Silvaco器件仿真

半导体器件模型与仿真SemiconductorDeviceModelsandSimulation平时：30%上机+考试：70%内容大纲一、半导体仿真概述2学时二、半导体器件仿真软件使用2学时+2学时上机三、Diode器件仿真2学时+2学时上机四、BJT器件仿真4学时+4学时上机五、半导体工艺仿真软件使用4学时+4学时上机六、MOS工艺及器件仿真4学时+4学时上机七、总结与复习2学时+4学时上机（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。一、概论：半导体仿真概述IntroductionofSemiconductorSimulation1.这门课是研究什么的？（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。（3）什么是半导体器件仿真器？前面提及的理论基础不仅仅是同学们学习这门功课所需要的前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最需要的理论基础。为什么呢？因为仿真实质上是通过仿真器来完成的。一般仿真器实质上等于（输入接口+模型库+算法+输出接口）核心部分是模型库的建立，精度，处理速度需要通过算法来调节。一个半导体仿真器弄能是否强劲，就是看模型库是否强大。所以它是随着对半导体理论的探索和对实验数据的累计的发展而发展的。2.在整个学科中所处的位置是什么？从纵向来讲，和其他CAD类或仿真类课程一样，它是基础理论知识和实际生产的链接点。从横向来讲，电路模拟、工艺模拟、器件模拟之间的关系可以用下面的结构图来表示工艺描述几何结构及掺杂工艺仿真(ProcessSimulation)电学特性器件仿真(DeviceSimulation)电路模拟用器件模型参数IC电路仿真(ICCircuitSimulation)IC电路特性本门课程重点学习部分器件模拟参数提取(Deviceparameterextractiontools)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。如前图所表，这个器件仿真在逻辑上是基础于电路仿真的。工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟。可以用于设计新工艺，改良旧工艺。器件仿真可以实现电学特性仿真，电学参数提取。可以用于设计新型器件，旧器件改良，验证器件的电学特性。如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等等。提取器件参数，或建立简约模型以用于电路仿真。4.学习这门功课需要哪些准备？半导体物理学半导体器件物理学、MOS、BJT、Diode、功率器件等集成电路工艺技术简单的电路基础。5.学到什么程度？具体学什么？掌握模拟仿真软件的使用，对半导体器件的特性进行模拟和分析。具体为：1.复习现有以硅为主的超大规模集成电路工艺技术。学习工艺仿真软件的使用方法（氧化、扩散、离子注入、淀积、刻蚀、光刻等）2.熟悉并学会使用器件仿真软件（1）学习如何用仿真语句编写器件的结构特征信息（2）学习如何使用atlas器件仿真器进行电学特性仿真3.对半导体工艺仿真及器件仿真中所用到的模型加以了解4*.利用工艺器件仿真软件，培养和锻炼工艺流程设计和新器件开发设计等方面的技能。6.半导体器件仿真的历史发展1949年：半导体器件模拟的概念起源于此年肖克莱（Shockley）发表的论文，这篇文章奠定了结型二级管和晶体管的基础。但这是一种局部分析方法，不能分析大注入情况以及集电结的扩展。1964年：古默尔（H.K.Gummel）首先用数值方法代替解析方法模拟了一维双极晶体管，从而使半导体器件模拟向计算机化迈进。1969年：D．P．Kennedy和R.R.O’Brien第一个用二维数值方法研究了JFET。J．W．Slotboom用二维数值方法研究了晶体管的DC特性。从此以后，大量文章报导了二维数值分析在不同情况和不同器件中的应用。相应地也有各种成熟的模拟软件，如CADDET和MINIMOS等。Avanti:Tsuprem4/MediciTsuprem4/Medici是Avanti公司的二维工艺、器件仿真集成软件包。Tsuprem4是对应的工艺仿真软件，Medici是器件仿真软件。7.可选择的工艺及器件仿真工具简介ISE-TCAD工艺及器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE(IntegratedSystemsEngineering)公司开发的生产制造用设计（DFM：DesignForManufacturing）软件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，它既可以进行工艺流程的仿真、器件的描述，也可以进行器件仿真、电路性能仿真以及电缺陷仿真等。基本上是成为行业标准，功能强大，已被收购，升级版为SentaurusTCAD。SentaurusTCADSentaurusProcess整合了：⑴Avanti公司的Tsuprem系列工艺级仿真工具（Tsupremⅰ，Tsupremⅱ，Tsupremⅲ只能进行一维仿真，到了第四代的商业版Tsuprem4能够完成二维模拟）以及TaurusProcess系列工艺级仿真工具；(2)ISEIntegratedSystemsEngineering公司的ISETCAD工艺级仿真工具Dios（二维）FLOOPS-ISE（三维）以及Ligament（工艺流程编辑）系列工具，将一维、二维和三维仿真集成于同一平台。