第 章 半导体工艺及器件仿真工具Sentaurus TCAD课件

第1章

可制造性设计工具

SentaurusTCAD

第1章

可制造性设计工具

SentaurusTCAD1Sentaurus简介SentaurusTCAD全面继承了Tsuprem4，Medici和ISE-TCAD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。SentaurusTCAD提供全面的产品套件，其中包括SentaurusWorkbench,Ligament,SentaurusProcess,SentaurusStructureEditor,MeshNoffset3D,SentaurusDevice,Tecplot

SV，Inspect,AdvancedCalibration等等。2022/11/52浙大微电子Sentaurus简介SentaurusTCAD全面继承了Sentaurus简介SentaurusProcess和SentaurusDevice可以支持的仿真器件类型非常广泛，包括CMOS，功率器件，存储器，图像传感器，太阳能电池，和模拟/射频器件。SentaurusTCAD还提供互连建模和参数提取工具，为优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。2022/11/53浙大微电子Sentaurus简介SentaurusProcess和S

SentaurusTCAD的启动运行

vncviewer在xterm中输入：source/opt/demo/sentaurus.envGENESISe&2022/11/54浙大微电子SentaurusTCAD的启动运行vncviewer2022/11/55浙大微电子2022/11/25浙大微电子2022/11/56浙大微电子2022/11/26浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcess

2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介

2022/11/57浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProc本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcess

2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介

2022/11/58浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcSentaurusProcess工艺仿真工具简介

SentaurusProcess是当前最为先进的工艺仿真工具，它将一维，二维和三维仿真集成于同一平台中，并面向当代纳米级集成电路工艺制程，全面支持小尺寸效应的仿真与模拟。SentaurusProcess在保留传统工艺仿真软件运行模式的基础上，又做了一些重要的改进。2022/11/59浙大微电子SentaurusProcess工艺仿真工具简介2022增加了模型参数数据库浏览器（PDB），为用户提供了

修改模型参数和增加模型的方便途径。增加了一维模拟结果输出工具Inspect和二维、三维模拟结

果输出工具（TecplotSV）。增加了小尺寸模型。这些小尺寸模型主要有：

高精度刻蚀模型，基于MonteCarlo的离子扩散模型，注入损伤模型，离子注入校准模型等等。增加了这些小尺寸模型，提高了工艺软件的仿真精度，适应了半导体工艺发展的需求。2022/11/510浙大微电子增加了模型参数数据库浏览器（PDB），为用户提供了2022SentaurusProcess基本命令介绍

用户可以通过输入命令指导SentaurusProcess的执行。而这些命令可以通过输入命令文件或者用户终端直接输入。2022/11/511浙大微电子SentaurusProcess基本命令介绍(1)文件说明及控制语句exit:用于终止SentaurusProcess的运行。fbreak:使仿真进入交互模式。fcontinue:重新执行输入文件。fexec:执行系统命令文件。interface:返回材料的边界位置。load:从文件中导入数据信息并插入到当前网格。logfile:将注释信息输出到屏幕以及日志文件中。mater:返回当前结构中的所有材料列表，或在原列表中增加新的材料。mgoals:使用MGOALS引擎设置网格参数。2022/11/512浙大微电子(1)文件说明及控制语句2022/11/212浙大微电子(2)器件结构说明语句init:设置初始网格和掺杂信息。region:指定结构中特定区域的材料。line:指定网格线的位置和间距。grid:执行网格设置的命令。substrate_profile:定义器件衬底的杂质分布。polygon:描述多边形结构。point:描述器件结构中的一个点。doping:定义线性掺杂分布曲线。profile:读取数据文件并重建数据区域。refinebox:设置局部网格参数，并用MGOALS库进行细化。bound:提取材料边界并返回坐标列表。contact:设置电极信息。

2022/11/513浙大微电子(2)器件结构说明语句2022/11/213浙大微电子(3)工艺步骤说明语句deposit:

用于淀积一个新的层次。diffuse:用于高温扩散和高温氧化。etch:用于刻蚀。implant:

实现离子注入。mask:

