第1章 半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具Sentaurus TCAD

1、第第1章章 可制造性設(shè)計(jì)工具可制造性設(shè)計(jì)工具 Sentaurus TCAD 2/117 Sentaurus簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 Sentaurus TCAD全面繼承了全面繼承了Tsuprem4，Medici和和ISE- TCAD的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它可以用來(lái)模擬集成器件的工藝制的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它可以用來(lái)模擬集成器件的工藝制 程，器件物理特性和互連線特性等。程，器件物理特性和互連線特性等。 Sentaurus TCAD提供全面的產(chǎn)品套件，其中包括提供全面的產(chǎn)品套件，其中包括 Sentaurus Workbench, Ligament, Sentaurus Process, Sentaurus Structure E

2、ditor, Mesh Noffset3D, Sentaurus Device, Tecplot SV，Inspect, Advanced Calibration等等。等等。 2021-7-25浙大微電子 3/117 Sentaurus簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 Sentaurus Process和和Sentaurus Device可以支持的仿可以支持的仿 真器件類型非常廣泛，包括真器件類型非常廣泛，包括CMOS，功率器件，存儲(chǔ)器，功率器件，存儲(chǔ)器， 圖像傳感器，太陽(yáng)能電池，和模擬圖像傳感器，太陽(yáng)能電池，和模擬/ /射頻器件。射頻器件。 Sentaurus TCAD還提供互連建模和參數(shù)提取工具，為還提供互連建模

3、和參數(shù)提取工具，為 優(yōu)化芯片性能提供關(guān)鍵的寄生參數(shù)信息。優(yōu)化芯片性能提供關(guān)鍵的寄生參數(shù)信息。 2021-7-25浙大微電子 4/117 Sentaurus TCAD的啟動(dòng)的啟動(dòng) 運(yùn)行運(yùn)行 vncviewer 在在xterm中輸入中輸入： source /opt/demo/sentaurus.env GENESISe 若保存格式為若保存格式為 TDR，應(yīng)選擇，應(yīng)選擇.tdr文件）。在文件）。在Data Files欄中點(diǎn)擊欄中點(diǎn)擊Browser按按 鈕并選擇摻雜數(shù)據(jù)文件（若保存格式為鈕并選擇摻雜數(shù)據(jù)文件（若保存格式為DF-ISE，應(yīng)選擇，應(yīng)選擇.dat 文件文件; 若保存格式為若保存格式為TDR，

4、應(yīng)選擇，應(yīng)選擇.tdr文件）文件）,單擊單擊Add按按 鈕，載入摻雜數(shù)據(jù)文件。鈕，載入摻雜數(shù)據(jù)文件。 最后，單擊最后，單擊Add Placement 按鈕。按鈕。 2021-7-25浙大微電子 40/1172021-7-25浙大微電子 41/117 6 定義網(wǎng)格細(xì)化窗口。用戶可以對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的定義網(wǎng)格細(xì)化窗口。用戶可以對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的 重新設(shè)置，以增加仿真精度和收斂性。操作如下：重新設(shè)置，以增加仿真精度和收斂性。操作如下： MeshDefine Ref/Eval WindowCuboid 2021-7-25浙大微電子 42/117 7 定義網(wǎng)格細(xì)化方案定義網(wǎng)格細(xì)化方案 選擇菜

5、單欄中的選擇菜單欄中的Mesh Refinement Placement。 在網(wǎng)格細(xì)化設(shè)置對(duì)話框中，選擇在網(wǎng)格細(xì)化設(shè)置對(duì)話框中，選擇Ref/Win選項(xiàng)，并選擇上一步定義選項(xiàng)，并選擇上一步定義 的網(wǎng)格細(xì)化窗口。的網(wǎng)格細(xì)化窗口。 根據(jù)仿真精度要求，設(shè)置根據(jù)仿真精度要求，設(shè)置max element size和和 min element size參數(shù)。參數(shù)。 單擊單擊Add Placement按鈕。按鈕。 2021-7-25浙大微電子 43/1172021-7-25浙大微電子 44/117 8 執(zhí)行設(shè)置方案。執(zhí)行設(shè)置方案。 選擇菜單欄中的選擇菜單欄中的Mesh Build Mesh，輸入網(wǎng)格細(xì)化，輸入

6、網(wǎng)格細(xì)化 執(zhí)行后保存的網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息文件名，并選擇網(wǎng)格引擎，并執(zhí)行后保存的網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息文件名，并選擇網(wǎng)格引擎，并 單擊單擊Build Mesh按鈕，按鈕，SDE會(huì)根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格細(xì)化方案會(huì)根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格細(xì)化方案 執(zhí)行網(wǎng)格的細(xì)化，執(zhí)行完成后會(huì)生成執(zhí)行網(wǎng)格的細(xì)化，執(zhí)行完成后會(huì)生成3個(gè)數(shù)據(jù)文件：個(gè)數(shù)據(jù)文件： _msh.grd, _msh.dat 和和_msh.log。 2021-7-25浙大微電子 45/1172021-7-25浙大微電子 46/117 創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu) 1. SDE環(huán)境初始化環(huán)境初始化： File New； 2. 設(shè)置精確坐標(biāo)模式設(shè)置精確坐標(biāo)模式：Draw Exact Coor

