第1章 半导体工艺及器件仿真工具Sentaurus TCAD

1、第第1章章 可制造性设计工具可制造性设计工具 Sentaurus TCAD 2/117 Sentaurus简介简介 Sentaurus TCAD全面继承了全面继承了Tsuprem4，Medici和和ISE- TCAD的特点和优势，它可以用来模拟集成器件的工艺制的特点和优势，它可以用来模拟集成器件的工艺制 程，器件物理特性和互连线特性等。程，器件物理特性和互连线特性等。 Sentaurus TCAD提供全面的产品套件，其中包括提供全面的产品套件，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浙大微电子 3/117 Sentaurus简介简介 Sentaurus Process和和Sentaurus Device可以支持的仿可以支持的仿 真器件类型非常广泛，包括真器件类型非常广泛，包括CMOS，功率器件，存储器，功率器件，存储器， 图像传感器，太阳能电池，和模拟图像传感器，太阳能电池，和模拟/ /射频器件。射频器件。 Sentaurus TCAD还提供互连建模和参数提取工具，为还提供互连建模

3、和参数提取工具，为 优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。 2021-7-25浙大微电子 4/117 Sentaurus TCAD的启动的启动 运行运行 vncviewer 在在xterm中输入中输入： source /opt/demo/sentaurus.env GENESISe 若保存格式为若保存格式为 TDR，应选择，应选择.tdr文件）。在文件）。在Data Files栏中点击栏中点击Browser按按 钮并选择掺杂数据文件（若保存格式为钮并选择掺杂数据文件（若保存格式为DF-ISE，应选择，应选择.dat 文件文件; 若保存格式为若保存格式为TDR，

4、应选择，应选择.tdr文件）文件）,单击单击Add按按 钮，载入掺杂数据文件。钮，载入掺杂数据文件。 最后，单击最后，单击Add Placement 按钮。按钮。 2021-7-25浙大微电子 40/1172021-7-25浙大微电子 41/117 6 定义网格细化窗口。用户可以对重点研究区域进行网格的定义网格细化窗口。用户可以对重点研究区域进行网格的 重新设置，以增加仿真精度和收敛性。操作如下：重新设置，以增加仿真精度和收敛性。操作如下： MeshDefine Ref/Eval WindowCuboid 2021-7-25浙大微电子 42/117 7 定义网格细化方案定义网格细化方案 选择菜

5、单栏中的选择菜单栏中的Mesh Refinement Placement。 在网格细化设置对话框中，选择在网格细化设置对话框中，选择Ref/Win选项，并选择上一步定义选项，并选择上一步定义 的网格细化窗口。的网格细化窗口。 根据仿真精度要求，设置根据仿真精度要求，设置max element size和和 min element size参数。参数。 单击单击Add Placement按钮。按钮。 2021-7-25浙大微电子 43/1172021-7-25浙大微电子 44/117 8 执行设置方案。执行设置方案。 选择菜单栏中的选择菜单栏中的Mesh Build Mesh，输入网格细化，输入

6、网格细化 执行后保存的网格数据信息文件名，并选择网格引擎，并执行后保存的网格数据信息文件名，并选择网格引擎，并 单击单击Build Mesh按钮，按钮，SDE会根据设置的网格细化方案会根据设置的网格细化方案 执行网格的细化，执行完成后会生成执行网格的细化，执行完成后会生成3个数据文件：个数据文件： _msh.grd, _msh.dat 和和_msh.log。 2021-7-25浙大微电子 45/1172021-7-25浙大微电子 46/117 创建三维结构创建三维结构 1. SDE环境初始化环境初始化： File New； 2. 设置精确坐标模式设置精确坐标模式：Draw Exact Coor

7、dinates； 3. 选择器件材料选择器件材料Sentaurus Structure Editor所使用的材料都在所使用的材料都在 Material列表中进行选择；列表中进行选择； 4. 选择默认的选择默认的Boolean表达式表达式 在菜单中选择在菜单中选择 Draw Overlap Behavior New Replaces Old； 5. 关闭自动命名器件结构区域模式关闭自动命名器件结构区域模式 Draw Auto Region Naming； 2021-7-25浙大微电子 47/117 6. 创建立方体区域创建立方体区域 (1) 选择选择Isometric View ( ISO)，改