用于定义掩膜版。photo:淀积光刻胶。strip:去除表面的介质层。stress:用于计算应力。2022/11/514浙大微电子(3)工艺步骤说明语句2022/11/214浙大微电子(4)模型和参数说明语句

beam:给出用于离子束刻蚀的模型参数。

gas_flow:设置扩散步骤中的气体氛围。

kmc:设定蒙特卡罗模型。

pdbNewMaterial：用于引入新的材料。

pdbGet:用于提取数据库参数。

pdbSet:用于完成数据库参数的修改。

SetFastMode:忽略扩散和模特卡罗注入模型，加快仿真速度。

SetTemp:设置温度。

solution:求解或设置求解参数。

strain_profile:定义因掺杂引入的张力变化。

temp_ramp:定义扩散过程中的温度变化。

update_substrate:设置衬底中的杂质属性，张力，晶格常量等信息。2022/11/515浙大微电子(4)模型和参数说明语句

beam:给出用于离子束刻蚀的(5)输出说明语句color:用于设定、填充被仿真的器件结构中某特定区域杂质浓度等值曲线的颜色。contour:用于设置二维浓度剖面等值分布曲线的图形输出。graphics:启动或更新SentaurusProcess已经设置的图形输出。layers:用于打印器件结构材料的边界数据和相关数据。print.1d:沿器件结构的某一维方向打印相关数据。plot.1d:沿器件结构的某一维方向输出某些物理量之间的变化曲线。plot.2d:输出器件结构中二维浓度剖面分布曲线。plot.tec:启动或更新SentaurusProcess–TecplotSV所输出的一维、二维和

三维图形。print.data:以x、y、z的坐标格式打印数据。writePlx:设置输出一维掺杂数据文件。struct:设置网格结构及求解信息。2022/11/516浙大微电子(5)输出说明语句2022/11/216浙大微电子SentaurusProcess中的小尺寸模型

(1)离子注入模型解析注入模型或蒙特卡罗（MC）注入模型可以用来计算离子注入的分布情况及仿真所造成的注入损伤程度。为满足现代集成工艺技术发展的需求，SentaurusProcess添加了很多小尺寸模型，如掺杂剂量控制模型（Beamdosecontrol）、杂质剖面改造模型（Profilereshaping）、有效沟道抑制模型（Effectivechannellingsuppression）无定型靶预注入模型（Preamorphiza-tionimplants，PAI）等等。2022/11/517浙大微电子SentaurusProcess中的小尺寸模型(1)(2)扩散模型

SentaurusProcess仿真高温扩散的主要模型有：杂质选择性扩散模型、引入了杂质活化效应对杂质迁移的影响，也间接地覆盖了热扩散工艺中产生的缺陷对杂质的影响，适于模拟特征尺寸小于100nm的扩散工艺。杂质激活模型、杂质激活模型主要是考虑了掺杂过程中，缺陷、氧化空位及硅化物界面态所引发的杂质激活效应。缺陷对杂质迁移的影响，表面介质的移动、掺杂对内部电场的影响等等。2022/11/518浙大微电子(2)扩散模型SentaurusProcess(3)对局部微机械应力变化计算的建模

随着器件尺寸的进一步缩小，器件内部机械应力的变化会使材料的禁带宽度发生变化，使得杂质扩散速率以及氧化速率等也发生相应变化，从而使得局部热生长氧化层产生形状变异。

SentaurusProcess包含了很多引起微机械应力变化的机制，包括热失配，晶格失配以及由于材料淀积、刻蚀引起的应力变化等等。2022/11/519浙大微电子(3)对局部微机械应力变化计算的建模随着SentaurusProcess仿真实例

(1)定义二维初始网格linexlocation=0.00spacing=0.01tag=SiToplinexlocation=0.50spacing=0.01linexlocation=0.90spacing=0.10linexlocation=1.30spacing=0.25linexlocation=4.00spacing=0.25linexlocation=6.00spacing=0.50linexlocation=10.0spacing=2.50linexlocation=15.0spacing=5.00linexlocation=44.0spacing=10.0tag=SiBottomlineylocation=0.00spacing=0.50tag=Leftlineylocation=7.75spacing=0.50tag=Right2022/11/520浙大微电子SentaurusProcess仿真实例(1)定义二(2)开启二维输出结果调阅工具TecplotSV界面