7、dinates； 3. 選擇器件材料選擇器件材料Sentaurus Structure Editor所使用的材料都在所使用的材料都在 Material列表中進(jìn)行選擇；列表中進(jìn)行選擇； 4. 選擇默認(rèn)的選擇默認(rèn)的Boolean表達(dá)式表達(dá)式 在菜單中選擇在菜單中選擇 Draw Overlap Behavior New Replaces Old； 5. 關(guān)閉自動(dòng)命名器件結(jié)構(gòu)區(qū)域模式關(guān)閉自動(dòng)命名器件結(jié)構(gòu)區(qū)域模式 Draw Auto Region Naming； 2021-7-25浙大微電子 47/117 6. 創(chuàng)建立方體區(qū)域創(chuàng)建立方體區(qū)域 (1) 選擇選擇Isometric View ( ISO)，改

8、為三維繪圖模式。改為三維繪圖模式。 (2) 在菜單欄中選擇在菜單欄中選擇Draw Create 3D Region Cuboid。 (3) 在窗口中單擊并拖動(dòng)鼠標(biāo)，將出現(xiàn)一個(gè)立方體區(qū)域的定義在窗口中單擊并拖動(dòng)鼠標(biāo)，將出現(xiàn)一個(gè)立方體區(qū)域的定義 對(duì)話框，輸入對(duì)話框，輸入（0 0 0）和和（7.75 44 3），），然后單擊然后單擊OK按鈕按鈕。 2021-7-25浙大微電子 48/117 (4) 在在SDE對(duì)話框中輸入結(jié)構(gòu)區(qū)域的名稱對(duì)話框中輸入結(jié)構(gòu)區(qū)域的名稱Epitaxy，單擊單擊OK按鈕。按鈕。 2021-7-25浙大微電子 49/117 7. 改變改變Boolean表達(dá)式表達(dá)式 在菜單欄中選擇

9、在菜單欄中選擇Draw Overlap Behavior Old Replaces Old。 8. 創(chuàng)建其他區(qū)域創(chuàng)建其他區(qū)域 器件的其他區(qū)域，即柵氧層，多晶硅柵，側(cè)墻以及電極區(qū)器件的其他區(qū)域，即柵氧層，多晶硅柵，側(cè)墻以及電極區(qū) 域都可以用同樣的方法來(lái)創(chuàng)建。域都可以用同樣的方法來(lái)創(chuàng)建。 2021-7-25浙大微電子 50/1172021-7-25浙大微電子 51/117 9. 定義電極定義電極 在這里，柵極、源極和漏極需要定義。在這里，柵極、源極和漏極需要定義。 10. 定義外延層中的均勻雜質(zhì)分布濃度定義外延層中的均勻雜質(zhì)分布濃度 (1) 選擇菜單欄中的選擇菜單欄中的 Device Consta

10、nt Profile Placement； (2) 在在Placement Name欄中輸入欄中輸入PlaceCD.epi； (3) 在在Placement Type group框中，選擇框中，選擇Region， 并在列表中選擇并在列表中選擇Epitaxy； (4) 在在Constant Profile Definition框中，框中， 輸入輸入Const.Epi到到Name欄中；欄中； (5) 在在Species欄中選擇欄中選擇 ArsenicActiveConcentration； 2021-7-25浙大微電子 52/117 (6) 在在Concentration欄中欄中 輸入輸入3.3e

11、14； (7) 單擊單擊Add Placement按鈕；按鈕； (8) 重復(fù)以上步驟定義多晶硅重復(fù)以上步驟定義多晶硅 柵的摻雜濃度為柵的摻雜濃度為1e20； (9) 單擊單擊Close關(guān)閉窗口。關(guān)閉窗口。 2021-7-25浙大微電子 53/117 11. 定義解析雜質(zhì)濃度分布定義解析雜質(zhì)濃度分布 定義解析雜質(zhì)濃度分布包括兩個(gè)步驟。第一步先定義雜定義解析雜質(zhì)濃度分布包括兩個(gè)步驟。第一步先定義雜 質(zhì)分布窗口，第二步定義解析雜質(zhì)濃度分布。質(zhì)分布窗口，第二步定義解析雜質(zhì)濃度分布。 定義雜質(zhì)分布窗口的步驟如下：定義雜質(zhì)分布窗口的步驟如下： (1) 選擇菜單欄中的選擇菜單欄中的Draw Exact Co

12、ordinates； (2) Mesh Define Ref/Eval Window Rectangle； (3) 在視窗中，拖動(dòng)一個(gè)矩形區(qū)域；在視窗中，拖動(dòng)一個(gè)矩形區(qū)域； (4) 在在Exact Coordinates對(duì)話框中，輸入對(duì)話框中，輸入(0 0)和和(2.75 3.5)， 以定義雜質(zhì)分布窗口坐標(biāo)；以定義雜質(zhì)分布窗口坐標(biāo)； 2021-7-25浙大微電子 54/117 (5) 單擊單擊OK； (6) 在接著彈出的對(duì)話框中，輸入在接著彈出的對(duì)話框中，輸入P-Body作為雜質(zhì)分布窗口的作為雜質(zhì)分布窗口的 名稱；名稱； (7) 利用表中的參數(shù)值，重復(fù)以上步驟定義其他雜質(zhì)分布窗口。利用表中的參

