Silvaco工艺及器件仿真2
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。
Silvaco TCAD 工艺仿真2
快速热退火（RTA）： Diffuse time=1 temp=1000 nitro press=1.5
高级的扩散模型：
Method pls
Diffuse time=1 hour temp=950 nitro c.phos=1e20 \
tsave=1 tsave.mult=10 dump.predep=predep
Method pls Diffuse time=1 hour temp=950 nitro \
c.phos=1e20 tsave=1 tsave.mult=10 \ dump.prefix=predep
tonyplot predep*.str tonyplot -overlay predep*.str
淀积，网格控制：
Rate.depo machine=MOCVD cvd dep.rate=0.1 u.m \
step.cov=0.75 tungsten
Deposit machine=MOCVD time=1 minute
20:55
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淀积的例子（网格）
go athena
Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.02 Line y loc=2.0 spac=0.20
Diffuse time=30 temp=1200 weto2
变温扩散：
Diffuse time=2 temp=800 t.final=1200 nitro press=2 Diffuse time=20 temp=1200 nitro press=2 Diffuse time=2 temp=1200 t.final=800 nitro press=2
Silvaco-TCAD-器件仿真2教程文件
Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7
*
Eliminate 前
5
Eliminate 后
区域ID(region=<n>)、材料(material=<c>)、区域坐 标(points=“0,0 0,1 …”)
例句
Region reg=1 mat=silicon color=0xffb2 pattern=0x9 \ points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
Region reg=3 name=anode material=contact elec.id=1 \ work.func=0 points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
doping region=1 gauss conc=1e18 peak=0.2 junct=0.15
从文件导入杂质分布
doping x.min=0.0 x.max=1.0 y.min=0.0 y.max=1.0 n.type ascii \ infile=concdata
*
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Silvaco学习
ATLAS描述的二极管结构
region number=2 x.min=0.0 x.max=0.1 y.min=1.0 \ y.max=2.0 material=silicon
electrode name=anode top electrode name=cathode bottom
doping uniform conc=1e18 n.type region=1 doping uniform conc=1e18 p.type region=2
【Silvaco TCAD实用教程】9 器件仿真模块及器件仿真流程
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impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法
• 参数包括计算步长、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
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
n\ atlasmod • 参数文件 • X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\
common • C解释器的模板、数学符号等文件 • X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\commo Page n\21SCI
Recombination Models (srh, auger, optr…)
Generation Models (impact)
Carrier Statistics (fermi-dirac)
Energy Balance
例句：
Lattice Heating (lat.temp) models conmob fldmob srh bgn temp=398
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1.2 ATLAS仿真模块（续）
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1.2 ATLAS仿真模块（续）
go atlas
后显示的可用模块
===================================
ATLAS
: enabled
S-PISCES
: enabled
BLAZE
: enabled
GIGA
: enabled
半导体专业实验补充silvaco器件仿真
实验2 PN结二极管特性仿真1、实验内容（1）PN结穿通二极管正向I—V特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。
（2)结构和参数：PN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂，n-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度16μm，p+区厚度2μm,n+区厚度2μm.掺杂浓度：p+区浓度为1×1019cm-3，n+区浓度为1×1019cm-3，耐压层参考浓度为5×1015 cm—3.图1 普通耐压层功率二极管结构2、实验要求（1）掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（2)掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。
3、实验过程#启动Athenago athena#器件结构网格划分;line x loc=0.0 spac= 0。
4line x loc=4.0 spac= 0.4line y loc=0.0 spac=0。
5line y loc=2.0 spac=0。
1line y loc=10 spac=0.5line y loc=18 spac=0。
1line y loc=20 spac=0。
5#初始化Si衬底;init silicon c。
phos=5e15 orientation=100 two。