graphicson(3)激活校准模型

AdvancedCalibration(4)开启自适应网格

pdbSetGridAdaptive1(5)定义仿真区域并对仿真区域进行初始化

regionsiliconxlo=SiTopxhi=SiBottomylo=Leftyhi=Rightinitfield=Asresistivity=14wafer.orient=1002022/11/521浙大微电子(2)开启二维输出结果调阅工具TecplotSV界面202022/11/522浙大微电子2022/11/222浙大微电子(6)定义网格细化规则

mgoalsonmin.normal.size=10<nm>max.lateral.size=2<um>\normal.growth.ratio=1.2accuracy=2e-5

mgoals命令在初始网格的基础上来重新定义网格。网格的调整只是针对新的层或新生成的表面区域。mgoals命令中的min.normal.size用来定义边界处的网格最小间距，离开表面后将按照normal.growth.ratio确定的速率变化。而max.lateral.size定义了边界处网格的最大横向间距。Accuracy为误差精度。2022/11/523浙大微电子(6)定义网格细化规则2022/11/223浙大微电子(7)在重要区域进一步优化网格

refineboxmin={2.50}max={31}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={2.51}max={23}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={01.7}max={0.22.9}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={03}max={2.55}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladd2022/11/524浙大微电子(7)在重要区域进一步优化网格2022/11/224浙大微(8)生长薄氧层gas_flowname=O2_HCLpressure=1<atm>\flows={O2=4.0<l/min>HCl=0.03<l/min>}diffusetemperature=950<C>time=25<min>\gas_flow=O2_HCL(9)JFET注入

maskname=JFET_maskleft=0<um>right=6.75<um>implantPhosphorusmask=JFET_maskdose=1.5e12\energy=100<keV>diffusetemp=1170<C>time=180<min>maskclear2022/11/525浙大微电子(8)生长薄氧层2022/11/225浙大微电子(10)保存一维掺杂文件

SetPlxList{AsTotalPTotal}WritePlxepi.plxy=7silicon

在SetPlxList命令中，将砷和磷的掺杂分布做了保存。在WritePlx命令中，指定保存y=7um处的掺杂分布曲线。最终保存为一维掺杂分布曲线。2022/11/526浙大微电子(10)保存一维掺杂文件2022/11/226浙大微电子2022/11/527浙大微电子2022/11/227浙大微电子(11)生长栅氧化层etchoxidetype=anisotropicthickness=0.5<um>gas_flowname=O2_1_HCL_1_H2pressure=1<atm>/Flows={O2=10.0<l/min>H2=5.0<l/min>HCl=0.03<l/min>}diffusetemperature=1000<C>time=17<min>/gas_flow=O2_1_HCL_1_H2(12)制备多晶硅栅极

depositpolytype=anisotropicthickness=0.6<um>maskname=gate_maskleft=2.75<um>right=8<um>etchpolytype=anisotropicthickness=0.7<um>/mask=gate_maskmaskclear2022/11/528浙大微电子(11)生长栅氧化层2022/11/228浙大微电子(13)形成P-body区域

implantBorondose=2.8e13energy=80<keV>diffusetemp=1170<C>time=120<min>2022/11/529浙大微电子(13)形成P-body区域2022/11/229浙大微电(14)形成P+接触区域maskname=P+_maskleft=0.85<um>right=8<um>implantBoronmask=P+_maskdose=1e15energy=60<keV>diffusetemp=1100<C>time=100<min>maskclear(15)形成源区域maskname=N+_maskleft=0<um>right=1.75<um>maskname=N+_maskleft=2.75<um>right=8<um>implantAsmask=N+_maskdose=5e15energy=60<keV>maskclear2022/11/530浙大微电子(14)形成P+接触区域2022/11/230浙大微电子(16)制备侧墙区depositnitridetype=isotropicthickness=0.2<um>etchnitridetype=anisotropicthickness=0.25<um>etchoxidetype=anisotropicthickness=100<nm>diffusetemperature=950<C>time=25<min>

(17)制备铝电极depositAluminumtype=isotropicthickness=0.7<um>maskname=contacts_maskleft=0<um>right=2.5<um>etchAluminumtype=anisotropicthickness=2.5<um>/mask=contacts_maskmaskclear2022/11/531浙大微电子(16)制备侧墙区2022/11/231浙大微电子(18)定义电极

contactname=Gatex=-0.5y=5replacepointcontactname=Sourcex=-0.5y=1replacepointcontactname=Drainbottom(19)保存完整的器件结构structtdr=vdmos_finalstructsmesh=500vdmos_final2022/11/532浙大微电子(18)定义电极2022/11/232浙大微电子2022/11/533浙大微电子2022/11/233浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcess

