半导体工艺及器件仿真工具SentaurusTCAD.ppt

1、第1章可制造性设计工具Sentaurus TCAD,2/117,Sentaurus简介,Sentaurus TCAD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。 Sentaurus TCAD提供全面的产品套件，其中包括Sentaurus Workbench, Ligament, Sentaurus Process, Sentaurus Structure Editor, Mesh Noffset3D, Sentaurus Device, TecplotSV，Inspect, Advanced Calib

2、ration等等。,2020/8/5,浙大微电子,3/117,Sentaurus简介,Sentaurus Process和Sentaurus Device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。 Sentaurus TCAD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。,2020/8/5,浙大微电子,4/117,Sentaurus TCAD的启动,运行 vncviewer 在xterm中输入： source /opt/demo/sentaurus.env GENESISe 若保存格式为 TDR，应选择.t

3、dr文件）。在Data Files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Add Placement 按钮。,2020/8/5,浙大微电子,40/117,2020/8/5,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 重新设置，以增加仿真精度和收敛性。操作如下： MeshDefine Ref/Eval WindowCuboid,2020/8/5,浙大微电子,42/117,7 定义网格细化方案 选择菜单栏中的Mes

4、h Refinement Placement。 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max element size和 min element size参数。 单击Add Placement按钮。,2020/8/5,浙大微电子,43/117,2020/8/5,浙大微电子,44/117,8 执行设置方案。 选择菜单栏中的Mesh Build Mesh，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Build Mesh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： _m

5、sh.grd, _msh.dat 和_msh.log。,2020/8/5,浙大微电子,45/117,2020/8/5,浙大微电子,46/117,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 Exact Coordinates； 3. 选择器件材料Sentaurus Structure Editor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 Overlap Behavior New Replaces Old； 5. 关闭自动命名器件结构区域模式 Draw Auto Region N

6、aming；,2020/8/5,浙大微电子,47/117,6. 创建立方体区域 (1) 选择Isometric View ( ISO)，改为三维绘图模式。 (2) 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对话框，输入（0 0 0）和（7.75 44 3），然后单击OK按钮。,2020/8/5,浙大微电子,48/117,(4) 在SDE对话框中输入结构区域的名称Epitaxy，单击OK按钮。,2020/8/5,浙大微电子,49/117,7. 改变Boolean表达式 在菜单栏中选择Draw Overlap

7、 Behavior Old Replaces Old。 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。,2020/8/5,浙大微电子,50/117,2020/8/5,浙大微电子,51/117,9. 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 Constant Profile Placement； (2) 在Placement Name栏中输入PlaceCD.epi； (3) 在Placement Type group框中，选择Region， 并在列表中选择Epi

8、taxy； (4) 在Constant Profile Definition框中， 输入Const.Epi到Name栏中； (5) 在Species栏中选择 ArsenicActiveConcentration；,2020/8/5,浙大微电子,52/117,(6) 在Concentration栏中 输入3.3e14； (7) 单击Add Placement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。,2020/8/5,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包括两个步骤。第一步先定义杂 质分布窗口，第二步

9、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 Exact Coordinates； (2) Mesh Define Ref/Eval Window Rectangle； (3) 在视窗中，拖动一个矩形区域； (4) 在Exact Coordinates对话框中，输入(0 0)和(2.75 3.5)，以定义杂质分布窗口坐标；,2020/8/5,浙大微电子,54/117,(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。,2020/8/5,浙大微电子,55

10、/117,定义解析杂质浓度分布的步骤如下： (1) 选择菜单栏中的 Device Analytic Profile Placement； (2) 在Placement Name栏中输入PlaceAP.body； (3) 在Ref/Win列表中选择P-Body； (4) 在Profile Definition区域中， 输入Gauss.Body到Name栏中； (5) 在Species列表中选择 BoronActiveConcentration； (6) 在Peak Concentration栏中输入4e16；,2020/8/5,浙大微电子,56/117,(7) 在Peak Position栏中

11、输入0； (8) 在Junction栏和Depth栏中 分别输入3.3e14和3.5； (9) 在Lateral Diffusion Factor 栏中输入0.75； (10) 单击Add Placement按钮； (11) 重复以上步骤分别定义 其他区域的解析分布。,2020/8/5,浙大微电子,57/117,13. 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 Sentaurus Device中进行后续仿真。,2020/8/5,浙大微电子,58/117,2020/8/5

