deposit nitride thick=.2 div=419 #20 etch right nitride p1.x=2.521 relax y.min=1.522 #23 implant phosphor dose=1e16 energy=3024 #25 etch nitride all26 #27 method compress full.cpl28 diffuse time=30 temp=100029 #30 structure outfile=andfex07.str31 #32 tonyplot -st andfex07.str -set andfex07.set3334 quitDamage Enhanced Diffusion of ArsenicThis example demonstrates the damage enhanced diffusion effect in a heavy arsenic implant typical of MOS source/drain or bipolar emitter processing.1 go athena23 #the x dimension definition4 line x loc = 0.0 spacing=0.15 line x loc = 0.1 spacing=0.167 #the vertical definition8 line y loc = 0 spacing = 0.0059 line y loc = 2.0 spacing = 0.2010 line y loc = 25.0 spacing = 2.51112 #initialize the mesh13 init silicon c.boron=1.0e171415 #deposit screen oxide16 deposit oxide thickness=0.005 div=21718 #perform arsenic implant with damage19 implant arsenic dose=1.0e15 energy=40 tilt=7 unit.damage dam.factor=0.12021 #set diffusion model for TED22 method full.cpl2324 #perform diffusion25 diffuse time=15/60 temperature=100026 #27 extract name="xj_fullcpl" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=12829 #save the structure30 structure outfile=andfex03_0.str3132 # repeat the simulation with FERMI model3334 #the x dimension definition35 line x loc = 0.0 spacing=0.136 line x loc = 0.1 spacing=0.13738 #the vertical definition39 line y loc = 0 spacing = 0.00540 line y loc = 2.0 spacing = 0.2041 line y loc = 25.0 spacing = 2.54243 #initialize the mesh44 init silicon c.boron=1.0e174546 #deposit screen oxide47 deposit oxide thickness=0.005 div=24849 #perform arsenic implant with damage50 implant arsenic dose=1.0e15 energy=40 tilt=7 unit.damage dam.factor=0.15152 #set default model53 method fermi5455 #perform diffusion56 diffuse time=15/60 temperature=100057 #58 extract name="xj_fermi" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.0 junc.occno=15960 #save the structure61 structure outfile=andfex03_1.str6263 # compare diffusion models64 tonyplot -overlay andfex03_0.str andfex03_1.str -set andfex03.set。
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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
x、y坐标的起始位置、终止位置以及 网格空间间隔。
网格的疏密决定仿真结果的精确程度。
y.mesh loc=-0.01 y.mesh loc=0 y.mesh loc=0.03 y.mesh loc=0.1 y.mesh loc=1
spac=0.002 spac=0.005 spac=0.005 spac=0.005 spac=0.5
器件最终结构
用tonyplot输出仿真结果
t GaN_0.log
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 name=gate contact name=source contact name=drain
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
• 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
在LINUX系统下， 输入deckbuild –as& 进入Atlas操作界面。 Go atlas开始运行。
网格的定义
网格的定义
x.mesh loc=0 x.mesh loc=1 x.mesh loc=2 x.mesh loc=3 x.mesh loc=4 x.mesh loc=5 x.mesh loc=6 x.mesh loc=7
spac=0.5 spac=0.01 spac=0.2 spac=0.01 spac=0.01 spac=0.2 spac=0.01 spac=0.5
workfunc=4.31 workfunc=4.31 surf.rec workfunc=4.31 surf.rec
器件输出特性（I-V曲线）的仿真
solve init solve previous save outfile=GaN.str log outfile=GaN_0. log solve vdrain=0.2 vstep=0.2 vfinal=5 name=drain previous log off
Atlas简介
ATLAS器件仿真系统使得器件技术工程师可以模拟半导体器件的电气、光学和 热力的行为。ATLAS提供一个基于物理，使用简便的模块化的可扩展平台，用以分 析所有2D和3D模式下半导体技术的的直流，交流和时域响应。ATLAS器件仿真系统： ◆无需昂贵的分批作业试验，即可精确地特性表征基于物理的器件的电气、光学 和热力性能； ◆解决成品率和工艺制作过程变异的问题，使其达到速度、功率、密度、击穿、 泄漏电流、发光度和可靠性的最佳结合； ◆完全与ATHENA工艺仿真软件整合，具有完善的可视化软件包，大量的实例数据 库和简单的器件输入； ◆最多选择的硅模型，III-V、II-VI、IV-IV或聚合/有机科技，包括CMOS、双极、高 压功率器件、VCSEL、TFT、光电子、激光、LED、CCD、传感器、熔丝、NVM、铁 电材料、SOI、Fin-FET、HEMT和HBT； ◆分支机构遍布世界各地，有专门的物理学博士提供TCAD支持； ◆与专精稳定和有远见的行业领导者合作，在新技术强化上有活跃的发展计划； ◆直接把ATLAS结果输入到UTMOST进行SPICE参数提取，将TCAD技术应用到整个流 片(Tapeout)过程。
Silvaco TCAD ----Atlas
2011.01.11
目录
• Silvaco TCAD--Atlas简介 • Atlas器件仿真步骤 • 实例操作演示
Silvaco TCAD—Atlas简介
• Silvaco TCAD软件用来模拟半导体器件电学性能，进 行半导体工艺流程仿真，还可以与其它EDA工具组合起 来使用(比如spice)，进行系统级电学模拟(Sentaurus和 ISE也具备这些功能)。 • SivacoTCAD为图形用户界面，直接从界面选择输入 程序语句，非常易于操作，其例子教程直接调用装载 并运行，是例子库最丰富的TCAD软件之一，你做的任 何设计基本都能找到相似的例子程序供调用。 • Silvaco TCAD平台包括工艺仿真(ATHENA)，器件仿真 (ATLAS)和快速器件仿真系统(Mercury)，尤其适合喜欢 在全图形界面操作软件的用户。
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
定义各个区域材料，并用polarization calc.strain等申明极 化效应，并对极化效应大小及极化电荷密度进行计算。
电极、掺杂、材料特性和物理模型等的定义
定义电极
electrode name=source x.min=0 electrode name=gate x.min=3 electrode name=drain x.min=6