2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介

2022/11/534浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcSentaurusStructureEditor(SDE)器件结构编辑工具简介

SDE是基于二维和三维器件结构编辑的集成环境，可生成或编辑二维和三维器件结构，用于与Process工艺仿真系统的结合。在SentaurusTCAD系列仿真工具中，SDE工具是必不可少的。因为在使用SentaurusProcess执行完工艺仿真后，必须使用SDE将Process工艺仿真阶段生产的电极激活，并调入Process仿真过渡来的掺杂信息，进行网格细化处理后，才能进行下一步的器件物理特性模拟。2022/11/535浙大微电子SentaurusStructureEditor(SD完成从SentaurusProcess到SentaurusDevice的接口转换1在命令提示符下输入：sde，启动SentaurusStructureEditor工具。2调入边界文件：File>Import，该结构文件可以是DF-ISE格式，也可以是TDR格式。3激活电极。（1）在选取类型列表中选择SelectFace；（2）在电极列表中选择需要激活的电极名；（3）在器件结构中选择电极区域；2022/11/536浙大微电子完成从SentaurusProcess到Sentaurus2022/11/537浙大微电子2022/11/237浙大微电子（4）在菜单中选择：Device>Contacts>ContactSets，

电极设置对话框如图所示；（5）在DefinedContactSets中选择电极，同时可以设置电极颜色，边缘厚度和类型等信息；（6）单击Activate按钮；（7）单击Close关闭对话框。同样重复以上步骤，可以完成其他电极的定义和激活。2022/11/538浙大微电子（4）在菜单中选择：Device>Contacts>4保存设置：File>SaveModel5载入掺杂数据信息。载入方式为：Device>ExternalProfilePlacement。外部掺杂信息设置对话框如图所示。在Name栏中输入Doping。在GeometryFile栏中载入工艺仿真后生成的网格数据文件（若保存格式为DF-ISE，应选择.gds文件;若保存格式为TDR，应选择.tdr文件）。在DataFiles栏中点击Browser按钮并选择掺杂数据文件（若保存格式为DF-ISE，应选择.dat文件;若保存格式为TDR，应选择.tdr文件）,单击Add按钮，载入掺杂数据文件。最后，单击AddPlacement按钮。2022/11/539浙大微电子4保存设置：File>SaveModel2022/2022/11/540浙大微电子2022/11/240浙大微电子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

重新设置，以增加仿真精度和收敛性。操作如下：

Mesh>DefineRef/EvalWindow>Cuboid

2022/11/541浙大微电子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2027定义网格细化方案选择菜单栏中的Mesh>RefinementPlacement。在网格细化设置对话框中，选择Ref/Win选项，并选择上一步定义的网格细化窗口。根据仿真精度要求，设置maxelementsize和minelementsize参数。单击AddPlacement按钮。2022/11/542浙大微电子7定义网格细化方案2022/11/242浙大微电子2022/11/543浙大微电子2022/11/243浙大微电子8执行设置方案。选择菜单栏中的Mesh>BuildMesh，输入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，并单击BuildMesh按钮，SDE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3个数据文件：

_msh.grd,_msh.dat和_msh.log。2022/11/544浙大微电子8执行设置方案。2022/11/244浙大微电子2022/11/545浙大微电子2022/11/245浙大微电子创建三维结构1.SDE环境初始化：File>New；2.设置精确坐标模式：Draw>ExactCoordinates；3.选择器件材料SentaurusStructureEditor所使用的材料都在Material列表中进行选择；4.选择默认的Boolean表达式在菜单中选择Draw>OverlapBehavior>NewReplacesOld；5.关闭自动命名器件结构区域模式

Draw>AutoRegionNaming；2022/11/546浙大微电子创建三维结构1.SDE环境初始化：File>New6.创建立方体区域(1)选择IsometricView(ISO)，改为三维绘图模式。(2)在菜单栏中选择Draw>Create3DRegion>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对话框，输入（000）和（7.75443），然后单击OK按钮。2022/11/547浙大微电子6.创建立方体区域2022/11/247浙大微电子(4)在SDE对话框中输入结构区域的名称Epitaxy，单击OK按钮。