8、为三维绘图模式。改为三维绘图模式。 (2) 在菜单栏中选择在菜单栏中选择Draw Create 3D Region Cuboid。 (3) 在窗口中单击并拖动鼠标，将出现一个立方体区域的定义在窗口中单击并拖动鼠标，将出现一个立方体区域的定义 对话框，输入对话框，输入（0 0 0）和和（7.75 44 3），），然后单击然后单击OK按钮按钮。 2021-7-25浙大微电子 48/117 (4) 在在SDE对话框中输入结构区域的名称对话框中输入结构区域的名称Epitaxy，单击单击OK按钮。按钮。 2021-7-25浙大微电子 49/117 7. 改变改变Boolean表达式表达式 在菜单栏中选择

9、在菜单栏中选择Draw Overlap Behavior Old Replaces Old。 8. 创建其他区域创建其他区域 器件的其他区域，即栅氧层，多晶硅栅，侧墙以及电极区器件的其他区域，即栅氧层，多晶硅栅，侧墙以及电极区 域都可以用同样的方法来创建。域都可以用同样的方法来创建。 2021-7-25浙大微电子 50/1172021-7-25浙大微电子 51/117 9. 定义电极定义电极 在这里，栅极、源极和漏极需要定义。在这里，栅极、源极和漏极需要定义。 10. 定义外延层中的均匀杂质分布浓度定义外延层中的均匀杂质分布浓度 (1) 选择菜单栏中的选择菜单栏中的 Device Consta

10、nt Profile Placement； (2) 在在Placement Name栏中输入栏中输入PlaceCD.epi； (3) 在在Placement Type group框中，选择框中，选择Region， 并在列表中选择并在列表中选择Epitaxy； (4) 在在Constant Profile Definition框中，框中， 输入输入Const.Epi到到Name栏中；栏中； (5) 在在Species栏中选择栏中选择 ArsenicActiveConcentration； 2021-7-25浙大微电子 52/117 (6) 在在Concentration栏中栏中 输入输入3.3e

11、14； (7) 单击单击Add Placement按钮；按钮； (8) 重复以上步骤定义多晶硅重复以上步骤定义多晶硅 栅的掺杂浓度为栅的掺杂浓度为1e20； (9) 单击单击Close关闭窗口。关闭窗口。 2021-7-25浙大微电子 53/117 11. 定义解析杂质浓度分布定义解析杂质浓度分布 定义解析杂质浓度分布包括两个步骤。第一步先定义杂定义解析杂质浓度分布包括两个步骤。第一步先定义杂 质分布窗口，第二步定义解析杂质浓度分布。质分布窗口，第二步定义解析杂质浓度分布。 定义杂质分布窗口的步骤如下：定义杂质分布窗口的步骤如下： (1) 选择菜单栏中的选择菜单栏中的Draw Exact Co

12、ordinates； (2) Mesh Define Ref/Eval Window Rectangle； (3) 在视窗中，拖动一个矩形区域；在视窗中，拖动一个矩形区域； (4) 在在Exact Coordinates对话框中，输入对话框中，输入(0 0)和和(2.75 3.5)， 以定义杂质分布窗口坐标；以定义杂质分布窗口坐标； 2021-7-25浙大微电子 54/117 (5) 单击单击OK； (6) 在接着弹出的对话框中，输入在接着弹出的对话框中，输入P-Body作为杂质分布窗口的作为杂质分布窗口的 名称；名称； (7) 利用表中的参数值，重复以上步骤定义其他杂质分布窗口。利用表中的参