13、數(shù)值，重復(fù)以上步驟定義其他雜質(zhì)分布窗口。 2021-7-25浙大微電子 55/117 定義解析雜質(zhì)濃度分布的步驟如下：定義解析雜質(zhì)濃度分布的步驟如下： (1) 選擇菜單欄中的選擇菜單欄中的 Device Analytic Profile Placement； (2) 在在Placement Name欄中輸入欄中輸入PlaceAP.body； (3) 在在Ref/Win列表中選擇列表中選擇P-Body； (4) 在在Profile Definition區(qū)域中，區(qū)域中， 輸入輸入Gauss.Body到到Name欄中；欄中； (5) 在在Species列表中選擇列表中選擇 BoronActiveCo

14、ncentration； (6) 在在Peak Concentration欄中輸入欄中輸入4e16； 2021-7-25浙大微電子 56/117 (7) 在在Peak Position欄中欄中 輸入輸入0； (8) 在在Junction欄和欄和Depth欄中欄中 分別輸入分別輸入3.3e14和和3.5； (9) 在在Lateral Diffusion Factor 欄中輸入欄中輸入0.75； (10) 單擊單擊Add Placement按鈕；按鈕； (11) 重復(fù)以上步驟分別定義重復(fù)以上步驟分別定義 其他區(qū)域的解析分布。其他區(qū)域的解析分布。 2021-7-25浙大微電子 57/117 13.

15、定義網(wǎng)格細(xì)化方案定義網(wǎng)格細(xì)化方案 14. 保存設(shè)置保存設(shè)置 15. 執(zhí)行設(shè)置方案執(zhí)行設(shè)置方案 最終，器件的網(wǎng)格信息和摻雜信息將保存在兩個(gè)文件最終，器件的網(wǎng)格信息和摻雜信息將保存在兩個(gè)文件 中，即中，即_msh.grd和和_msh.dat，這些文件可以導(dǎo)入到，這些文件可以導(dǎo)入到 Sentaurus Device中進(jìn)行后續(xù)仿真。中進(jìn)行后續(xù)仿真。 2021-7-25浙大微電子 58/1172021-7-25浙大微電子 59/117 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 1 集成工藝仿真系統(tǒng)集成工藝仿真系統(tǒng) Sentaurus Process 2 器件結(jié)構(gòu)編輯工具器件結(jié)構(gòu)編輯工具Sentaurus Structure E

16、ditor 3 器件仿真工具器件仿真工具Sentaurus Device 4 集成電路虛擬制造系統(tǒng)集成電路虛擬制造系統(tǒng)Sentaurus Workbench簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 2021-7-25浙大微電子 60/117 Sentaurus Device器件仿真工具簡(jiǎn)介器件仿真工具簡(jiǎn)介 Sentaurus Device是新一代的器件物理特性仿真工具，是新一代的器件物理特性仿真工具， 內(nèi)嵌一維、二維和三維器件物理模型，通過數(shù)值求解一維、內(nèi)嵌一維、二維和三維器件物理模型，通過數(shù)值求解一維、 二維和三維泊松方程、連續(xù)性方程和運(yùn)輸方程，可以準(zhǔn)確預(yù)二維和三維泊松方程、連續(xù)性方程和運(yùn)輸方程，可以準(zhǔn)確預(yù) 測(cè)器件的眾多電

17、學(xué)參數(shù)和電學(xué)特性。測(cè)器件的眾多電學(xué)參數(shù)和電學(xué)特性。Sentaurus Device支持支持 很多器件類型的仿真，包括量子器件，深亞微米很多器件類型的仿真，包括量子器件，深亞微米MOS器件，器件， 功率器件，異質(zhì)結(jié)器件，光電器件等。此外，功率器件，異質(zhì)結(jié)器件，光電器件等。此外，Sentaurus Device還可以實(shí)現(xiàn)由多個(gè)器件所組成的單元級(jí)電路的物理特還可以實(shí)現(xiàn)由多個(gè)器件所組成的單元級(jí)電路的物理特 性分析。性分析。 2021-7-25浙大微電子 61/117 Sentaurus Device 主要物理模型主要物理模型 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)Sentaurus Device器件物理特性仿真的器件物理器件物理特

18、性仿真的器件物理 模型仍然是泊松方程、連續(xù)性方程和運(yùn)輸方程。基于以上物模型仍然是泊松方程、連續(xù)性方程和運(yùn)輸方程?；谝陨衔?理模型，派生出了很多二級(jí)效應(yīng)和小尺寸模型，均被添加理模型，派生出了很多二級(jí)效應(yīng)和小尺寸模型，均被添加 Sentaurus Device中。中。 2021-7-25浙大微電子 62/117 (1) 產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合模型復(fù)合模型 產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合模型描述的是雜質(zhì)在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間交換載流復(fù)合模型描述的是雜質(zhì)在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間交換載流 子的過程。產(chǎn)生子的過程。產(chǎn)生-復(fù)合模型主要包括：復(fù)合模型主要包括： SRH復(fù)合模型（肖克萊復(fù)合模型），復(fù)合模型（肖克萊復(fù)合模型）， CDL復(fù)合模型，復(fù)合

