半导体器件电学性模拟silvaco-atlas介绍
浅谈SILVACO TCAD在VDMOS功率器件设计中的应用
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
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。
工艺及器件仿真工具SILVACO分析解析
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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。
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5
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。
仿真工具(ATLAS)
工艺及器件仿真工具 SILIVACO-TCAD
哈尔滨工程大学微电子实验室 2009.10
ATLAS பைடு நூலகம்学特性
Harbin Engineering University
在这一部分，将对一个NMOSFET器件结 构进行器件仿真。 以下将会演示到： 1. 产生简单的 Vds=0.1V 偏压下的曲线： Ids vs. Vgs 2.提取器件参数，例如Vt，Beta和Theta 3.产生不同的Vgs偏置情况下的Id vs. Vds 曲 线簇
ATLAS 器件构造
Harbin Engineering University
3. 定义电极
ELECTRODE NAME=<en> [NUMBER=<n>] [SUBSTRATE] <pos> <reg>
ATLAS 器件构造
Harbin Engineering University
4. 掺杂分布
进一步详细的关于 这些模型的信息， 可以参看文档：
ATLAS User’s Manual Volume I
ATLAS 电学特性
Harbin Engineering University
数值计算方法命令集：
对于半导体器件问题，有几种不同的方法可以 使用。对于 MOS 结构来说，可以使用非耦合的 GUMMEL 法和耦合的 NEWTON法。简单地说， gummel 法将对每个未知量轮流求解，同时保持 其他变量不变，不断重复这个过程，直到得到稳 定的解。而 Newton 法将会对整个系统的所有未 知量一起求解。 输入： method newton
提取器件参数
Silvaco器件仿真资料
工艺描述
几何结构及掺杂
电学特性
器件模拟参数提取
(Device parameter extraction tools)
IC电路特性 IC电路仿真
(IC Circuit Simulation)
电路模拟用器件模型参数
3. 有什么用？ 一方面，充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象 难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用。加强理论教学 的效果。 仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩 短了开发周期和提高成品率。也就是说，仿真可以虚拟生产并指 导实际生产。
（2）什么是半导体器件仿真？ 那么像电子IT行业里面的仿真软件按用途分是多种多样的。仅仅是 集成电路这个行业来讲，就分电路仿真、器件仿真、工艺仿真等。 再深入下去研究，研究固体物理学，半导体物理学也都有相关的仿 真软件可以进行原子、分子级别的仿真。
包括工艺仿真和器件电学特性仿真两个部分。
研究单个元器件从生产工艺到性能特性的。
材料定义、 结构定义指令
athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。
与devedit类似，用atlas器件仿真器语言编写器件信息。
与devedit不同的是需要编程操作，没有图形操作界面。
结构材料定义：
• Mesh(网格)
• Region(区域) • Electrode(电极) • Doping(掺杂) • Material(材料)
一、概论：半导体仿真概述 Introduction of Semiconductor Simulation
1. 这门课是研究什么的？
（1）什么是仿真？ 仿真和另外一个词汇建模（modeling）是密不可分的。 所谓建模就是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律。 仿真是在这个一般规律的基础上，对某事物在特定条件下的行动 进行推演和预测。 因此可以说建模是仿真的基础，仿真是随着建模的发展而发展的。 建模和仿真的关系可以比作程序设计中算法和语言的关系。
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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 spac=0.002 y.mesh loc=0 spac=0.005 y.mesh loc=0.03 spac=0.005 y.mesh loc=0.1 spac=0.005 y.mesh loc=1 spac=0.5
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
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
器件最终结构
用tonyplot输出仿真结果
tonyplot GaN_0.log
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。
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 electrode name=gate electrode name=drain
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。
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
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
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tos软件
在LINUX系统下， 输入deckbuild –as& 进入Atlas操作界面。 Go atlas开始运行。
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