13、数值，重复以上步骤定义其他杂质分布窗口。 2021-7-25浙大微电子 55/117 定义解析杂质浓度分布的步骤如下：定义解析杂质浓度分布的步骤如下： (1) 选择菜单栏中的选择菜单栏中的 Device Analytic Profile Placement； (2) 在在Placement Name栏中输入栏中输入PlaceAP.body； (3) 在在Ref/Win列表中选择列表中选择P-Body； (4) 在在Profile Definition区域中，区域中， 输入输入Gauss.Body到到Name栏中；栏中； (5) 在在Species列表中选择列表中选择 BoronActiveCo

14、ncentration； (6) 在在Peak Concentration栏中输入栏中输入4e16； 2021-7-25浙大微电子 56/117 (7) 在在Peak Position栏中栏中 输入输入0； (8) 在在Junction栏和栏和Depth栏中栏中 分别输入分别输入3.3e14和和3.5； (9) 在在Lateral Diffusion Factor 栏中输入栏中输入0.75； (10) 单击单击Add Placement按钮；按钮； (11) 重复以上步骤分别定义重复以上步骤分别定义 其他区域的解析分布。其他区域的解析分布。 2021-7-25浙大微电子 57/117 13.

15、定义网格细化方案定义网格细化方案 14. 保存设置保存设置 15. 执行设置方案执行设置方案 最终，器件的网格信息和掺杂信息将保存在两个文件最终，器件的网格信息和掺杂信息将保存在两个文件 中，即中，即_msh.grd和和_msh.dat，这些文件可以导入到，这些文件可以导入到 Sentaurus Device中进行后续仿真。中进行后续仿真。 2021-7-25浙大微电子 58/1172021-7-25浙大微电子 59/117 本章内容本章内容 1 集成工艺仿真系统集成工艺仿真系统 Sentaurus Process 2 器件结构编辑工具器件结构编辑工具Sentaurus Structure E

16、ditor 3 器件仿真工具器件仿真工具Sentaurus Device 4 集成电路虚拟制造系统集成电路虚拟制造系统Sentaurus Workbench简介简介 2021-7-25浙大微电子 60/117 Sentaurus Device器件仿真工具简介器件仿真工具简介 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， 内嵌一维、二维和三维器件物理模型，通过数值求解一维、内嵌一维、二维和三维器件物理模型，通过数值求解一维、 二维和三维泊松方程、连续性方程和运输方程，可以准确预二维和三维泊松方程、连续性方程和运输方程，可以准确预 测器件的众多电

17、学参数和电学特性。测器件的众多电学参数和电学特性。Sentaurus Device支持支持 很多器件类型的仿真，包括量子器件，深亚微米很多器件类型的仿真，包括量子器件，深亚微米MOS器件，器件， 功率器件，异质结器件，光电器件等。此外，功率器件，异质结器件，光电器件等。此外，Sentaurus Device还可以实现由多个器件所组成的单元级电路的物理特还可以实现由多个器件所组成的单元级电路的物理特 性分析。性分析。 2021-7-25浙大微电子 61/117 Sentaurus Device 主要物理模型主要物理模型 实现实现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、连续性方程和运输方程。基于以上物模型仍然是泊松方程、连续性方程和运输方程。基于以上物 理模型，派生出了很多二级效应和小尺寸模型，均被添加理模型，派生出了很多二级效应和小尺寸模型，均被添加 Sentaurus Device中。中。 2021-7-25浙大微电子 62/117 (1) 产生产生-复合模型复合模型 产生产生-复合模型描述的是杂质在导带和价带之间交换载流复合模型描述的是杂质在导带和价带之间交换载流 子的过程。产生子的过程。产生-复合模型主要包括：复合模型主要包括： SRH复合模型（肖克莱复合模型），复合模型（肖克莱复合模型）， CDL复合模型，复合

19、模型， 俄歇复合模型，俄歇复合模型， 辐射复合模型，辐射复合模型， 雪崩产生模型，雪崩产生模型， 带间隧道击穿模型等。带间隧道击穿模型等。 2021-7-25浙大微电子 63/117 (2) 迁移率退化模型迁移率退化模型 描述迁移率与掺杂行为有关的模型描述迁移率与掺杂行为有关的模型 Masetti模型、模型、Arora模型和模型和University of Bologna模型模型 描述界面位置处载流子迁移率的退化模型描述界面位置处载流子迁移率的退化模型 Lombardi模型、模型、University of Bologna模型模型 描述载流子描述载流子-载流子散射的模型载流子散射的模型 Con