2022/11/548浙大微电子(4)在SDE对话框中输入结构区域的名称Epitaxy，单7.改变Boolean表达式在菜单栏中选择Draw>OverlapBehavior>OldReplacesOld。8.创建其他区域器件的其他区域，即栅氧层，多晶硅栅，侧墙以及电极区域都可以用同样的方法来创建。

2022/11/549浙大微电子7.改变Boolean表达式2022/11/249浙大微电2022/11/550浙大微电子2022/11/250浙大微电子9.定义电极在这里，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(1)选择菜单栏中的

Device>ConstantProfilePlacement；(2)在PlacementName栏中输入PlaceCD.epi；(3)在PlacementTypegroup框中，选择Region，并在列表中选择Epitaxy；(4)在ConstantProfileDefinition框中，输入Const.Epi到Name栏中；(5)在Species栏中选择

ArsenicActiveConcentration；2022/11/551浙大微电子9.定义电极2022/11/251浙大微电子(6)在Concentration栏中输入3.3e14；(7)单击AddPlacement按钮；(8)重复以上步骤定义多晶硅栅的掺杂浓度为1e20；(9)单击Close关闭窗口。2022/11/552浙大微电子(6)在Concentration栏中2022/11/2511.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：(1)选择菜单栏中的Draw>ExactCoordinates；(2)Mesh>DefineRef/EvalWindow>Rectangle；(3)在视窗中，拖动一个矩形区域；(4)在ExactCoordinates对话框中，输入(00)和(2.753.5)，以定义杂质分布窗口坐标；2022/11/553浙大微电子11.定义解析杂质浓度分布2022/11/253浙大微电子(5)单击OK；(6)在接着弹出的对话框中，输入P-Body作为杂质分布窗口的

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。2022/11/554浙大微电子(5)单击OK；2022/11/254浙大微电子定义解析杂质浓度分布的步骤如下：(1)选择菜单栏中的

Device>AnalyticProfilePlacement；(2)在PlacementName栏中输入PlaceAP.body；(3)在Ref/Win列表中选择P-Body；(4)在ProfileDefinition区域中，输入Gauss.Body到Name栏中；(5)在Species列表中选择

BoronActiveConcentration；(6)在PeakConcentration栏中输入4e16；2022/11/555浙大微电子定义解析杂质浓度分布的步骤如下：2022/11/255浙大微(7)在PeakPosition栏中输入0；(8)在Junction栏和Depth栏中分别输入3.3e14和3.5；(9)在LateralDiffusionFactor

栏中输入0.75；(10)单击AddPlacement按钮；(11)重复以上步骤分别定义其他区域的解析分布。2022/11/556浙大微电子(7)在PeakPosition栏中2022/11/2513.定义网格细化方案14.保存设置15.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中，即_msh.grd和_msh.dat，这些文件可以导入到SentaurusDevice中进行后续仿真。2022/11/557浙大微电子13.定义网格细化方案2022/11/257浙大微电子2022/11/558浙大微电子2022/11/258浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcess

2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介

2022/11/559浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcSentaurusDevice器件仿真工具简介

SentaurusDevice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、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学参数和电学特性。SentaurusDevice支持很多器件类型的仿真，包括量子器件，深亚微米MOS器件，功率器件，异质结器件，光电器件等。此外，SentaurusDevice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。2022/11/560浙大微电子SentaurusDevice器件仿真工具简介2022/1SentaurusDevice主要物理模型

实现SentaurusDevice器件物理特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。基于以上物理模型，派生出了很多二级效应和小尺寸模型，均被添加SentaurusDevice中。2022/11/561浙大微电子SentaurusDevice主要物理模型(1)产生-复合模型产生-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-复合模型主要包括：SRH复合模型（肖克莱复合模型），CDL复合模型，俄歇复合模型，辐射复合模型，雪崩产生模型，带间隧道击穿模型等。2022/11/562浙大微电子(1)产生-复合模型2022/11/262浙大微电子(2)迁移率退化模型描述迁移率与掺杂行为有关的模型