d#沉积铝；deposit alum thick=1.1 div=10＃电极设置electrode name=anode x=1electrode name=cathode backside＃输出结构图structure outf=cb0.strtonyplot cb0。
str#启动Atlasgo atlas#结构描述doping p.type conc=1e20 x。
min=0。
0 x.max=4.0 y.min=0 y。
max=2.0 uniformdoping n.type conc=1e20 x。
min=0。
0 x。
max=4.0 y.min=18 y。
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工艺仿真
TFT2D/3D高级器件技术仿真器： TFT2D/3D是一个高级器件技术仿真器，其 物理模型和专用数字技术是模拟非晶体或包括薄膜 晶体管在内的多晶硅器件所必需的。它的特殊应用 包括大面积电子显示和太阳能电池。TFT2D/3D建 模非晶体材料带隙里的缺陷态分布的电学效应。用 户可规定活化能，以及捕捉电子和空穴的截面或寿 命。用户也可修改迁移率模型、碰撞电离和带间隧 道效应等，从而精确地预测器件性能。
命令讲解： 1、调用命令： go athena go atlas
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4.1.7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，DECKBUILD最优化函数应按如下方法使用：
a.依次点击Main control和Optimizer…选项；调用出如图4.15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。
我们只改变最大误差参数以便能精确地调整栅极氧化厚度为100Å；
b.将Maximum Error在criteria一栏中的值从5改为1；
c.接下来，我们通过Mode键将Setup模式改为Parameter模式,并定义需要优化参数（图4.16）。
图4.15 DECKBUILD最优化的Setup模式
图4.16 Parameter模式
需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和偏压。
为了在最优化工具中对其进行最优化，如图4.17所示，在DECKBUILD窗口中选中栅极氧化这一步骤；
图4.17 选择栅极氧化步骤
d.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，如图4.18所示，列出了所有可能作为参数的项；
图4.18 定义需要优化的参数
e.选中temp=<variable>和press=<variable>这两项。
然后，点击Apply。
添加的最优化参数将如图4.19所示一样列出；
图4.19 增加的最优化参数
f.接下来，通过Mode键将Parameter模式改为Targets模式,并定义优化目标；
g.Optimizer利用DECKBUILD中Extract语句的值来定义优化目标。
因此，返回DECKBUILD的文本窗口并选中Extract栅极氧化厚度语句，如图4.20所示；
图4.20 选中优化目标
h.然后，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（见图4.21）；
通过在栅极氧化工艺过程中改变温度和偏压，Optimizer对栅极氧化厚度进行了优化。
i.为了观察优化过程，我们可以将Targets模式改为Graphics模式，如图4.22所示；
图4.21 在Target value中输入值100 Å
图4.22 Optimizer中的Graphics模式
j.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。
优化后的结果为，温度925.727C，偏压0.982979，
以及抽样氧化厚度100.209 Å，如图4.23所示；
为了完成最优化，温度和偏压的最优化值需要被复制回输入文档中。
k.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值，输入文档将会在正确的地方自动更新。
如图4.24所示；
图4.23 最优化完成
图4.24 优化后的参数在正确的地方自动更新
4.1.8完成离子注入
离子注入是向半导体器件结构中掺杂的主要方法。
在ATHENA中，离子注入是通过可在ATHENA Implant菜单中设定的Implant语句来完成的。
这里要演示阈值电压校正注入，条件是杂质硼的浓度为9.5×1011cm-2，注入能量为10keV，tilt为7度，rotation为30度，步骤如下：
a.在Commands菜单中，依次选择Process和Implant…，出现ATHENA Implant菜单；
b.在Impurity一栏中选择Boron；通过滚动条或者直接输入的方法，分别在Dose和Exp:这两栏中输入值9.5和11；在Energy、Tilt以及Rotation这三栏中分别输入值10、7和30；默认为Dual Pearson模式；将Material Type选为Crystalline；在Comment栏中，输入
Threshold Voltage Adjust implant；
c.点击WRITE键，注入语句将会出现在文本窗口中，如图4.25所示；
图4.25 阈值电压调整注入语句
参数CRYSTAL说明了对于任何解析模型来说，均使用一片硅单晶上的值域抽样统计值。
d.点击DECKBUILD控制栏上的Cont键，ATHENA继续进行仿真，如图4.26所示；
图4.26 阈值电压调整注入步骤的仿真
4.1.9在TONYPLOT中分析硼掺杂特性
硼杂质的剖面形状可以通过2D Mesh菜单或TONYPLOT的Cutline工具进行成像。
在2D Mesh菜单中，可以显现硼杂质的剖面轮廓线。
另一方面，在二维结构中运行Cutline工具可以创建一维的硼杂质的横截面图。
首先，我们用图示的方法说明如何利用2D Mesh菜单去获得硼杂质剖面的轮廓线。
a.绘制历史文件“.history05.str”（阈值电压校正注入这一步骤后得到的历史文件），具体方法是，首先选中它，然后从DECKBUILD的Tools菜单依次选择Plot和Plot Structure；
b.在TONYPLOT中，依次选择Plot和Display…项，窗口Display(2D Mesh)将会弹出；
c.选择Contours图象画出结构的等浓度线；点击Define菜单并选择Contours…，如图4.27所示；
图4.27 调用TONYPLOT：Contour菜单
d.TONYPLOT：Contour弹出窗口将会出现。
在缺省状态下，窗口中Quantity选项为Net doping，现在将Net doping改为Boron；点击Apply键，运行结束以后再点击Dismiss；
e.硼杂质的剖面浓度轮廓图如图4.28所示；
图4.28 离子注入后硼杂质的剖面轮廓图
接下来，我们要从硼杂质剖面二维的结构中得到一维的横截面图。
具体步骤如下：
a.在TONYPLOT中，依次选择Tools和Cutline…项，弹出Cutline窗口；
b.在缺省状态下，Vertical图标已被选中，这将把图例限制在垂直方向；
c.在结构图中，从氧化层开始按下鼠标左键并一直拖动到结构底部。
这样，一个一维的硼杂质剖面横截面图，如图4.29所示。
图4.29 演示结构的垂直方向截面图。