SentaurusDevice整合了(1)Avanti的Medici和TaurusDevice(2)ISE的DESSIS器件物理特性仿真工具,充实并修正了诸多器件物理模型,推出新的器件物理特性分析工具SentaurusDevice。SilvacoTCAD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。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。SilvacoTCAD平台包括：工艺仿真(ATHENA)器件仿真(ATLAS)快速器件仿真(Mercury)devedit结构编辑器材料定义、结构定义指令等价*.str结构文件atlas器件仿真器*.log文件包含器件在指定工作条件下的工作特性。*.str文件指定工作条件下的结构文件。包含器件的载流子分布、电势分布、电场分布等信息。输入端仿真系统输出端输出端/输入端athena工艺仿真器图形界面操作-简易方便命令方式输入-复杂费力Silvaco软件介绍外部指令如偏压等工艺指令如扩散等输出端仿真系统输入端输入端输入端指令的输入通过deckbuild软件窗口传送至仿真器*.log*.str等输出文件通过tonyplot软件窗口来查看athena工艺仿真部分Atlas器件仿真部分Athena概述用途：开发和优化半导体制造工艺流程。功能：模块大致分3类（1）用来模拟离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主的模块。（2）用来模拟刻蚀、淀积等以形貌为主的模块（3）用来模拟固有和外来衬底材料参数及/或制造工艺条件参数的扰动对工艺结果影响的所谓IC工艺统计模拟可迅速和精确地模拟应用在CMOS、双极、SiGe/SiGeC、SiC、SOI、III-V、光电子和功率器件技术的所有关键加工步骤athena工艺仿真器如图所示为一个半导体工艺仿真的结果示意图。掺杂浓度几何结构deckbuild的使用（1）deckbuild的调用在终端下使用如下命令：deckbuild-an&注：-an表示当启动deckbuild时，使用athena作为默认仿真器回车，短暂延时后，会出现deckbuild的主窗口，如图：上半部分的文本窗口用来创建和编辑仿真程序的输入窗口。中间是程序控制窗口下半部分的窗口是运行时用来显示仿真器的输出信息。（2）程序实例为了熟悉deckbuild下运行athena的机制，我们来打开和运行一些程序实例。点击菜单MainControl,在下拉菜单中再点击Examples…，会出现子窗口Deckbuild:examples所有实例都列在菜单”section”中根据应用类别分为若干组双击文件名来选择实例如Mos1ex01.in被选中的输入文件的描述将会出现在示例窗口中，如图所示这些描述包括a.运行本例所需要的软件模块b.提供本例演示概貌c.描述本例所使用的仿真命令d.描述本例运行结束后显示出来的结果点击Loadexample与这个例子相关的输入文件会载入到deckbuild的文本窗口中此输入文件以及与之相关的其他文件会自动拷贝到你的工作目录中去通过点击中间的程序控制窗口中的run按钮，来运行输入文件。一旦工艺模拟完成，MOS管的结构将会自动显示出来。如图所示，这是MOS管的结构图。接下来会自动传递给器件仿真器-ATLAS来进行器件仿真。功能:（1）勾画器件。（2）生成网格。(修改网格)既可以对用devedit画好的器件生成网格，或对athena工艺仿真生成含有网格信息的器件进行网格修改。为什么要重新定义网格？工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度掺杂浓度分布、结的深度等以适合于工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重点给出网格，不重要区域少给网格。和工艺仿真的区别devedit-考虑结果他不考虑器件生成的实际物理过程，生成器件时不需要对时间、温度等物理量进行考虑。athena-考虑过程必需对器件生成的外在条件、物理过程进行描述。devedit结构编辑器athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。结构材料定义：•Mesh(网格)•Region(区域)•Electrode(电极)•Doping(掺杂)•Material(材料)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。二、半导体器件仿真软件使用本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。具体包括：语句的语法规则语句名称语句所用到的参数列表，包括类型，默认值及参数的描述正确使用了语句的实例学习重点（1）语法规则（2）用ATLAS程序语言编写器件结构1.语法规则规则1：语句和参数是不区分大小写的。A=a可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc规则2：一个语句一般有以下的定义格式：语句参数=值其中：语句表示语句名称参数表示参数名称值表示参数的取值。间隔符号是被用来分离语句中的多个参数。解析：在一个语句后的参数可以是单词或者数字。单词可由字母和数字所组成的字符串。由空格（space）或回车(carriagereturn)来终止。例：region(OK)region(wrong)数字可以是数字也可以是字符串也是由空格（space）或回车(carriagereturn)来终止。例:3.16(OK)3.16(wrong)数字的取值范围可以从1e-38到1e38数字可以包含符号+或–或E（十进制）例：-3.1415