19、模型， 俄歇復(fù)合模型，俄歇復(fù)合模型， 輻射復(fù)合模型，輻射復(fù)合模型， 雪崩產(chǎn)生模型，雪崩產(chǎn)生模型， 帶間隧道擊穿模型等。帶間隧道擊穿模型等。 2021-7-25浙大微電子 63/117 (2) 遷移率退化模型遷移率退化模型 描述遷移率與摻雜行為有關(guān)的模型描述遷移率與摻雜行為有關(guān)的模型 Masetti模型、模型、Arora模型和模型和University of Bologna模型模型 描述界面位置處載流子遷移率的退化模型描述界面位置處載流子遷移率的退化模型 Lombardi模型、模型、University of Bologna模型模型 描述載流子描述載流子-載流子散射的模型載流子散射的模型 Con

20、wellWeisskopf模型、模型、BrooksHerring模型模型 描述高內(nèi)電場(chǎng)條件下的載流子遷移率的退化模型描述高內(nèi)電場(chǎng)條件下的載流子遷移率的退化模型 Canali模型，轉(zhuǎn)移電子模型，基本模型，模型，轉(zhuǎn)移電子模型，基本模型， MeinerzhagenEngl模型，模型，Lucent模型，速率飽和模型和模型，速率飽和模型和 驅(qū)動(dòng)力模型等驅(qū)動(dòng)力模型等 2021-7-25浙大微電子 64/117 (3) 基于活化能變化的電離模型基于活化能變化的電離模型 常溫條件下，淺能級(jí)雜質(zhì)被認(rèn)為是完全電離的。然而，常溫條件下，淺能級(jí)雜質(zhì)被認(rèn)為是完全電離的。然而， 對(duì)于深能級(jí)雜質(zhì)而言（能級(jí)深度超過對(duì)于深能級(jí)

21、雜質(zhì)而言（能級(jí)深度超過0.026eV），則會(huì)出現(xiàn)），則會(huì)出現(xiàn) 不完全電離的情況。因此，銦（受主雜質(zhì)）在硅中，氮（施不完全電離的情況。因此，銦（受主雜質(zhì)）在硅中，氮（施 主）和鋁（受主）在碳化硅中，都呈現(xiàn)深能級(jí)狀態(tài)。另外，主）和鋁（受主）在碳化硅中，都呈現(xiàn)深能級(jí)狀態(tài)。另外， 若要研究低溫條件下的摻雜行為，則會(huì)有更多的摻雜劑出于若要研究低溫條件下的摻雜行為，則會(huì)有更多的摻雜劑出于 不完全電離狀態(tài)。針對(duì)這種研究需求，不完全電離狀態(tài)。針對(duì)這種研究需求，Sentaurus Device 嵌入了基于活化能變化的電離模型。嵌入了基于活化能變化的電離模型。 2021-7-25浙大微電子 65/117 (4)

22、熱載流子注入模型熱載流子注入模型 熱載流子注入模型是用于描述柵漏電流機(jī)制的。該模型熱載流子注入模型是用于描述柵漏電流機(jī)制的。該模型 對(duì)于描述對(duì)于描述EEPROMs器件執(zhí)行寫操作時(shí)可能發(fā)生的載流子注器件執(zhí)行寫操作時(shí)可能發(fā)生的載流子注 入行為來(lái)說尤為重要。入行為來(lái)說尤為重要。Sentaurus Device提供了兩種熱載流提供了兩種熱載流 子注入模型和一個(gè)用戶自定義模型子注入模型和一個(gè)用戶自定義模型PMI (Physical Model Interface). 經(jīng)典的經(jīng)典的lucky電子注入模型電子注入模型 Fiegna熱載流子注入模型熱載流子注入模型 2021-7-25浙大微電子 dxdydPP

23、PPyxJIg B E rinssn ),( dsdgfvPqIg B E ins )()()( 66/117 (5) 隧道擊穿模型隧道擊穿模型 在一些器件中，隧道擊穿的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致漏電流的形在一些器件中，隧道擊穿的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致漏電流的形 成，對(duì)器件的電學(xué)性能造成影響。成，對(duì)器件的電學(xué)性能造成影響。 Sentaurus Device提供三種隧道擊穿模型：提供三種隧道擊穿模型： 非局域隧道擊穿模型非局域隧道擊穿模型 （最常用，該模型考慮了載流子的自加熱因素，能夠進(jìn)（最常用，該模型考慮了載流子的自加熱因素，能夠進(jìn) 行任意形狀勢(shì)壘下的數(shù)值求解）行任意形狀勢(shì)壘下的數(shù)值求解） 直接隧道擊穿模型直接隧道擊穿模

24、型 FowlerNordheim隧道擊穿模型隧道擊穿模型 2021-7-25浙大微電子 67/117 (6) 應(yīng)力模型應(yīng)力模型 器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的變化，可以影響材料的功函數(shù)、器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的變化，可以影響材料的功函數(shù)、 界面態(tài)密度、載流子遷移率能帶分布和漏電流等。局部區(qū)域界面態(tài)密度、載流子遷移率能帶分布和漏電流等。局部區(qū)域 應(yīng)力的變化往往是由于高溫?zé)狎?qū)動(dòng)加工的溫變作用或材料屬應(yīng)力的變化往往是由于高溫?zé)狎?qū)動(dòng)加工的溫變作用或材料屬 性的不同產(chǎn)生的。性的不同產(chǎn)生的。 應(yīng)力變化引起的能帶結(jié)構(gòu)變化，可以由以下模型進(jìn)行分析：應(yīng)力變化引起的能帶結(jié)構(gòu)變化，可以由以下模型進(jìn)行分析： 應(yīng)力變化引起的載流