Masetti模型、Arora模型和UniversityofBologna模型描述界面位置处载流子迁移率的退化模型

Lombardi模型、UniversityofBologna模型描述载流子-载流子散射的模型

Conwell–Weisskopf模型、Brooks–Herring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，Meinerzhagen–Engl模型，Lucent模型，速率饱和模型和驱动力模型等2022/11/563浙大微电子(2)迁移率退化模型描述迁移率与掺杂行为有关的模型2022(3)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，对于深能级杂质而言（能级深度超过0.026eV），则会出现不完全电离的情况。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，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，SentaurusDevice嵌入了基于活化能变化的电离模型。2022/11/564浙大微电子(3)基于活化能变化的电离模型常温条件下(4)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。该模型对于描述EEPROMs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。SentaurusDevice提供了两种热载流子注入模型和一个用户自定义模型PMI(PhysicalModelInterface).经典的lucky电子注入模型Fiegna热载流子注入模型

2022/11/565浙大微电子(4)热载流子注入模型热载流子注入模型是用于(5)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成，对器件的电学性能造成影响。SentaurusDevice提供三种隧道击穿模型：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，能够进行任意形状势垒下的数值求解）直接隧道击穿模型Fowler–Nordheim隧道击穿模型2022/11/566浙大微电子(5)隧道击穿模型在一些器件中，隧道击穿(6)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、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：

应力变化引起的载流子迁移率的变化，由以下公式描述：

2022/11/567浙大微电子(6)应力模型器件结构内部机械应力的变(7)量子化模型SentaurusDevice提供了四种量子化模型。VanDot模型

VanDot模型仅适用于硅基MOSFET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性中的反映。一维薛定谔方程一维薛定谔方程可以用来进行MOSFET、量子阱和超薄SOI结特性的仿真。

2022/11/568浙大微电子(7)量子化模型SentaurusDevice密度梯度模型密度梯度模型用于MOSFET器件、量子阱和SOI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。

2022/11/569浙大微电子密度梯度模型2022/11/269浙大微电子SentaurusDevice仿真实例

一个标准的SentaurusDevice输入文件由以下几部分组成，包括File、Electrode、Physics、Plot、Math和Solve，每一部分都执行一定的功能。输入文件缺省的扩展名为_des.cmd。2022/11/570浙大微电子SentaurusDevice仿真实例一1.VDMOS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。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，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不收敛问题。在本例中，SentaurusDevice调用了之前SentaurusProcess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。2022/11/571浙大微电子1.VDMOS器件雪崩击穿电压的仿真器件的(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和输出文件。

File{*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“BV_des.dat”Current=“BV_des.plt”Output=“BV_des.log”}2022/11/572浙大微电子(1)File2022/11/272浙大微电子(2)Electrode

该电极定义部分用来定义SentaurusDevice模拟中器件所有电极的偏置电压起始值以及边界条件等。

Electrode{{Name=“Source”Voltage=0.0}{Name=“Drain”Voltage=0.0Resistor=1e7}{Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55}}2022/11/573浙大微电子(2)Electrode2022/11/273浙大微电子(3)Physics

该命令段定义了SentaurusDevice模拟中选定的器件物理模型。

Physics{EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowingOldSlotboom)Mobility(DopingDepeHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)hHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)Enormal)Recombination(SRH(DopingDep)eAvalanche(Eparallel)hAvalanche(Eparallel))}2022/11/574浙大微电子(3)Physics2022/11/274浙大微电子(4)PlotPlot命令段用于完成设置所需的SentaurusDevice模拟输出绘图结果。这些输出结果可以通过调用Tecplot

SV查阅。

Plot{eDensityhDensityTotalCurrent/VectoreCurrent/VectorhCurrent/VectoreMobilityhMobilityeVelocityhVelocityeQuasiFermihQuasiFermieTemperatureTemperature*hTemperatureElectricField/VectorPotentialSpaceChargeDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration2022/11/575浙大微电子(4)Plot2022/11/275浙大微电子*--Generation/RecombinationSRHBand2Band*AugerAvalancheGenerationeAvalancheGenerationhAvalancheGeneration*--DrivingforceseGradQuasiFermi/VectorhGradQuasiFermi/VectoreEparallelhEparalleleENormalhENormal*--Bandstructure/CompositionBandGapBandGapNarrowingAffinityConductionBandValenceBandeQuantumPotential}2022/11/576浙大微电子*--Generation/Recombination202(5)Math该命令段用来设置数值求解算法。Math{ExtrapolateAvalderivativesIterations=20Notdamped=100RelErrControlBreakCriteria{Current(Contact=“Drain”AbsVal=0.8e-7)}CNormPrint}2022/11/577浙大微电子(5)Math2022/11/277浙大微电子Avalderivatives参数表示开启计算由于雪崩击穿产生的解析导数；