20、wellWeisskopf模型、模型、BrooksHerring模型模型 描述高内电场条件下的载流子迁移率的退化模型描述高内电场条件下的载流子迁移率的退化模型 Canali模型，转移电子模型，基本模型，模型，转移电子模型，基本模型， MeinerzhagenEngl模型，模型，Lucent模型，速率饱和模型和模型，速率饱和模型和 驱动力模型等驱动力模型等 2021-7-25浙大微电子 64/117 (3) 基于活化能变化的电离模型基于活化能变化的电离模型 常温条件下，浅能级杂质被认为是完全电离的。然而，常温条件下，浅能级杂质被认为是完全电离的。然而， 对于深能级杂质而言（能级深度超过对于深能级

21、杂质而言（能级深度超过0.026eV），则会出现），则会出现 不完全电离的情况。因此，铟（受主杂质）在硅中，氮（施不完全电离的情况。因此，铟（受主杂质）在硅中，氮（施 主）和铝（受主）在碳化硅中，都呈现深能级状态。另外，主）和铝（受主）在碳化硅中，都呈现深能级状态。另外， 若要研究低温条件下的掺杂行为，则会有更多的掺杂剂出于若要研究低温条件下的掺杂行为，则会有更多的掺杂剂出于 不完全电离状态。针对这种研究需求，不完全电离状态。针对这种研究需求，Sentaurus Device 嵌入了基于活化能变化的电离模型。嵌入了基于活化能变化的电离模型。 2021-7-25浙大微电子 65/117 (4)

22、热载流子注入模型热载流子注入模型 热载流子注入模型是用于描述栅漏电流机制的。该模型热载流子注入模型是用于描述栅漏电流机制的。该模型 对于描述对于描述EEPROMs器件执行写操作时可能发生的载流子注器件执行写操作时可能发生的载流子注 入行为来说尤为重要。入行为来说尤为重要。Sentaurus Device提供了两种热载流提供了两种热载流 子注入模型和一个用户自定义模型子注入模型和一个用户自定义模型PMI (Physical Model Interface). 经典的经典的lucky电子注入模型电子注入模型 Fiegna热载流子注入模型热载流子注入模型 2021-7-25浙大微电子 dxdydPP

23、PPyxJIg B E rinssn ),( dsdgfvPqIg B E ins )()()( 66/117 (5) 隧道击穿模型隧道击穿模型 在一些器件中，隧道击穿的发生会导致漏电流的形在一些器件中，隧道击穿的发生会导致漏电流的形 成，对器件的电学性能造成影响。成，对器件的电学性能造成影响。 Sentaurus Device提供三种隧道击穿模型：提供三种隧道击穿模型： 非局域隧道击穿模型非局域隧道击穿模型 （最常用，该模型考虑了载流子的自加热因素，能够进（最常用，该模型考虑了载流子的自加热因素，能够进 行任意形状势垒下的数值求解）行任意形状势垒下的数值求解） 直接隧道击穿模型直接隧道击穿模

24、型 FowlerNordheim隧道击穿模型隧道击穿模型 2021-7-25浙大微电子 67/117 (6) 应力模型应力模型 器件结构内部机械应力的变化，可以影响材料的功函数、器件结构内部机械应力的变化，可以影响材料的功函数、 界面态密度、载流子迁移率能带分布和漏电流等。局部区域界面态密度、载流子迁移率能带分布和漏电流等。局部区域 应力的变化往往是由于高温热驱动加工的温变作用或材料属应力的变化往往是由于高温热驱动加工的温变作用或材料属 性的不同产生的。性的不同产生的。 应力变化引起的能带结构变化，可以由以下模型进行分析：应力变化引起的能带结构变化，可以由以下模型进行分析： 应力变化引起的载流