25、子遷移率的變化應(yīng)力變化引起的載流子遷移率的變化，由以下公式描述：由以下公式描述： V n i Vi V V kT E nkT E 1 300300 )exp( 1 ln C n i Ci C kT E nkT Ec 1 300300 )exp( 1 ln 2021-7-25浙大微電子 1exp )/( 21 /1 1 0 kT EE mm mm CiC NtNI NtNI N N ii 1exp )/(1 / 11 1 5 . 1 1 0 0 1 0 kT EE mm mm CiC PhP PhP P P P P 68/117 (7) 量子化模型量子化模型 Sentaurus Device提供

26、了四種量子化模型。提供了四種量子化模型。 Van Dot模型模型 Van Dot模型僅適用于硅基模型僅適用于硅基MOSFET器件的仿真。使用器件的仿真。使用 該模型可以較好地描述器件內(nèi)部的量子化效應(yīng)及其在最終特該模型可以較好地描述器件內(nèi)部的量子化效應(yīng)及其在最終特 性中的反映。性中的反映。 一維薛定諤方程一維薛定諤方程 一維薛定諤方程可以用來(lái)進(jìn)行一維薛定諤方程可以用來(lái)進(jìn)行MOSFET、量子阱和超薄、量子阱和超薄 SOI結(jié)特性的仿真。結(jié)特性的仿真。 2021-7-25浙大微電子 69/117 密度梯度模型密度梯度模型 密度梯度模型用于密度梯度模型用于MOSFET器件、量子阱和器件、量子阱和SOI結(jié)

27、構(gòu)的仿結(jié)構(gòu)的仿 真，可以描述器件的最終特性以及器件內(nèi)的電荷分布。該模真，可以描述器件的最終特性以及器件內(nèi)的電荷分布。該模 型可以描述二維和三維的量子效應(yīng)。型可以描述二維和三維的量子效應(yīng)。 修正后的局部密度近似模型修正后的局部密度近似模型 該模型數(shù)值計(jì)算效率較高，比較適用于三維器件的物理特該模型數(shù)值計(jì)算效率較高，比較適用于三維器件的物理特 性仿真。性仿真。 2021-7-25浙大微電子 70/117 Sentaurus Device仿真實(shí)例仿真實(shí)例 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Sentaurus Device輸入文件由以下幾部輸入文件由以下幾部 分組成，包括分組成，包括File、Electrode、Ph

28、ysics、Plot、Math和和 Solve，每一部分都執(zhí)行一定的功能。輸入文件缺省的擴(kuò)，每一部分都執(zhí)行一定的功能。輸入文件缺省的擴(kuò) 展名為展名為_des.cmd。 2021-7-25浙大微電子 71/117 1. VDMOS器件雪崩擊穿電壓的仿真器件雪崩擊穿電壓的仿真 器件的雪崩擊穿電壓相比與其他電學(xué)參數(shù)，比較難模擬。器件的雪崩擊穿電壓相比與其他電學(xué)參數(shù)，比較難模擬。 因?yàn)樵谄骷磳舸r(shí)，即使是很小的電壓變化都可能導(dǎo)致因?yàn)樵谄骷磳舸r(shí)，即使是很小的電壓變化都可能導(dǎo)致 漏電流的急劇增加，有些時(shí)候甚至?xí)a(chǎn)生回滯現(xiàn)象。因此，漏電流的急劇增加，有些時(shí)候甚至?xí)a(chǎn)生回滯現(xiàn)象。因此， 在這種情況下

29、，進(jìn)行雪崩擊穿電壓模擬計(jì)算時(shí)很難獲得一個(gè)在這種情況下，進(jìn)行雪崩擊穿電壓模擬計(jì)算時(shí)很難獲得一個(gè) 收斂解。而在漏電極上串聯(lián)一個(gè)大電阻可以有效的解決這個(gè)收斂解。而在漏電極上串聯(lián)一個(gè)大電阻可以有效的解決這個(gè) 不收斂問題。不收斂問題。 在本例中，在本例中，Sentaurus Device調(diào)用了之前調(diào)用了之前Sentaurus Process產(chǎn)生的輸出文件，該文件中包含了摻雜信息，網(wǎng)格產(chǎn)生的輸出文件，該文件中包含了摻雜信息，網(wǎng)格 信息和電極定義信息。信息和電極定義信息。 2021-7-25浙大微電子 72/117 (1) File 該文件定義部分指定了完成器件模擬所需要的輸入文件該文件定義部分指定了完成器

30、件模擬所需要的輸入文件 和輸出文件。和輸出文件。 File * input files: Grid =“500vdmos_final_fps.tdr” * output files: Plot =“BV_des.dat” Current =“BV_des.plt” Output =“BV_des.log” 2021-7-25浙大微電子 73/117 (2) Electrode 該電極定義部分用來(lái)定義該電極定義部分用來(lái)定義Sentaurus Device模擬中器件所模擬中器件所 有電極的偏置電壓起始值以及邊界條件等。有電極的偏置電壓起始值以及邊界條件等。 Electrode Name=“Sour