Iterations定义了诺顿计算中最大的迭代次数；

Notdamped=100表示在前100次诺顿迭代计算中采用无阻尼计算模式。2022/11/578浙大微电子Avalderivatives参数表示开启计算由于雪崩击穿产(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。

Solve{*-Build-upofinitialsolution:Coupled(Iterations=100){Poisson}Coupled{PoissonElectronHole}Quasistationary(InitialStep=1e-4Increment=1.35MinStep=1e-5MaxStep=0.0252022/11/579浙大微电子(6)Solve2022/11/279浙大微电子Goal{Name=“Drain”Voltage=600}){Coupled{PoissonElectronHole}}}Coupled{PoissonElectronHole}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。

2022/11/580浙大微电子Goal{Name=“Drain”Voltage=62022/11/581浙大微电子2022/11/281浙大微电子2.VDMOS器件漏极电学特性仿真本例子模拟了VDMOS器件的Vd-Id特性。其中栅极偏置电压定义为10V，而漏极偏置电压从0V扫描到10V。2022/11/582浙大微电子2.VDMOS器件漏极电学特性仿真本例子模拟了(1)FileFile{*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“IV_des.tdr”Current=“IV_des.plt”Output=“IV_des.log”}2022/11/583浙大微电子(1)File2022/11/283浙大微电子(2)ElectrodeElectrode{{Name=“Source”Voltage=0.0}{Name=“Drain”Voltage=0.1}{Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55}}2022/11/584浙大微电子(2)Electrode2022/11/284浙大微电子(3)PhysicsPhysics{AreaFactor=3258200IncompleteIonizationEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom))Mobility(DopingDependenceHighFieldSaturationEnormalCarriercarrierscattering)Recombination(SRH(DopingDependenceTempdep)AugerAvalanche(Eparallel))}2022/11/585浙大微电子(3)Physics2022/11/285浙大微电子(4)PlotPlot{ eDensityhDensity eCurrent/vectorhCurrent/vector PotentialSpaceChargeElectricField eMobilityhMobilityeVelocityhVelocity DopingDonorConcentrationAcceptorConcentration}2022/11/586浙大微电子(4)Plot2022/11/286浙大微电子(5)MathMath{ Extrapolate RelErrcontrol directcurrentcomput}其中directcurrentcomput参数定义直接计算电极电流。2022/11/587浙大微电子(5)Math2022/11/287浙大微电子(6)SolveSolve{PoissonCoupled{PoissonElectronhole}#-rampGate:Quasistationary( MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3Goal{Name="Gate"Voltage=10})

2022/11/588浙大微电子(6)Solve2022/11/288浙大微电子{Coupled{PoissonElectronhole}}#-rampDrain:Quasistationary( MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3Goal{Name="Drain"Voltage=10}){Coupled{PoissonElectronhole}}}2022/11/589浙大微电子{Coupled{PoissonElec2022/11/590浙大微电子2022/11/290浙大微电子3、收敛性问题迭代次数不够电学边界条件设置不好引起的不收敛初始解的不收敛工艺仿真中网格设置得不好2022/11/591浙大微电子3、收敛性问题迭代次数不够2022/11/291浙大微电子迭代次数不够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一：①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。②迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小值，仿真结束。2022/11/592浙大微电子迭代次数不够2022/11/292浙大微电子解决方法(1).