25、子迁移率的变化应力变化引起的载流子迁移率的变化，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浙大微电子 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、了四种量子化模型。提供了四种量子化模型。 Van Dot模型模型 Van Dot模型仅适用于硅基模型仅适用于硅基MOSFET器件的仿真。使用器件的仿真。使用 该模型可以较好地描述器件内部的量子化效应及其在最终特该模型可以较好地描述器件内部的量子化效应及其在最终特 性中的反映。性中的反映。 一维薛定谔方程一维薛定谔方程 一维薛定谔方程可以用来进行一维薛定谔方程可以用来进行MOSFET、量子阱和超薄、量子阱和超薄 SOI结特性的仿真。结特性的仿真。 2021-7-25浙大微电子 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结

27、构的仿结构的仿 真，可以描述器件的最终特性以及器件内的电荷分布。该模真，可以描述器件的最终特性以及器件内的电荷分布。该模 型可以描述二维和三维的量子效应。型可以描述二维和三维的量子效应。 修正后的局部密度近似模型修正后的局部密度近似模型 该模型数值计算效率较高，比较适用于三维器件的物理特该模型数值计算效率较高，比较适用于三维器件的物理特 性仿真。性仿真。 2021-7-25浙大微电子 70/117 Sentaurus Device仿真实例仿真实例 一个标准的一个标准的Sentaurus Device输入文件由以下几部输入文件由以下几部 分组成，包括分组成，包括File、Electrode、Ph

28、ysics、Plot、Math和和 Solve，每一部分都执行一定的功能。输入文件缺省的扩，每一部分都执行一定的功能。输入文件缺省的扩 展名为展名为_des.cmd。 2021-7-25浙大微电子 71/117 1. VDMOS器件雪崩击穿电压的仿真器件雪崩击穿电压的仿真 器件的雪崩击穿电压相比与其他电学参数，比较难模拟。器件的雪崩击穿电压相比与其他电学参数，比较难模拟。 因为在器件即将击穿时，即使是很小的电压变化都可能导致因为在器件即将击穿时，即使是很小的电压变化都可能导致 漏电流的急剧增加，有些时候甚至会产生回滞现象。因此，漏电流的急剧增加，有些时候甚至会产生回滞现象。因此， 在这种情况下

29、，进行雪崩击穿电压模拟计算时很难获得一个在这种情况下，进行雪崩击穿电压模拟计算时很难获得一个 收敛解。而在漏电极上串联一个大电阻可以有效的解决这个收敛解。而在漏电极上串联一个大电阻可以有效的解决这个 不收敛问题。不收敛问题。 在本例中，在本例中，Sentaurus Device调用了之前调用了之前Sentaurus Process产生的输出文件，该文件中包含了掺杂信息，网格产生的输出文件，该文件中包含了掺杂信息，网格 信息和电极定义信息。信息和电极定义信息。 2021-7-25浙大微电子 72/117 (1) File 该文件定义部分指定了完成器件模拟所需要的输入文件该文件定义部分指定了完成器

30、件模拟所需要的输入文件 和输出文件。和输出文件。 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浙大微电子 73/117 (2) Electrode 该电极定义部分用来定义该电极定义部分用来定义Sentaurus Device模拟中器件所模拟中器件所 有电极的偏置电压起始值以及边界条件等。有电极的偏置电压起始值以及边界条件等。 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浙大微电子 74/117 (3) Physics 该命令段定义了该命令段定义了Sentaurus Device模拟中选定的器件物理模型。模拟中选定的器件物理模型。 Physics EffectiveIntrinsicDensity( BandGapNarrowing OldSlotboom ) Mobility( DopingDep eHighFieldsaturation( GradQua