31、ce” Voltage=0.0 Name=“Drain” Voltage=0.0 Resistor= 1e7 Name=“Gate” Voltage=0.0 Barrier= -0.55 2021-7-25浙大微電子 74/117 (3) Physics 該命令段定義了該命令段定義了Sentaurus Device模擬中選定的器件物理模型。模擬中選定的器件物理模型。 Physics EffectiveIntrinsicDensity( BandGapNarrowing OldSlotboom ) Mobility( DopingDep eHighFieldsaturation( GradQua

32、siFermi ) hHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ) Enormal ) Recombination( SRH( DopingDep ) eAvalanche( Eparallel) hAvalanche( Eparallel ) ) 2021-7-25浙大微電子 75/117 (4) Plot Plot命令段用于完成設(shè)置所需的命令段用于完成設(shè)置所需的Sentaurus Device模擬輸模擬輸 出繪圖結(jié)果。這些輸出結(jié)果可以通過調(diào)用出繪圖結(jié)果。這些輸出結(jié)果可以通過調(diào)用Tecplot SV查閱。查閱。 Plot eDensity hDensity To

33、talCurrent / Vector eCurrent / Vector hCurrent / Vector eMobility hMobility eVelocity hVelocity eQuasiFermi hQuasiFermi eTemperature Temperature * hTemperature ElectricField/Vector Potential SpaceCharge Doping DonorConcentration AcceptorConcentration 2021-7-25浙大微電子 76/117 *-Generation/Recombination

34、SRH Band2Band * Auger AvalancheGeneration eAvalancheGeneration hAvalancheGeneration *-Driving forces eGradQuasiFermi/Vector hGradQuasiFermi/Vector eEparallel hEparallel eENormal hENormal *-Band structure/Composition BandGap BandGapNarrowing Affinity ConductionBand ValenceBand eQuantumPotential 2021-

35、7-25浙大微電子 77/117 (5) Math 該命令段用來(lái)設(shè)置數(shù)值求解算法。該命令段用來(lái)設(shè)置數(shù)值求解算法。 Math Extrapolate Avalderivatives Iterations=20 Notdamped=100 RelErrControl BreakCriteria Current(Contact=“Drain” AbsVal=0.8e-7) CNormPrint 2021-7-25浙大微電子 78/117 Avalderivatives參數(shù)表示開啟計(jì)算由于雪崩擊穿產(chǎn)生的參數(shù)表示開啟計(jì)算由于雪崩擊穿產(chǎn)生的 解析導(dǎo)數(shù)；解析導(dǎo)數(shù)； Iterations定義了諾頓計(jì)算中最大的

36、迭代次數(shù)；定義了諾頓計(jì)算中最大的迭代次數(shù)； Notdamped=100表示在前表示在前100次諾頓迭代計(jì)算中采用無(wú)次諾頓迭代計(jì)算中采用無(wú) 阻尼計(jì)算模式。阻尼計(jì)算模式。 2021-7-25浙大微電子 79/117 (6) Solve 該命令段用于設(shè)置完成數(shù)值計(jì)算所需要經(jīng)過的計(jì)算過程。該命令段用于設(shè)置完成數(shù)值計(jì)算所需要經(jīng)過的計(jì)算過程。 Solve *- Build-up of initial solution: Coupled(Iterations=100) Poisson Coupled Poisson Electron Hole Quasistationary( InitialStep=1e-

37、4 Increment=1.35 MinStep=1e-5 MaxStep=0.025 2021-7-25浙大微電子 80/117 Goal Name=“ Drain” Voltage=600 ) Coupled Poisson Electron Hole CoupledPoisson Electron Hole 調(diào)用了泊松方程、電子連續(xù)方程和空穴連續(xù)方程。調(diào)用了泊松方程、電子連續(xù)方程和空穴連續(xù)方程。 Quasistationary定義用戶要求得到準(zhǔn)靜態(tài)解。定義用戶要求得到準(zhǔn)靜態(tài)解。 2021-7-25浙大微電子 81/1172021-7-25浙大微電子 82/117 2. VDMOS器件漏極

38、電學(xué)特性仿真器件漏極電學(xué)特性仿真 本例子模擬了本例子模擬了VDMOS器件的器件的Vd-Id特性。其中柵極偏置特性。其中柵極偏置 電壓定義為電壓定義為10V，而漏極偏置電壓從，而漏極偏置電壓從0V掃描到掃描到10V。 2021-7-25浙大微電子 83/117 (1) File File * input files: Grid =“500vdmos_final_fps.tdr” * output files: Plot =“IV_des.tdr” Current =“IV_des.plt” Output =“IV_des.log” 2021-7-25浙大微電子 84/117 (2) Electr

39、ode Electrode Name=“Source” Voltage=0.0 Name=“Drain” Voltage=0.1 Name=“Gate” Voltage=0.0 Barrier=-0.55 2021-7-25浙大微電子 85/117 (3) Physics Physics AreaFactor=3258200 IncompleteIonization EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) Mobility ( DopingDependence HighFieldSaturation Enormal C

40、arriercarrierscattering ) Recombination ( SRH(DopingDependence Tempdep) Auger Avalanche (Eparallel) ) 2021-7-25浙大微電子 86/117 (4) Plot Plot eDensity hDensity eCurrent/vector hCurrent/vector Potential SpaceCharge ElectricField eMobility hMobility eVelocity hVelocity Doping DonorConcentration AcceptorCo