12、,浙大微电子,59/117,本章内容1 集成工艺仿真系统 Sentaurus Process 2 器件结构编辑工具Sentaurus Structure Editor 3 器件仿真工具Sentaurus Device 4 集成电路虚拟制造系统Sentaurus Workbench简介,2020/8/5,浙大微电子,60/117,Sentaurus Device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， 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。Sentaur

13、us Device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，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 性分析。,2020/8/5,浙大微电子,61/117,Sentaurus Device 主要物理模型,实现Sentaurus Device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 Sentaurus Device中。,2020/8/5,浙大微电子,62/117,(1) 产生-复合模型 产生-复合模型描述的是

14、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。,2020/8/5,浙大微电子,63/117,(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University of Bologna模型 描述界面位置处载流子迁移率的退化模型 Lombardi模型、University of Bologna模型 描述载流子-载流子散射的模型 ConwellWeisskopf模型、BrooksHerring模型 描述高内电场条件下

15、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，MeinerzhagenEngl模型，Lucent模型，速率饱和模型和驱动力模型等,2020/8/5,浙大微电子,64/117,(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，Sentaurus Device 嵌入了基于活化能变化的电离模型

16、。,2020/8/5,浙大微电子,65/117,(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。Sentaurus Device提供了两种热载流 子注入模型和一个用户自定义模型PMI (Physical Model Interface). 经典的lucky电子注入模型 Fiegna热载流子注入模型,2020/8/5,浙大微电子,66/117,(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。 Sentaurus Device提供三种隧道击穿模

17、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 FowlerNordheim隧道击穿模型,2020/8/5,浙大微电子,67/117,(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：,2020/8/5,浙大微电子,68/117,(7) 量子化模型,Sentaurus De

18、vice提供了四种量子化模型。 Van Dot模型 Van Dot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。,2020/8/5,浙大微电子,69/117,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。,2020/8/5,浙大微电子,70/

19、117,Sentaurus Device仿真实例,一个标准的Sentaurus Device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。,2020/8/5,浙大微电子,71/117,1. 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

20、大电阻可以有效的解决这个 不收敛问题。 在本例中，Sentaurus Device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 信息和电极定义信息。,2020/8/5,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 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” ,2020/8/5,浙

21、大微电子,73/117,(2) Electrode 该电极定义部分用来定义Sentaurus Device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=0.0 Resistor= 1e7 Name=“Gate” Voltage=0.0 Barrier= -0.55 ,2020/8/5,浙大微电子,74/117,(3) Physics 该命令段定义了Sentaurus Device模拟中选定的器件物理模型。 Physics EffectiveIntrinsicDensity(

22、 BandGapNarrowing OldSlotboom ) Mobility( DopingDep eHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ) hHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ) Enormal ) Recombination( SRH( DopingDep ) eAvalanche( Eparallel) hAvalanche( Eparallel ) ) ,2020/8/5,浙大微电子,75/117,(4) Plot Plot命令段用于完成设置所需的Sentaurus Device模拟输 出绘图结果。这些输出结

23、果可以通过调用TecplotSV查阅。 Plot eDensity hDensity TotalCurrent / Vector eCurrent / Vector hCurrent / Vector eMobility hMobility eVelocity hVelocity eQuasiFermi hQuasiFermi eTemperature Temperature * hTemperature ElectricField/Vector Potential SpaceCharge Doping DonorConcentration AcceptorConcentration,2020

24、/8/5,浙大微电子,76/117,*-Generation/Recombination SRH Band2Band * Auger AvalancheGeneration eAvalancheGeneration hAvalancheGeneration *-Driving forces eGradQuasiFermi/Vector hGradQuasiFermi/Vector eEparallel hEparallel eENormal hENormal *-Band structure/Composition BandGap BandGapNarrowing Affinity Condu

25、ctionBand ValenceBand eQuantumPotential ,2020/8/5,浙大微电子,77/117,(5) Math 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 ,2020/8/5,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 解析导数； Iterations定

26、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。,2020/8/5,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。 Solve *- Build-up of initial solution: Coupled(Iterations=100) Poisson Coupled Poisson Electron Hole Quasistationary( InitialStep=1e-4 Increment=1.35 MinStep=1e-5 MaxStep=0.025,2020/8/5,浙

27、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。 Quasistationary定义用户要求得到准静态解。,2020/8/5,浙大微电子,81/117,2020/8/5,浙大微电子,82/117,2. 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。,2020/8/5,浙大微电子,83/117,(1)