32、siFermi ) hHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ) Enormal ) Recombination( SRH( DopingDep ) eAvalanche( Eparallel) hAvalanche( Eparallel ) ) 2021-7-25浙大微电子 75/117 (4) Plot Plot命令段用于完成设置所需的命令段用于完成设置所需的Sentaurus Device模拟输模拟输 出绘图结果。这些输出结果可以通过调用出绘图结果。这些输出结果可以通过调用Tecplot SV查阅。查阅。 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浙大微电子 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浙大微电子 77/117 (5) Math 该命令段用来设置数值求解算法。该命令段用来设置数值求解算法。 Math Extrapolate Avalderivatives Iterations=20 Notdamped=100 RelErrControl BreakCriteria Current(Contact=“Drain” AbsVal=0.8e-7) CNormPrint 2021-7-25浙大微电子 78/117 Avalderivatives参数表示开启计算由于雪崩击穿产生的参数表示开启计算由于雪崩击穿产生的 解析导数；解析导数； Iterations定义了诺顿计算中最大的

36、迭代次数；定义了诺顿计算中最大的迭代次数； Notdamped=100表示在前表示在前100次诺顿迭代计算中采用无次诺顿迭代计算中采用无 阻尼计算模式。阻尼计算模式。 2021-7-25浙大微电子 79/117 (6) Solve 该命令段用于设置完成数值计算所需要经过的计算过程。该命令段用于设置完成数值计算所需要经过的计算过程。 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浙大微电子 80/117 Goal Name=“ Drain” Voltage=600 ) Coupled Poisson Electron Hole CoupledPoisson Electron Hole 调用了泊松方程、电子连续方程和空穴连续方程。调用了泊松方程、电子连续方程和空穴连续方程。 Quasistationary定义用户要求得到准静态解。定义用户要求得到准静态解。 2021-7-25浙大微电子 81/1172021-7-25浙大微电子 82/117 2. VDMOS器件漏极

38、电学特性仿真器件漏极电学特性仿真 本例子模拟了本例子模拟了VDMOS器件的器件的Vd-Id特性。其中栅极偏置特性。其中栅极偏置 电压定义为电压定义为10V，而漏极偏置电压从，而漏极偏置电压从0V扫描到扫描到10V。 2021-7-25浙大微电子 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浙大微电子 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浙大微电子 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浙大微电子 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浙大微电子 87/117 (5) Math Math Extrapolate RelErrcontrol directcurrentcomput 其中其中directcurrentcomput参数定义直接计算电极电流。参数定义直接计算电极电流。 2021-7-25浙大微电子 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浙大微电子 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浙大微电子 90/1172021-7-25浙大微电子 91/117 3、收敛性问题收敛性问题 迭代次数不够迭代次数不够 电学边界条件设置不好引

43、起的不收敛电学边界条件设置不好引起的不收敛 初始解的不收敛初始解的不收敛 工艺仿真中网格设置得不好工艺仿真中网格设置得不好 2021-7-25浙大微电子 92/117 迭代次数不够迭代次数不够 设置的判别不收敛的条件太过苛刻设置的判别不收敛的条件太过苛刻 这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一 ： 误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于1 之前，却因为迭代次数上限达到而结束。之前，却因为迭代次数上限达到而结束。 迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小值，迭代失败的次数很少，但是

44、仿真步长很快就达到了最小值， 仿真结束。仿真结束。 2021-7-25浙大微电子 93/117 解决方法解决方法 (1). Iterations尽量设置的大一点尽量设置的大一点 (2). 设定设定minstep 和和 interations，minstep的数值至少比的数值至少比 initialstep少少3个数量级个数量级 Math Iterations =50 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl 2021-7-25浙大微电子 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浙大微电子 95/117 电学边界条件设置不好引起的不收敛电学边界条件设置不好引起的不收敛 这种情况一般发生在雪崩击穿电压的附近，无法完成成这种情况一般发生在雪崩击穿电压的附近，无法完成成 低压区到雪崩击穿区的转变。低压区到雪崩击穿区的转变。 2021-7-25浙大微电子 96/117 产生原因：击穿点附

46、近，电流变化太迅速，基于原来的初始产生原因：击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始 解解A，通过一个仿真步长，电压变化，通过一个仿真步长，电压变化V，此时假定下一点处，此时假定下一点处 于于B点，而假定点点，而假定点B和真实点和真实点C之间的电流变化量之间的电流变化量I太大，程太大，程 序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛。序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛。 2021-7-25浙大微电子 97/117 解决方法解决方法 Electrode Name=anode Voltage=0.0 resistor=3e9 Name=cathodeVoltage=0.0 Name=sub