41、ncentration 2021-7-25浙大微電子 87/117 (5) Math Math Extrapolate RelErrcontrol directcurrentcomput 其中其中directcurrentcomput參數(shù)定義直接計(jì)算電極電流。參數(shù)定義直接計(jì)算電極電流。 2021-7-25浙大微電子 88/117 (6) Solve Solve Poisson Coupled Poisson Electron hole #-ramp Gate: Quasistationary ( MaxStep=0.1 MinStep=1e-8 Increment=2 Decrement=3

42、Goal Name=Gate Voltage=10 ) 2021-7-25浙大微電子 89/117 Coupled Poisson Electron hole #-ramp Drain: Quasistationary ( MaxStep=0.1 MinStep=1e-8 Increment=2 Decrement=3 Goal Name=Drain Voltage=10 ) Coupled Poisson Electron hole 2021-7-25浙大微電子 90/1172021-7-25浙大微電子 91/117 3、收斂性問題收斂性問題 迭代次數(shù)不夠迭代次數(shù)不夠 電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引

43、起的不收斂電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂 初始解的不收斂初始解的不收斂 工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好 2021-7-25浙大微電子 92/117 迭代次數(shù)不夠迭代次數(shù)不夠 設(shè)置的判別不收斂的條件太過苛刻設(shè)置的判別不收斂的條件太過苛刻 這種假性的不收斂在迭代過程中有著以下特征之一這種假性的不收斂在迭代過程中有著以下特征之一 ： 誤差項(xiàng)有逐漸減小的趨勢(shì)或呈阻尼振蕩狀，但是在小于誤差項(xiàng)有逐漸減小的趨勢(shì)或呈阻尼振蕩狀，但是在小于1 之前，卻因?yàn)榈螖?shù)上限達(dá)到而結(jié)束。之前，卻因?yàn)榈螖?shù)上限達(dá)到而結(jié)束。 迭代失敗的次數(shù)很少，但是仿真步長(zhǎng)很快就達(dá)到了最小值，迭代失敗的次數(shù)很少，但是

44、仿真步長(zhǎng)很快就達(dá)到了最小值， 仿真結(jié)束。仿真結(jié)束。 2021-7-25浙大微電子 93/117 解決方法解決方法 (1). Iterations盡量設(shè)置的大一點(diǎn)盡量設(shè)置的大一點(diǎn) (2). 設(shè)定設(shè)定minstep 和和 interations，minstep的數(shù)值至少比的數(shù)值至少比 initialstep少少3個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí) Math Iterations =50 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl 2021-7-25浙大微電子 94/117 Solve Poisson Coupled Poisson Electron Hole Quasistat

45、ionary ( Initialstep=1e-6 MaxStep=0.1 Minstep=1e-12 increment=2.0 Goal name=anode voltage=4e7 ) Coupled Poisson Electron Hole Temperature 2021-7-25浙大微電子 95/117 電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂 這種情況一般發(fā)生在雪崩擊穿電壓的附近，無(wú)法完成成這種情況一般發(fā)生在雪崩擊穿電壓的附近，無(wú)法完成成 低壓區(qū)到雪崩擊穿區(qū)的轉(zhuǎn)變。低壓區(qū)到雪崩擊穿區(qū)的轉(zhuǎn)變。 2021-7-25浙大微電子 96/117 產(chǎn)生原因：擊穿點(diǎn)附

46、近，電流變化太迅速，基于原來(lái)的初始產(chǎn)生原因：擊穿點(diǎn)附近，電流變化太迅速，基于原來(lái)的初始 解解A，通過一個(gè)仿真步長(zhǎng)，電壓變化，通過一個(gè)仿真步長(zhǎng)，電壓變化V，此時(shí)假定下一點(diǎn)處，此時(shí)假定下一點(diǎn)處 于于B點(diǎn)，而假定點(diǎn)點(diǎn)，而假定點(diǎn)B和真實(shí)點(diǎn)和真實(shí)點(diǎn)C之間的電流變化量之間的電流變化量I太大，程太大，程 序無(wú)法通過迭代獲得正確點(diǎn)，因此始終無(wú)法收斂。序無(wú)法通過迭代獲得正確點(diǎn)，因此始終無(wú)法收斂。 2021-7-25浙大微電子 97/117 解決方法解決方法 Electrode Name=anode Voltage=0.0 resistor=3e9 Name=cathodeVoltage=0.0 Name=sub

47、 Voltage=0.0 2021-7-25浙大微電子 98/117 初始解的不收斂初始解的不收斂 初始解的不收斂就是仿真的第一個(gè)點(diǎn)就無(wú)法收斂：初始解的不收斂就是仿真的第一個(gè)點(diǎn)就無(wú)法收斂： 由于初始解具有較大的隨機(jī)性，因此當(dāng)它進(jìn)行迭代的時(shí)由于初始解具有較大的隨機(jī)性，因此當(dāng)它進(jìn)行迭代的時(shí) 候，如果要同時(shí)滿足多個(gè)方程的收斂相對(duì)較為困難；候，如果要同時(shí)滿足多個(gè)方程的收斂相對(duì)較為困難； 由于某個(gè)電極上的初始電壓值給得過高，難以建立初始解。由于某個(gè)電極上的初始電壓值給得過高，難以建立初始解。 2021-7-25浙大微電子 99/117 的解決方法的解決方法 Solve CoupledPoisson El