Iterations尽量设置的大一点(2).设定minstep和interations，minstep的数值至少比

initialstep少3个数量级Math{Iterations=50NotDamped=50ExtrapolateRelErrControl}2022/11/593浙大微电子解决方法Math{2022/11/293浙大微电子Solve{PoissonCoupled{PoissonElectronHole}Quasistationary(Initialstep=1e-6MaxStep=0.1Minstep=1e-12increment=2.0Goal{name="anode"voltage=4e7}){Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}}2022/11/594浙大微电子Solve{2022/11/294浙大微电子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，无法完成成低压区到雪崩击穿区的转变。2022/11/595浙大微电子电学边界条件设置不好引起的不收敛2022/11/295浙大产生原因：击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解A，通过一个仿真步长，电压变化△V，此时假定下一点处于B点，而假定点B和真实点C之间的电流变化量△I太大，程序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛。2022/11/596浙大微电子产生原因：击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解A，通解决方法Electrode{ {Name="anode"Voltage=0.0resistor=3e9} {Name="cathode"Voltage=0.0} {Name="sub"Voltage=0.0}}2022/11/597浙大微电子解决方法Electrode{2022/11/297浙大微电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：①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；②由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解。2022/11/598浙大微电子初始解的不收敛2022/11/298浙大微电子①的解决方法Solve{Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}Quasistationary{……}Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}Solve{PoissonCoupled{PoissonElectron}Coupled{PoissonElectronHole}Quasistationary{……}Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}2022/11/599浙大微电子①的解决方法Solve{Solve{2022/11/299浙Electrode{Name=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=5.0Name=“sub”,Voltage=0.0}……Solve{……}Electrode{Name=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=0.0Name=“sub”,Voltage=0.0}……Solve{……Goal{name=“Gate”,Voltage=5.0}}2022/11/5100浙大微电子Electrode{2022/11/2100浙大微电子工艺仿真中网格设置得不好解决方法:调整优化网格2022/11/5101浙大微电子工艺仿真中网格设置得不好2022/11/2101浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProcess

2器件结构编辑工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成电路虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介

2022/11/5102浙大微电子本章内容

1集成工艺仿真系统SentaurusProc虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介

SentaurusWorkbench（SWB）简介

SentaurusWorkbench基于集成化架构模式来组织、实施TCAD仿真项目的设计和运行，为用户提供了图形化界面，可完成系列化仿真工具软件，以参数化形式实现TCAD项目的优化工程。SentaurusWorkbench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。

2022/11/5103浙大微电子虚拟制造系统SentaurusWorkbench简介Se创建和运行仿真项目1.建立新的仿真项目在菜单中选择Project>New。2.构造仿真流程在FamilyTree视图下，在NoTools处右击鼠标。然后在弹出的对话中，单击Tools按钮，在SelectDBTool菜单中选择sprocess工具。2022/11/5104浙大微电子创建和运行仿真项目1.建立新的仿真项目2022/11/23.导入卡命令文件（1）在SentaurusProcess图标按钮处点击鼠标右键，选择ImportFile>Commands。（2）在弹出的ImportFlowFile对话框中，找到需要的工艺卡命令文件。（3）单击Open按钮。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structsmesh=n@node@。2022/11/5105浙大微电子3.导入卡命令文件2022/11/2105浙大微电子4.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SentaurusStructureEditor、SentaurusDevice、Inspect等，并依次导入对应的卡命令文件。需要注意的是，在SentaurusStructureEditor中，最终的结构需要保存为“n@node@_msh”格式，而在SentaurusDevice中，该文件可以由以下语句导入，即grid=“@tdr@”。2022/11/5106浙大微电子4.添加其它仿真工具2022/11/2106浙大微电子5.添加实验参数在SentaurusWorkbench中，用户可以定义和添加实验参数。一个实验参数即代表一个实验。若有多个实验参数，则分解为多个实验。(1)在卡命令文件中，将需要定义的相应参数值改为

@parametername@格式。例如，dose=@bodydose@。(2)单击菜单栏Parameter菜单中的Add选项，打开添加实验参数对话框，然后在Parameter栏中输入实验参数名，

在DefaultValue栏中输入相应实验参数值。2022/11/5107浙大微电子5.添加实验参数2022/11/2107浙大微电子(3)单击OK。(4)重复以上步骤可以继续添加其它所需的实验参数。2022/11/5108浙大微电子(3)单击OK。2022/11/2108浙大微电子2022/11/5109浙大微电子2022/11/2109浙大微电子6.保存设置7.建立若干仿真实验（1）选择菜单栏中的Experiments>AddNewExperiment；（2）在弹出的对话框中输入相应参数值；2022/11/5110浙大微电子6.保存设置2022/11/2110浙大微电子8.清除之前的仿真数据文件当所有实验参数都已定义完后，清除之前的仿真数据文件。选择菜单栏中的Project>CleanUp，并点击需要清除的数据文件。