47、 Voltage=0.0 2021-7-25浙大微电子 98/117 初始解的不收敛初始解的不收敛 初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛：初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛： 由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的时由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的时 候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难；候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难； 由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解。由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解。 2021-7-25浙大微电子 99/117 的解决方法的解决方法 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浙大微电子 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浙大微电子 101/117 工艺仿真中网格设置得不好工艺仿真中网格设置得不好 解决方法解决方法: 调整优化网格调整优化网格 2021-7-25浙大微电子 102/117 本章内容本章内容 1 集成

50、工艺仿真系统集成工艺仿真系统 Sentaurus Process 2 器件结构编辑工具器件结构编辑工具Sentaurus Structure Editor 3 器件仿真工具器件仿真工具Sentaurus Device 4 集成电路虚拟制造系统集成电路虚拟制造系统Sentaurus Workbench简介简介 2021-7-25浙大微电子 103/117 虚拟制造系统虚拟制造系统Sentaurus Workbench简介简介 Sentaurus Workbench（SWB）简介）简介 Sentaurus Workbench基于集成化架构模式来组织、实基于集成化架构模式来组织、实 施施TCAD仿真

51、项目的设计和运行仿真项目的设计和运行，为用户提供了图形化界为用户提供了图形化界 面面，可完成系列化仿真工具软件可完成系列化仿真工具软件，以参数化形式实现以参数化形式实现TCAD 项目的优化工程。项目的优化工程。Sentaurus Workbench支持实验设计优支持实验设计优 化，参数提取，结果分析，参数优化等，实现了集成化的化，参数提取，结果分析，参数优化等，实现了集成化的 任务安排，从而最大限度地利用了可计算资源，加速了任务安排，从而最大限度地利用了可计算资源，加速了 TCAD仿真项目的运行。仿真项目的运行。 2021-7-25浙大微电子 104/117 创建和运行仿真项目创建和运行仿真项

52、目 1. 建立新的仿真项目建立新的仿真项目 在菜单中选择在菜单中选择Project New。 2. 构造仿真流程构造仿真流程 在在Family Tree视图下，在视图下，在No Tools处右击鼠标。然后在处右击鼠标。然后在 弹出的对话中，单击弹出的对话中，单击Tools按钮，在按钮，在Select DB Tool菜单中菜单中 选择选择sprocess工具。工具。 2021-7-25浙大微电子 105/117 3. 导入卡命令文件导入卡命令文件 （1）在）在Sentaurus Process图标按钮处点击鼠标右键，选图标按钮处点击鼠标右键，选 择择Import File Commands。 （

53、2）在弹出的）在弹出的Import Flow File对话框中，找到需要的工对话框中，找到需要的工 艺卡命令文件。艺卡命令文件。 （3）单击）单击Open按钮。按钮。 另外，在工艺文件中，最终的器件结构信息文件应该另外，在工艺文件中，最终的器件结构信息文件应该 保存为节点格式，即保存为节点格式，即struct smesh=nnode。 2021-7-25浙大微电子 106/117 4. 添加其它仿真工具添加其它仿真工具 重复以上操作步骤，依次添加所需要的仿真工具，如重复以上操作步骤，依次添加所需要的仿真工具，如 Sentaurus Structure Editor、Sentaurus Device、Inspect 等，并依次导入对应的卡命令文件。需要注意的是，在等，并依次导入对应的卡命令文件。需要注意的是，在 Sentaurus Structure Editor中，最终的结构需要保存为中，最终的结构需要保存为 “nnode_msh”格式，而在格式，而在Sentaurus Device中，该文中，该文 件 可 以 由 以 下 语 句 导 入 ， 即件 可 以 由 以 下 语 句 导 入 ， 即 g r i d = “ t d r ” 。 2021-7-25浙大微电子 107/117 5. 添加实验参数添加实验参数 在在Sentaurus Workbench中，用户可以定义和添加