48、ectron Hole Temperature Quasistationary CoupledPoisson Electron Hole Temperature Solve Poisson CoupledPoisson Electron CoupledPoisson Electron Hole Quasistationary CoupledPoisson Electron Hole Temperature 2021-7-25浙大微電子 100/117 Electrode Name=“Drain”, Voltage=0.0 Name=“Source”, Voltage=0.0 Name=“Gat

49、e”, Voltage=5.0 Name=“sub”, Voltage=0.0 Solve Electrode Name=“Drain”, Voltage=0.0 Name=“Source”, Voltage=0.0 Name=“Gate”, Voltage=0.0 Name=“sub”, Voltage=0.0 Solve Goalname=“Gate”, Voltage=5.0 2021-7-25浙大微電子 101/117 工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好 解決方法解決方法: 調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)格調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)格 2021-7-25浙大微電子 102/117 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 1 集成

50、工藝仿真系統(tǒng)集成工藝仿真系統(tǒng) Sentaurus Process 2 器件結(jié)構(gòu)編輯工具器件結(jié)構(gòu)編輯工具Sentaurus Structure Editor 3 器件仿真工具器件仿真工具Sentaurus Device 4 集成電路虛擬制造系統(tǒng)集成電路虛擬制造系統(tǒng)Sentaurus Workbench簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 2021-7-25浙大微電子 103/117 虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造系統(tǒng)Sentaurus Workbench簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 Sentaurus Workbench（SWB）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介 Sentaurus Workbench基于集成化架構(gòu)模式來(lái)組織、實(shí)基于集成化架構(gòu)模式來(lái)組織、實(shí) 施施TCAD仿真

51、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，為用戶提供了圖形化界為用戶提供了圖形化界 面面，可完成系列化仿真工具軟件可完成系列化仿真工具軟件，以參數(shù)化形式實(shí)現(xiàn)以參數(shù)化形式實(shí)現(xiàn)TCAD 項(xiàng)目的優(yōu)化工程。項(xiàng)目的優(yōu)化工程。Sentaurus Workbench支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu) 化，參數(shù)提取，結(jié)果分析，參數(shù)優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)了集成化的化，參數(shù)提取，結(jié)果分析，參數(shù)優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)了集成化的 任務(wù)安排，從而最大限度地利用了可計(jì)算資源，加速了任務(wù)安排，從而最大限度地利用了可計(jì)算資源，加速了 TCAD仿真項(xiàng)目的運(yùn)行。仿真項(xiàng)目的運(yùn)行。 2021-7-25浙大微電子 104/117 創(chuàng)建和運(yùn)行仿真項(xiàng)目創(chuàng)建和運(yùn)行仿真項(xiàng)

52、目 1. 建立新的仿真項(xiàng)目建立新的仿真項(xiàng)目 在菜單中選擇在菜單中選擇Project New。 2. 構(gòu)造仿真流程構(gòu)造仿真流程 在在Family Tree視圖下，在視圖下，在No Tools處右擊鼠標(biāo)。然后在處右擊鼠標(biāo)。然后在 彈出的對(duì)話中，單擊彈出的對(duì)話中，單擊Tools按鈕，在按鈕，在Select DB Tool菜單中菜單中 選擇選擇sprocess工具。工具。 2021-7-25浙大微電子 105/117 3. 導(dǎo)入卡命令文件導(dǎo)入卡命令文件 （1）在）在Sentaurus Process圖標(biāo)按鈕處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選圖標(biāo)按鈕處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選 擇擇Import File Commands。 （

53、2）在彈出的）在彈出的Import Flow File對(duì)話框中，找到需要的工對(duì)話框中，找到需要的工 藝卡命令文件。藝卡命令文件。 （3）單擊）單擊Open按鈕。按鈕。 另外，在工藝文件中，最終的器件結(jié)構(gòu)信息文件應(yīng)該另外，在工藝文件中，最終的器件結(jié)構(gòu)信息文件應(yīng)該 保存為節(jié)點(diǎn)格式，即保存為節(jié)點(diǎn)格式，即struct smesh=nnode。 2021-7-25浙大微電子 106/117 4. 添加其它仿真工具添加其它仿真工具 重復(fù)以上操作步驟，依次添加所需要的仿真工具，如重復(fù)以上操作步驟，依次添加所需要的仿真工具，如 Sentaurus Structure Editor、Sentaurus Device、Inspect 等，并依次導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的卡命令文件。需要注意的是，在等，并依次導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的卡命令文件。需要注意的是，在 Sentaurus Structure Editor中，最終的結(jié)構(gòu)需要保存為中，最終的結(jié)構(gòu)需要保存為 “nnode_msh”格式，而在格式，而在Sentaurus Device中，該文中，該文 件 可 以 由 以 下 語(yǔ) 句 導(dǎo) 入 ， 即件 可 以 由 以 下 語(yǔ) 句 導(dǎo) 入 ， 即 g r i d = “ t d r ” 。 2021-7-25浙大微電子 107/117 5. 添加實(shí)驗(yàn)參數(shù)添加實(shí)驗(yàn)參數(shù) 在在Sentaurus Workbench中，用戶可以定義和添加