28、 File File * input files: Grid =“500vdmos_final_fps.tdr” * output files: Plot =“IV_des.tdr” Current =“IV_des.plt” Output =“IV_des.log” ,2020/8/5,浙大微电子,84/117,(2) Electrode Electrode Name=“Source” Voltage=0.0 Name=“Drain” Voltage=0.1 Name=“Gate” Voltage=0.0 Barrier=-0.55 ,2020/8/5,浙大微电子,85/117,(3) Ph

29、ysics Physics AreaFactor=3258200 IncompleteIonization EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) Mobility ( DopingDependence HighFieldSaturation Enormal Carriercarrierscattering ) Recombination ( SRH(DopingDependence Tempdep) Auger Avalanche (Eparallel) ) ,2020/8/5,浙大微电子,86/117,(4) Pl

30、ot Plot eDensity hDensity eCurrent/vector hCurrent/vector Potential SpaceCharge ElectricField eMobility hMobility eVelocity hVelocity Doping DonorConcentration AcceptorConcentration ,2020/8/5,浙大微电子,87/117,(5) Math Math Extrapolate RelErrcontrol directcurrentcomput 其中directcurrentcomput参数定义直接计算电极电流。,

31、2020/8/5,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 Goal Name=Gate Voltage=10 ),2020/8/5,浙大微电子,89/117, Coupled Poisson Electron hole #-ramp Drain: Quasistationary ( MaxStep=0.1 MinStep=1e-8 Increm

32、ent=2 Decrement=3 Goal Name=Drain Voltage=10 ) Coupled Poisson Electron hole ,2020/8/5,浙大微电子,90/117,2020/8/5,浙大微电子,91/117,3、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,2020/8/5,浙大微电子,92/117,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 ： 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。 迭代失败的次数很少，但

33、是仿真步长很快就达到了最小值，仿真结束。,2020/8/5,浙大微电子,93/117,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 =50 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl ,2020/8/5,浙大微电子,94/117,Solve Poisson Coupled Poisson Electron Hole Quasistationary ( Initialstep=1e-6 MaxS

34、tep=0.1 Minstep=1e-12 increment=2.0 Goal name=anode voltage=4e7 ) Coupled Poisson Electron Hole Temperature ,2020/8/5,浙大微电子,95/117,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。,2020/8/5,浙大微电子,96/117,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

35、，因此始终无法收敛。,2020/8/5,浙大微电子,97/117,解决方法,Electrode Name=anode Voltage=0.0 resistor=3e9 Name=cathodeVoltage=0.0 Name=sub Voltage=0.0 ,2020/8/5,浙大微电子,98/117,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： 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； 由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解。,2020/8/5,浙大微电子,99/117,的解决方法,Solve Coupled

36、Poisson Electron Hole Temperature Quasistationary CoupledPoisson Electron Hole Temperature ,Solve Poisson CoupledPoisson Electron CoupledPoisson Electron Hole Quasistationary CoupledPoisson Electron Hole Temperature ,2020/8/5,浙大微电子,100/117,Electrode Name=“Drain”, Voltage=0.0 Name=“Source”, Voltage=0

37、.0 Name=“Gate”, 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 ,2020/8/5,浙大微电子,101/117,工艺仿真中网格设置得不好 解决方法: 调整优化网格,2020/8/5,浙大微电子,102/117,本章内容1 集成工艺仿真系统 Sentau

38、rus Process 2 器件结构编辑工具Sentaurus Structure Editor 3 器件仿真工具Sentaurus Device 4 集成电路虚拟制造系统Sentaurus Workbench简介,2020/8/5,浙大微电子,103/117,虚拟制造系统Sentaurus Workbench简介,Sentaurus Workbench（SWB）简介 Sentaurus Workbench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。Sentaurus Workben

39、ch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。,2020/8/5,浙大微电子,104/117,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Family Tree视图下，在No Tools处右击鼠标。然后在 弹出的对话中，单击Tools按钮，在Select DB Tool菜单中 选择sprocess工具。,2020/8/5,浙大微电子,105/117,3. 导入卡命令文件 （1）在Sentaurus Process图标按钮处点击鼠标右键，

40、选 择Import File Commands。 （2）在弹出的Import Flow File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struct smesh=nnode。,2020/8/5,浙大微电子,106/117,4. 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 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 Sentaurus Structure Editor中，最终的结构需要保存为 “nnode_msh”格式，而在Se